心臟病（又稱“沉默殺手”），據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2018》顯示，我國(guó)心血管病患病率及死亡率仍處于上升階段，現(xiàn)患病人數(shù)高達(dá)2.9億，也就是說，我們身邊每5個(gè)人中就有1位是心血管病患者。患者突發(fā)急性心肌梗死后，進(jìn)而可能會(huì)出現(xiàn)心源性休克，甚至死亡。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，到2020年，中國(guó)每年因心血管疾病死亡的人數(shù)將可能達(dá)到400萬。

該疾病的某些機(jī)制仍然模糊。但是科學(xué)家們知道，該疾病是脂肪和膽固醇組成的斑塊會(huì)在血管壁上積聚，從而阻礙血液的流動(dòng)。但是他們不完全了解這些斑塊如何在動(dòng)脈和靜脈中形成和聚集，了解斑塊凝聚的成因恰恰是預(yù)防和改善治療的關(guān)鍵信息。

近日，阿德萊德大學(xué)李佳紋博士和斯圖加特大學(xué)SimonThiele博士等人為這個(gè)難題找到了一個(gè)解決方案。他們使用3D微型打印技術(shù)開發(fā)了世界上最小的柔性血管內(nèi)窺鏡?？梢詫㈩愃茢z像頭的成像設(shè)備插入血管中，以提供高質(zhì)量的3D圖像，以幫助科學(xué)家更好地了解心臟病發(fā)作和心臟病進(jìn)展的原因，并可以實(shí)現(xiàn)改善治療和預(yù)防效果。

該成果以“Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use”為題，被國(guó)際頂級(jí)光學(xué)期刊Light: Science & Applications選為2020年第四期封面文章。

圖1 Light: Science & Applications 2020年第四期封面

光纖內(nèi)窺鏡，尤其是基于光學(xué)相干層析成像（OCT）的內(nèi)窺鏡，已成為醫(yī)學(xué)中不可缺少的工具。近十年來，OCT內(nèi)窺鏡越來越多地用于臨床前研究和提高診斷準(zhǔn)確率。

超微內(nèi)窺鏡可以大幅降低對(duì)微小的器官 （例如，肺內(nèi)細(xì)支氣管和心臟冠狀動(dòng)脈）的損傷。一個(gè)具有高分辨率、大聚焦深度的OCT內(nèi)窺鏡可以獲得很多重要的臨床信息和應(yīng)用。例如，在心血管內(nèi)檢測(cè)膽固醇結(jié)晶、薄纖維帽和巨噬細(xì)胞，從而預(yù)測(cè)病人突發(fā)心肌梗死的可能性。

然而，現(xiàn)有的OCT內(nèi)窺鏡制造方法（例如，用微型棱鏡、GRIN透鏡或者光纖透鏡）無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)微型化、高分辨率、消球面像差和消像散，只能在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率，超過這個(gè)深度，由于像差等因素的影響，成像質(zhì)量就大幅度降低。

為了突破這個(gè)技術(shù)瓶頸，研究人員通過使用雙光子飛秒激光3D打印技術(shù)在光纖截面直接打印出超微自由曲面光學(xué)元件（外徑約0.125毫米，見圖2.b）并制成內(nèi)窺鏡（圖2.c）。此超微光學(xué)元件不僅能避免對(duì)脆弱和狹窄的組織或器官的損傷，更重要的是可以通過3D打印的自由曲面實(shí)現(xiàn)像差消除，從而大幅提高成像質(zhì)量。通過使用此內(nèi)窺鏡，該團(tuán)隊(duì)在小鼠和人體血管樣品中采集到易損動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的特征信息。此技術(shù)在精確評(píng)判病人病情、輔助介入治療及活體病理研究等諸多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 3D打印超微內(nèi)窺鏡的示意圖和照片

圖3展示了通過此超微OCT內(nèi)窺鏡在一個(gè)嚴(yán)重堵塞的病人血管內(nèi)成像，采集到血栓（圖3a）和動(dòng)脈硬化斑塊（圖3c）圖像。這個(gè)斑塊的壞死核心（NC）和纖維帽（紅色箭頭）也被清晰地采集到，這些信息對(duì)于檢測(cè)易損斑塊有重要意義。

圖3 病人頸動(dòng)脈成像結(jié)果

此超微內(nèi)窺鏡，不僅可以用于病人血管，還可以在患有冠狀動(dòng)脈的小鼠血管內(nèi)輕松使用（圖4），展示了此超微內(nèi)窺鏡用于動(dòng)物疾病模型實(shí)現(xiàn)活體病理研究的能力。特別值得一提的是，此超微OCT內(nèi)窺鏡能對(duì)血管壁深部的細(xì)小又關(guān)鍵的斑塊信息（如膽固醇結(jié)晶，見圖4黃色箭頭）清晰成像。

圖4 小鼠血管成像結(jié)果

本文以心血管系統(tǒng)成像為例，展示了3D打印超微OCT內(nèi)窺鏡在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。除此之外，此超微高分辨內(nèi)窺鏡還可用于腦血管、肺部、耳蝸等成像，幫助中風(fēng)、肺部磨玻璃結(jié)節(jié)、失聰?shù)认嚓P(guān)疾病的診斷、治療和研究。

3D打印超微內(nèi)窺鏡技術(shù)的應(yīng)用不僅限于OCT，還有望擴(kuò)展到其他成像技術(shù)，比如雙/三光子和多模態(tài)成像。

文章信息

Li, J., Thiele, S., Quirk, B.C. et al. Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use. Light Sci Appl 9, 124 (2020)

Cover image credit to Florian Sterl, Sterltech Optics 

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00365-w