共聚焦激光內(nèi)窺鏡用于識(shí)別中空器官上皮細(xì)胞中的疾病

共聚焦激光內(nèi)窺鏡（Confocal laser endomicroscopy）是一種新興的成像技術(shù)，作為一種常規(guī)醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡附件正在開發(fā)臨床應(yīng)用。這種柔性光纖耦合儀可以用于識(shí)別中空器官（如結(jié)腸）上皮細(xì)胞中的疾病。這些薄層組織具有高度代謝活性，是許多疾病過程的起源，如癌癥、感染和炎癥等。內(nèi)窺鏡可以實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞分辨率，實(shí)時(shí)提供具有“組織學(xué)”質(zhì)量的體內(nèi)圖像，以指導(dǎo)醫(yī)生做出臨床決策。

組織的物理活檢常常伴隨出血和穿孔風(fēng)險(xiǎn)。通常，很難恰到好處的采集活檢樣本，要么太多要么又太少。每切除一個(gè)樣本都會(huì)增加手術(shù)成本。此外，還需要幾天的時(shí)間來處理樣本以供病理學(xué)專家進(jìn)行評(píng)估。在等待病理結(jié)果期間，患者時(shí)常會(huì)感到焦慮。相比之下，MRI、CT、PET、SPECT和超聲等其他臨床成像方法，又缺乏實(shí)時(shí)顯示體內(nèi)亞細(xì)胞分辨率上皮組織所需要的空間分辨率和速度。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，可用于設(shè)計(jì)和制造內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端的微型掃描機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)端（相對(duì)于近端）為控制焦點(diǎn)位置提供了更大的靈活性。除了橫向偏轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)端機(jī)構(gòu)還可以執(zhí)行軸向、物鏡后和隨機(jī)訪問掃描。這些功能可以對(duì)上皮組織進(jìn)行更全面的檢查，包括垂直截面成像、大視場(chǎng)（FOV）上的無像差掃描，以及在用戶定義的子區(qū)域提供高性能。

MEMS解決了儀器遠(yuǎn)端封裝掃描機(jī)構(gòu)所提出的空間挑戰(zhàn)。與體積龐大的檢流計(jì)式掃描器相比，MEMS以小尺寸、高速率和低功耗提供了優(yōu)異的性能。此外，其簡(jiǎn)單的制造工藝還能夠以低成本實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

此前已有報(bào)道許多相關(guān)的MEMS設(shè)計(jì)。但尚未開發(fā)出足以通過醫(yī)用內(nèi)窺鏡工作通道進(jìn)行實(shí)時(shí)體內(nèi)成像的MEMS設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床轉(zhuǎn)化。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)密歇根大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端利用MEMS掃描器，實(shí)現(xiàn)在常規(guī)臨床內(nèi)窺鏡檢查中捕捉人體受試者的體內(nèi)圖像。

內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)

研究人員在內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端利用MEMS掃描器開發(fā)了一種光纖耦合儀，以捕捉體內(nèi)具有類似組織學(xué)特征的實(shí)時(shí)熒光圖像。研究人員將單模光纖（SMF）封裝在柔性聚合物管中，并在λex= 488 nm進(jìn)行激發(fā)。這種配置縮短了遠(yuǎn)端的末端長(zhǎng)度，并能夠向前通過標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的工作通道。

其透鏡設(shè)計(jì)可在軸上實(shí)現(xiàn)接近衍射極限的分辨率，數(shù)值孔徑（NA）=0.41、工作距離=0 μm。還制作了精密襯墊以精確對(duì)準(zhǔn)光學(xué)元件。MEMS掃描器被封裝在內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端直徑2.4 mm、長(zhǎng)度10 mm的剛性末端中（如下圖a所示）。這樣的尺寸使其可以在內(nèi)窺鏡檢查中作為附件實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。入射到組織上的最大激光功率為2 mW。

共聚焦激光內(nèi)窺鏡及其MEMS掃描器

該掃描機(jī)構(gòu)包括一個(gè)安裝在萬向節(jié)上的反射器，萬向節(jié)由一組正交梳狀執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，以李薩茹模式橫向（XY平面）偏轉(zhuǎn)光束（如上圖c所示）。其中心蝕刻有直徑為50 μm的孔，以使激發(fā)光束通過。MEMS掃描器的驅(qū)動(dòng)頻率接近結(jié)構(gòu)共振頻率，并可以通過調(diào)整扭轉(zhuǎn)彈簧的尺寸來調(diào)整。在器件周圍蝕刻了電極錨，以提供電源和驅(qū)動(dòng)信號(hào)連接（如上圖d所示）。

成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝在一輛便攜式推車上，可以推入手術(shù)室。研究人員開發(fā)了圖形用戶界面，以支持醫(yī)生和護(hù)士等用戶的使用，并可以手動(dòng)檢查掃描器的驅(qū)動(dòng)頻率、光束形狀模式和圖像視場(chǎng)。

體內(nèi)共聚焦圖像樣張

總結(jié)來說，研究人員展示了一種柔性光纖耦合共聚焦激光內(nèi)窺鏡的臨床應(yīng)用，利用遠(yuǎn)端MEMS掃描器采集體內(nèi)圖像。在共振頻率下，使用高密度李薩如掃描模式實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20 Hz的幀速率，有效減輕運(yùn)動(dòng)偽影。其中，折疊光路可以實(shí)現(xiàn)光束擴(kuò)展和1.1 μm的橫向分辨率。

在常規(guī)結(jié)腸鏡檢查中，可以從正常結(jié)腸粘膜、管狀腺瘤、增生性息肉、潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩氏結(jié)腸炎中采集具有類似組織學(xué)質(zhì)量的熒光圖像。能夠識(shí)別單個(gè)細(xì)胞，包括結(jié)腸細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和炎性細(xì)胞；區(qū)分粘膜特征，例如隱窩結(jié)構(gòu)、隱窩腔和固有層。

其精密元件經(jīng)過微加工，以在直徑為2.4 mm、長(zhǎng)度為10 mm的器械內(nèi)提供光學(xué)元件和機(jī)械部件的精確對(duì)準(zhǔn)。其光學(xué)設(shè)計(jì)充分縮減了剛性遠(yuǎn)端末端的長(zhǎng)度，以向前通過醫(yī)用內(nèi)窺鏡中具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸（3.2 mm直徑）的工作通道。因此，這款醫(yī)療器械具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-24210-9

審核編輯：劉清