據(jù)悉，一款超薄內(nèi)窺鏡成功研發(fā)，其尺寸小到可以掃描小鼠血管內(nèi)部的圖像。如果應(yīng)用到人類醫(yī)學(xué)，將幫助科學(xué)家更好地了解心臟病發(fā)作和疾病進(jìn)展的原因，以及隨后的治療和預(yù)防方法。

通過內(nèi)窺鏡對內(nèi)部器官進(jìn)行高分辨率可視化的技術(shù)越來越多的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測、手術(shù)過程中。特別是，使用光學(xué)相干斷層掃描（OCT）的光纖內(nèi)窺鏡可提供深度分辨成像，已用于超過410,000名患者，以改善臨床療結(jié)果。小型內(nèi)窺鏡探頭在對于不引起組織創(chuàng)傷的情況下對小管腔或脆弱器官成像是必需的。然而，當(dāng)前的制造方法限制了高度小型化的探針的成像性能，從而限制了它們的廣泛應(yīng)用。

7月20日，來自澳大利亞阿德萊德大學(xué)醫(yī)學(xué)院、光學(xué)先進(jìn)傳感研究所的Jiawen Li和德國斯圖加特大學(xué)應(yīng)用光學(xué)研究所（ITO）和SCoPE研究中心的Simon Thiele在Nacture上發(fā)布的《Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use》一文展示了他們利用3D微打印技術(shù)開發(fā)的新型超薄探針裝置，為了制造這種裝置，他們在一根不比人類頭發(fā)厚的光纖末端上打印鏡頭，形成了探針結(jié)構(gòu)（如下圖所示）。據(jù)Simon Thiele介紹，他們研發(fā)出來的成像設(shè)備是目前世界上現(xiàn)存最小的內(nèi)窺鏡。

3D打印超薄內(nèi)窺鏡可對動脈成像。圖片來源：Simon Thiele和Li Jiawen Li

盡管現(xiàn)在手術(shù)過程中利用內(nèi)窺鏡非常普遍，但對于微型高分辨率窺鏡仍然存在實際但尚未滿足的需求，這些光纖內(nèi)窺鏡不僅能夠?qū)?xì)小狹窄的管腔器官和小型動物進(jìn)行成像，而且還可以防止因插入探針而引起的潛在手術(shù)事故。具體而言，高分辨率和大深度的聚焦對于病理變化的有效監(jiān)視是必要的但是用小型化的內(nèi)窺鏡來實現(xiàn)是極其困難的。

例如，小鼠模型是心血管疾病常用的動物模型，根據(jù)參考文獻(xiàn)，直徑為483μm的微型探針可用于小鼠血管內(nèi)成像。但是，用于小鼠的該探針由于聚焦深度短，無法對深度小于100μm的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并且缺乏分辨率，無法提供相關(guān)結(jié)構(gòu)的可視化顯示，例如脂肪細(xì)胞，膽固醇晶體(CCs)和結(jié)締組織，這些大小在幾十微米范圍內(nèi)的組織。

常見的消化內(nèi)鏡手術(shù)

TS小鼠模型中的NIRAF成像和斑塊內(nèi)出血

當(dāng)前的探針制造技術(shù)在高度小型化的探針這塊時受到限制，導(dǎo)致球面像差、低分辨率或淺焦深。在光學(xué)設(shè)計中，傳統(tǒng)上需要權(quán)衡高分辨率（大數(shù)值孔徑，NA），從而導(dǎo)致光束發(fā)散迅速，聚焦深度較小，而分辨率差（NA較?。瑹o法實現(xiàn)較大的聚焦深度 。在光學(xué)相干斷層掃描成像中，因為內(nèi)窺鏡和血管內(nèi)探針部署在透明的導(dǎo)管鞘內(nèi)，既保護(hù)動物或患者在探針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描時免受創(chuàng)傷，又防止在多個動物之間重復(fù)使用時的交叉污染。

在光學(xué)上，這種透明鞘相當(dāng)于負(fù)柱面透鏡，并引起散光。散光增加了小型化探針的橫向分辨率的衰減。因此，對這些非色差的校正對于用微型探頭在所希望的聚焦深度上獲得盡可能好的分辨率是至關(guān)重要的，而當(dāng)前的微光學(xué)制造方法缺乏減輕這些非色差的能力。

我們開發(fā)了一種超薄單片光學(xué)相干斷層掃描內(nèi)窺鏡，通過使用雙光子聚合將125微米直徑的微光學(xué)器件直接印刷到光纖上，克服了這些限制（如下圖所示）。

圖解：a. 這款3D打印OCT內(nèi)窺鏡在動脈內(nèi)的示意圖；b. 熔接到導(dǎo)光單模光纖上的無芯光纖尖端，及位于其上的3D打印離軸自由面全內(nèi)反射（TIR）鏡的顯微鏡圖像；c. 系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計；d. 3D打印OCT內(nèi)窺鏡的照片，通過旋轉(zhuǎn)并向后拉以完成完整的3D OCT掃描

研究人員將一根450微米長度的無芯光纖拼接到一根20厘米長的單模光纖上，在光束到達(dá)3D打印自由曲面微光學(xué)器件之前對其進(jìn)行擴(kuò)展。為了實現(xiàn)這一段無芯光纖的拼接，他們首先將一段較長的無芯光纖拼接到單模光纖上，然后使用自動玻璃處理器和直列式切割刀將其切割到450±5微米。使用雙光子光刻系統(tǒng)將光束整形微光學(xué)器件直接3D打印到無芯光纖的遠(yuǎn)端，該系統(tǒng)通過直接連接到系統(tǒng)的光纖支架進(jìn)行了改進(jìn)。

3D打印微光學(xué)器件的自由曲面通過全內(nèi)反射改變光束的方向并使其聚焦。該表面還補(bǔ)償了由透明聚合物導(dǎo)管鞘(內(nèi)徑為0.386毫米，外徑為0.457毫米)。光纖組件固定在薄壁扭矩線圈(內(nèi)徑為0.26毫米，外徑為0.36毫米，)內(nèi)。扭矩線圈允許旋轉(zhuǎn)和線性運動從成像探頭的近端精確地傳遞到遠(yuǎn)端，從而實現(xiàn)3D掃描。成像探頭在導(dǎo)管鞘內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)管鞘保持靜止，并在3D掃描期間保護(hù)生物組織。

探針表征

嚴(yán)重患病的人頸動脈的光學(xué)相干斷層掃描成像。

圖解：a. OCT圖像橫截面圖；b. a圖部分的Masson三色染色顯示，藍(lán)色箭頭表示似乎含有纖維蛋白、血小板和細(xì)胞碎片的血栓；c. 另一幅OCT圖像的橫截面圖；d. c圖同一區(qū)域的Masson三色染色顯示，紅色箭頭指向纖維帽和鄰近的壞死核心。

小鼠主動脈的原位光學(xué)相干斷層掃描成像

動脈粥樣硬化小鼠主動脈的原位光學(xué)相干斷層掃描成像

該技術(shù)避免了光纖和微光學(xué)器件之間的手動對準(zhǔn)，并確保亞微米對準(zhǔn)精度。這項技術(shù)是第一個實用和可靠的制造方法，像差校正高度小型化內(nèi)窺鏡探頭。