心臟病（又稱“沉默殺手”），據《中國心血管病報告2018》顯示，我國心血管病患病率及死亡率仍處于上升階段，現患病人數高達2.9億，也就是說，我們身邊每5個人中就有1位是心血管病患者。患者突發急性心肌梗死后，進而可能會出現心源性休克，甚至死亡。據世界衛生組織統計，到2020年，中國每年因心血管疾病死亡的人數將可能達到400萬。

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

近日，阿德萊德大學李佳紋博士和斯圖加特大學SimonThiele博士等人為這個難題找到了一個解決方案。他們使用3D微型打印技術開發了世界上最小的柔性血管內窺鏡。可以將類似攝像頭的成像設備插入血管中，以提供高質量的3D圖像，以幫助科學家更好地了解心臟病發作和心臟病進展的原因，并可以實現改善治療和預防效果。

該成果以“Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use”為題，被國際頂級光學期刊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

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

超微內窺鏡可以大幅降低對微小的器官 （例如，肺內細支氣管和心臟冠狀動脈）的損傷。一個具有高分辨率、大聚焦深度的OCT內窺鏡可以獲得很多重要的臨床信息和應用。例如，在心血管內檢測膽固醇結晶、薄纖維帽和巨噬細胞，從而預測病人突發心肌梗死的可能性。

然而，現有的OCT內窺鏡制造方法（例如，用微型棱鏡、GRIN透鏡或者光纖透鏡）無法同時實現微型化、高分辨率、消球面像差和消像散，只能在小范圍內實現高分辨率，超過這個深度，由于像差等因素的影響，成像質量就大幅度降低。

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

圖2 3D打印超微內窺鏡的示意圖和照片

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

圖3 病人頸動脈成像結果

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

圖4 小鼠血管成像結果

本文以心血管系統成像為例，展示了3D打印超微OCT內窺鏡在醫學中的應用。除此之外，此超微高分辨內窺鏡還可用于腦血管、肺部、耳蝸等成像，幫助中風、肺部磨玻璃結節、失聰等相關疾病的診斷、治療和研究。

3D打印超微內窺鏡技術的應用不僅限于OCT，還有望擴展到其他成像技術，比如雙/三光子和多模態成像。

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