真正的“深入人心”：世界上最小的血管内窥镜

心脏病（又称“沉默杀手”），据《中国心血管病报告2018》显示，我国心血管病患病率及死亡率仍处于上升阶段，现患病人数高达2.9亿，也就是说，我们身边每5个人中就有1位是心血管病患者。患者突发急性心肌梗死后，进而可能会出现心源性休克，甚至死亡。据世界卫生组织统计，到2020年，中国每年因心血管疾病死亡的人数将可能达到400万。

该疾病的某些机制仍然模糊。但是科学家们知道，该疾病是脂肪和胆固醇组成的斑块会在血管壁上积聚，从而阻碍血液的流动。但是他们不完全了解这些斑块如何在动脉和静脉中形成和聚集，了解斑块凝聚的成因恰恰是预防和改善治疗的关键信息。

近日，阿德莱德大学李佳纹博士和斯图加特大学SimonThiele博士等人为这个难题找到了一个解决方案。他们使用3D微型打印技术开发了世界上最小的柔性血管内窥镜。可以将类似摄像头的成像设备插入血管中，以提供高质量的3D图像，以帮助科学家更好地了解心脏病发作和心脏病进展的原因，并可以实现改善治疗和预防效果。

该成果以“Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use”为题，被国际顶级光学期刊Light: Science & Applications选为2020年第四期封面文章。

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

光纤内窥镜，尤其是基于光学相干层析成像（OCT）的内窥镜，已成为医学中不可缺少的工具。近十年来，OCT内窥镜越来越多地用于临床前研究和提高诊断准确率。

超微内窥镜可以大幅降低对微小的器官 （例如，肺内细支气管和心脏冠状动脉）的损伤。一个具有高分辨率、大聚焦深度的OCT内窥镜可以获得很多重要的临床信息和应用。例如，在心血管内检测胆固醇结晶、薄纤维帽和巨噬细胞，从而预测病人突发心肌梗死的可能性。

然而，现有的OCT内窥镜制造方法（例如，用微型棱镜、GRIN透镜或者光纤透镜）无法同时实现微型化、高分辨率、消球面像差和消像散，只能在小范围内实现高分辨率，超过这个深度，由于像差等因素的影响，成像质量就大幅度降低。

为了突破这个技术瓶颈，研究人员通过使用双光子飞秒激光3D打印技术在光纤截面直接打印出超微自由曲面光学元件（外径约0.125毫米，见图2.b）并制成内窥镜（图2.c）。此超微光学元件不仅能避免对脆弱和狭窄的组织或器官的损伤，更重要的是可以通过3D打印的自由曲面实现像差消除，从而大幅提高成像质量。通过使用此内窥镜，该团队在小鼠和人体血管样品中采集到易损动脉粥样硬化斑块的特征信息。此技术在精确评判病人病情、辅助介入治疗及活体病理研究等诸多领域有广阔的应用前景。

图2 3D打印超微内窥镜的示意图和照片

图3展示了通过此超微OCT内窥镜在一个严重堵塞的病人血管内成像，采集到血栓（图3a）和动脉硬化斑块（图3c）图像。这个斑块的坏死核心（NC）和纤维帽（红色箭头）也被清晰地采集到，这些信息对于检测易损斑块有重要意义。

图3 病人颈动脉成像结果

此超微内窥镜，不仅可以用于病人血管，还可以在患有冠状动脉的小鼠血管内轻松使用（图4），展示了此超微内窥镜用于动物疾病模型实现活体病理研究的能力。特别值得一提的是，此超微OCT内窥镜能对血管壁深部的细小又关键的斑块信息（如胆固醇结晶，见图4黄色箭头）清晰成像。

图4 小鼠血管成像结果

本文以心血管系统成像为例，展示了3D打印超微OCT内窥镜在医学中的应用。除此之外，此超微高分辨内窥镜还可用于脑血管、肺部、耳蜗等成像，帮助中风、肺部磨玻璃结节、失聪等相关疾病的诊断、治疗和研究。

3D打印超微内窥镜技术的应用不仅限于OCT，还有望扩展到其他成像技术，比如双/三光子和多模态成像。

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 

论文地址

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