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前沿进展：用于深部脑内超高分辨率神经成像的超薄可见光OCT显微内镜技术

 

 

深部脑神经成像需高分辨率技术来呈现复杂脑结构、评估深部疾病组织病理并提供实时干预指导，但当前方法受分辨率与深度权衡问题困扰。

 

香港中文大学袁武教授团队推出了一种光学相干断层扫描（OCT）内窥显微镜设备，可对深部脑微观结构与组织病理进行高分辨率活体成像。其独特的液体塑形技术能在成像探头光纤尖端直接制微透镜，优化如纵向焦移、光斑尺寸、工作距离等成像参数，且宽带可见光源提升了轴向分辨率与成像对比度。

 

 

借助该设备，研究团队成功识别了小鼠深部脑的等皮质、胼胝体、尾状核壳核等关键区域，还检查了等皮质的髓鞘与细胞构筑。结果显示，vis-OCT内窥显微镜相比800nm同类设备，能更好地呈现有髓鞘轴突纤维与神经纤维束。为微创、超高分辨率的活体深部脑神经成像提供了新工具。

 

 

研究背景

 

 

脑深部神经成像对于脑图谱绘制、疾病评估和干预指导至关重要，需要高分辨率成像技术来清晰呈现复杂的脑结构、准确评估深部疾病组织病理学并提供实时干预引导。然而，在成像分辨率和深度之间达成平衡一直是该领域面临的重大挑战。

 

1、现有成像技术的局限性

  • MRI：作为一种广泛应用于临床的非侵入性技术，尤其是在神经外科手术如肿瘤切除术中辅助作用显著。但其毫米级的空间分辨率，对于微小和早期肿瘤的分辨能力明显不足。

  • 超声成像：尽管能够深入大脑达到数厘米的深度，但其分辨率仅为数百微米，对于精细脑结构的可视化效果不尽人意。

  • 光学成像（双光子/多光子显微镜）：在脑深部成像方面取得了显著进展，具备亚微米级分辨率且成像深度可超过1mm。但由于脑组织折射率分布不均匀，严重的光学像差和光散射问题阻碍了成像深度的进一步拓展。此外，双光子/多光子内镜在深层组织功能成像中表现出色，可实现细胞和亚细胞分辨率，但在信号强度、视野范围、光损伤、复杂性以及临床应用整合等方面面临诸多严峻挑战。

  • 基于多模光纤的微创内镜：近年来开发的此类内镜用于高分辨率脑深部成像，但存在视野狭窄和成像速度相对较慢的缺陷。

 

2、OCT内镜的优势与vis-OCT的进展

作为一种新兴技术，OCT内镜能够实时提供深度分辨、高速、高分辨率的诊断图像，为脑深部成像带来了新的希望。

 

 

可见光OCT（vis-OCT）内镜更是在分辨率上实现了突破，在组织中的分辨率可达1μm，优于传统的1300nm和800nm波长的OCT内镜。此外，vis-OCT还具备毛细血管血管造影和评估血管氧合的能力，为生物医学应用中的详细结构和生理评估提供了更有力的手段。

 

 

但目前vis-OCT内镜的设计存在诸多困境，传统制造方法在制造超薄高性能vis-OCT内镜时面临严重色差、灵活性低、成本高、表面粗糙等问题。因此，迫切需要创新方法来制造消色差、紧凑型vis-OCT探针。

 

 

为应对这一需求，研究团队提出了一种液体成型技术。制造出直径约0.4mm的超薄vis-OCT显微内镜，其轴向分辨率为1.4μm，横向分辨率为4.5μm，成功解决了上述问题，实现了对小鼠深部脑结构的高分辨率成像，深度可达7.2mm。

 

 

研究方法

 

 

1、vis-OCT显微内镜设计

  • 结构组成：由单模光纤、非芯光纤和倾斜半椭球形微透镜组成，微透镜入射角52.5°，透镜形状和尺寸由接触角及椭圆半轴长度定义。

  • 成像参数计算与优化：用光线追迹法计算成像参数，通过调整微透镜设计参数并设置阈值确定最佳探针设计，如选择特定参数可实现消色差和无像散内镜，其纵向焦移约6.4μm，像散1.02，聚焦光斑大小约4.4μm，工作距离约185μm。

 

Vis-OCT显微内窥镜

 

Vis-OCT显微内窥镜设计

 

2、液体成型技术制造微透镜和显微内镜

  • 微透镜制造：用液体成型技术，确定所需光学液体体积约6.2nl，利用椭圆基底边界制造半椭球形微透镜，经基底处理等步骤，在紫外光下10min内聚合，透镜表面粗糙度约0.84nm，涂抗反射涂层减少背反射。

  • 内镜封装：用标准光纤经处理构建光纤探针，耦合后封装在金属外壳和玻璃毛细管中，制成直径约0.4mm、长约215mm的液体成型显微内镜。

 

3、Vis-OCT系统与色散管理

  • 系统构建：用超连续谱激光等构建vis-OCT系统，用特定光纤传输激光，参考臂用棱镜对匹配色散，用偏振控制器减轻偏振失配，采用自研相位数字色散补偿方法优化轴向分辨率，系统检测灵敏度约93.7dB。

  • 微透镜特性表征：用共焦光学轮廓仪测量微透镜三维形状，拟合二维轮廓确定相关参数，结果与设计参数吻合。

 

 

研究结果

 

 

1、液体成型微透镜和vis-OCT显微内镜特性表征

微透镜形状与参数测量：测量微透镜形状、椭圆度、接触角等参数，与设计参数相符，表面粗糙度约0.84nm。

 

内镜性能测量

测量光束直径确认无像散性能（像散比1.02），工作距离180μm处聚焦光斑平均大小约4.5μm。

 

移动镜子测量不同深度轴向分辨率，800μm成像深度时轴向分辨率波动小于3.6%，250μm成像深度处轴向分辨率达 1.42μm，测量背反射光谱确认消色差性能，成像胶带和人拇指展示高分辨率成像能力。

 

液状微透镜和VS-OCT显微内窥镜的表征

 

2、小鼠脑体内神经成像

实验过程：对裸鼠（n=4，4周龄）成像，经伦理批准，实验包括麻醉等步骤，用耳棒固定头部，内镜通过光纤旋转接头旋转和计算机控制平移台实现拉回成像，成像速度10帧/秒，探针拉回速度100μm/秒。

 

成像结果：获取7.2mm深小鼠脑三维OCT图像，可分辨等皮层等结构，与组织学结果相关良好，不同平面正面投影图像可观察到髓鞘轴突纤维等结构及其变化趋势。

 

小鼠大脑的体内VIS-OCT内窥镜成像，深度为7.2mm

 

3、Vis-OCT与800nmOCT神经成像对比

对比实验：用800nm OCT内镜和vis-OCT显微内镜对小鼠脑同一区域成像。

 

结果比较：两种内镜都能分辨脑区结构，但vis-OCT图像能更清晰分辨细微结构，如髓鞘轴突纤维和神经纤维束，证明vis-OCT显微内镜分辨率更高。

 

使用VIS-OCT和800nm OCT的小鼠大脑成像的比较

 

 

总结与讨论

 

 

液体成型技术在制造vis-OCT显微内镜上优势明显，其实现了消色差、无像散、超紧凑及高分辨率的特性，有效解决传统制造方法的诸多问题，通过并行构建、优化胶合等措施提高了成功率，微透镜制造精度高且内镜长期稳定。

 

在体内成像方面，对小鼠脑成像深度可达7.2mm，能清晰呈现脑结构与微观细节，这对临床脑深部映射意义非凡，有助于精确深部脑刺激靶点可视化，提升治疗效果，相比MRI和超声成像具有显著优势，不过成像速度受光谱仪限制，未来需提高以适应临床需求，如达到血管内OCT成像的更高速度。

 

针对体内成像，面临着内镜易碎需小心操作、动物处理易出血影响成像等挑战，相应的应对措施包括准备多个内镜、开颅避血管、裸光纤预先穿孔、缓慢插入内镜以及优化成像系统和探针设计以减少血液影响。

 

与1.7μm波长的OCT振镜扫描方法相比，本方法保持超高分辨率（约1.4μm）的同时，克服了深度限制（达7.2mm），且内镜外径更小（0.4mm），降低了手术并发症风险。

 

但当前系统存在光纤旋转接头插入损耗高导致成像亮度波动和轴向分辨率下降的问题，需要开发新宽带耦合方法或无电远端扫描机制替代，持续优化极化控制器减少影响，并且计划优化成像显微内镜并结合光谱对比OCT血管造影技术以更好地可视化血管，未来与立体定向系统集成，实现术中实时导航和血管规避，进一步提高手术安全性。

 

声明：本文仅用作学术目的。文章来源于:Chao Xu, Tinghua Zhang, Syeda Aimen Abbasi, Peng Liu, Bryan P. Yan, Sze Hang Calvin Ng, Wu Yuan; Ultrathin visible-light OCT endomicroscopy for in vivo ultrahigh-resolution neuroimaging in deep brain. APL Photonics 1 November 2024; 9 (11): 110804. https://doi.org/10.1063/5.0221282