深部腦神經(jīng)成像需高分辨率技術(shù)來呈現(xiàn)復(fù)雜腦結(jié)構(gòu)、評估深部疾病組織病理并提供實時干預(yù)指導(dǎo)，但當(dāng)前方法受分辨率與深度權(quán)衡問題困擾。

香港中文大學(xué)袁武教授團(tuán)隊推出了一種光學(xué)相干斷層掃描（OCT）內(nèi)窺顯微鏡設(shè)備，可對深部腦微觀結(jié)構(gòu)與組織病理進(jìn)行高分辨率活體成像。其的液體塑形技術(shù)能在成像探頭光纖*直接制微透鏡，優(yōu)化如縱向焦移、光斑尺寸、工作距離等成像參數(shù)，且寬帶可見光源提升了軸向分辨率與成像對比度。

借助該設(shè)備，研究團(tuán)隊*識別了小鼠深部腦的等皮質(zhì)、胼胝體、尾狀核殼核等關(guān)鍵區(qū)域，還檢查了等皮質(zhì)的髓鞘與細(xì)胞構(gòu)筑。結(jié)果顯示，vis-OCT內(nèi)窺顯微鏡相比800nm同類設(shè)備，能更好地呈現(xiàn)有髓鞘軸突纖維與神經(jīng)纖維束。為微創(chuàng)、高分辨率的活體深部腦神經(jīng)成像提供了新工具。

研究背景

腦深部神經(jīng)成像對于腦圖譜繪制、疾病評估和干預(yù)指導(dǎo)至關(guān)重要，需要高分辨率成像技術(shù)來清晰呈現(xiàn)復(fù)雜的腦結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確評估深部疾病組織病理學(xué)并提供實時干預(yù)引導(dǎo)。然而，在成像分辨率和深度之間達(dá)成平衡一直是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

1、現(xiàn)有成像技術(shù)的局限性

• MRI：作為一種廣泛應(yīng)用于臨床的非侵入性技術(shù)，尤其是在神經(jīng)外科手術(shù)如腫瘤切除術(shù)中輔助作用顯著。但其毫米級的空間分辨率，對于微小和早期腫瘤的分辨能力明顯不足。

• 超聲成像：盡管能夠深入大腦達(dá)到數(shù)厘米的深度，但其分辨率僅為數(shù)百微米，對于精細(xì)腦結(jié)構(gòu)的可視化效果不盡人意。

• 光學(xué)成像（雙光子/多光子顯微鏡）：在腦深部成像方面取得了顯著進(jìn)展，具備亞微米級分辨率且成像深度可過1mm。但由于腦組織折射率分布不均勻，嚴(yán)重的光學(xué)像差和光散射問題阻礙了成像深度的進(jìn)一步拓展。此外，雙光子/多光子內(nèi)鏡在深層組織功能成像中表現(xiàn)*，可實現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞分辨率，但在信號強(qiáng)度、視野范圍、光損傷、復(fù)雜性以及臨床應(yīng)用整合等方面面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

• 基于多模光纖的微創(chuàng)內(nèi)鏡：近年來開發(fā)的此類內(nèi)鏡用于高分辨率腦深部成像，但存在視野狹窄和成像速度相對較慢的缺陷。

2、OCT內(nèi)鏡的優(yōu)勢與vis-OCT的進(jìn)展

作為一種新興技術(shù)，OCT內(nèi)鏡能夠?qū)崟r提供深度分辨、高速、高分辨率的診斷圖像，為腦深部成像帶來了新的希望。

可見光OCT（vis-OCT）內(nèi)鏡更是在分辨率上實現(xiàn)了突破，在組織中的分辨率可達(dá)1μm，優(yōu)于傳統(tǒng)的1300nm和800nm波長的OCT內(nèi)鏡。此外，vis-OCT還具備毛細(xì)血管血管造影和評估血管氧合的能力，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和生理評估提供了更有力的手段。

但目前vis-OCT內(nèi)鏡的設(shè)計存在諸多困境，傳統(tǒng)制造方法在制造薄高性能vis-OCT內(nèi)鏡時面臨嚴(yán)重色差、靈活性低、成本高、表面粗糙等問題。因此，迫切需要創(chuàng)新方法來制造消色差、緊湊型vis-OCT探針。

為應(yīng)對這一需求，研究團(tuán)隊提出了一種液體成型技術(shù)。制造出直徑約0.4mm的薄vis-OCT顯微內(nèi)鏡，其軸向分辨率為1.4μm，橫向分辨率為4.5μm，*解決了上述問題，實現(xiàn)了對小鼠深部腦結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，深度可達(dá)7.2mm。

研究方法

1、vis-OCT顯微內(nèi)鏡設(shè)計

• 結(jié)構(gòu)組成：由單模光纖、非芯光纖和傾斜半橢球形微透鏡組成，微透鏡入射角52.5°，透鏡形狀和尺寸由接觸角及橢圓半軸長度定義。

• 成像參數(shù)計算與優(yōu)化：用光線追跡法計算成像參數(shù)，通過調(diào)整微透鏡設(shè)計參數(shù)并設(shè)置閾值確定*探針設(shè)計，如選擇特定參數(shù)可實現(xiàn)消色差和無像散內(nèi)鏡，其縱向焦移約6.4μm，像散1.02，聚焦光斑大小約4.4μm，工作距離約185μm。

Vis-OCT顯微內(nèi)窺鏡

Vis-OCT顯微內(nèi)窺鏡設(shè)計

2、液體成型技術(shù)制造微透鏡和顯微內(nèi)鏡

• 微透鏡制造：用液體成型技術(shù)，確定所需光學(xué)液體體積約6.2nl，利用橢圓基底邊界制造半橢球形微透鏡，經(jīng)基底處理等步驟，在紫外光下10min內(nèi)聚合，透鏡表面粗糙度約0.84nm，涂抗反射涂層減少背反射。

• 內(nèi)鏡封裝：用標(biāo)準(zhǔn)光纖經(jīng)處理構(gòu)建光纖探針，耦合后封裝在金屬外殼和玻璃毛細(xì)管中，制成直徑約0.4mm、長約215mm的液體成型顯微內(nèi)鏡。

3、Vis-OCT系統(tǒng)與色散管理

• 系統(tǒng)構(gòu)建：用連續(xù)譜激光等構(gòu)建vis-OCT系統(tǒng)，用特定光纖傳輸激光，參考臂用棱鏡對匹配色散，用偏振控制器減輕偏振失配，采用相位數(shù)字色散補(bǔ)償方法優(yōu)化軸向分辨率，系統(tǒng)檢測靈敏度約93.7dB。

• 微透鏡特性表征：用共焦光學(xué)輪廓儀測量微透鏡三維形狀，擬合二維輪廓確定相關(guān)參數(shù)，結(jié)果與設(shè)計參數(shù)吻合。

研究結(jié)果

1、液體成型微透鏡和vis-OCT顯微內(nèi)鏡特性表征

微透鏡形狀與參數(shù)測量：測量微透鏡形狀、橢圓度、接觸角等參數(shù)，與設(shè)計參數(shù)相符，表面粗糙度約0.84nm。

內(nèi)鏡性能測量

測量光束直徑確認(rèn)無像散性能（像散比1.02），工作距離180μm處聚焦光斑平均大小約4.5μm。

移動鏡子測量不同深度軸向分辨率，800μm成像深度時軸向分辨率波動小于3.6%，250μm成像深度處軸向分辨率達(dá) 1.42μm，測量背反射光譜確認(rèn)消色差性能，成像膠帶和人拇指展示高分辨率成像能力。

液狀微透鏡和VS-OCT顯微內(nèi)窺鏡的表征

2、小鼠腦體內(nèi)神經(jīng)成像

實驗過程：對裸鼠（n=4，4周齡）成像，經(jīng)倫理批準(zhǔn)，實驗包括麻醉等步驟，用耳棒固定頭部，內(nèi)鏡通過光纖旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)和計算機(jī)控制平移臺實現(xiàn)拉回成像，成像速度10幀/秒，探針拉回速度100μm/秒。

成像結(jié)果：獲取7.2mm深小鼠腦三維OCT圖像，可分辨等皮層等結(jié)構(gòu)，與組織學(xué)結(jié)果相關(guān)良好，不同平面正面投影圖像可觀察到髓鞘軸突纖維等結(jié)構(gòu)及其變化趨勢。

小鼠大腦的體內(nèi)VIS-OCT內(nèi)窺鏡成像，深度為7.2mm

3、Vis-OCT與800nmOCT神經(jīng)成像對比

對比實驗：用800nm OCT內(nèi)鏡和vis-OCT顯微內(nèi)鏡對小鼠腦同一區(qū)域成像。

結(jié)果比較：兩種內(nèi)鏡都能分辨腦區(qū)結(jié)構(gòu)，但vis-OCT圖像能更清晰分辨細(xì)微結(jié)構(gòu)，如髓鞘軸突纖維和神經(jīng)纖維束，證明vis-OCT顯微內(nèi)鏡分辨率更高。

使用VIS-OCT和800nm OCT的小鼠大腦成像的比較

結(jié)與討論

液體成型技術(shù)在制造vis-OCT顯微內(nèi)鏡上優(yōu)勢明顯，其實現(xiàn)了消色差、無像散、緊湊及高分辨率的特性，有效解決傳統(tǒng)制造方法的諸多問題，通過并行構(gòu)建、優(yōu)化膠合等措施提高了*率，微透鏡制造精度高且內(nèi)鏡長期穩(wěn)定。

在體內(nèi)成像方面，對小鼠腦成像深度可達(dá)7.2mm，能清晰呈現(xiàn)腦結(jié)構(gòu)與微觀細(xì)節(jié)，這對臨床腦深部映射意義非凡，有助于深部腦刺激靶點可視化，提升治療效果，相比MRI和超聲成像具有顯著優(yōu)勢，不過成像速度受光譜儀限制，未來需提高以適應(yīng)臨床需求，如達(dá)到血管內(nèi)OCT成像的更高速度。

針對體內(nèi)成像，面臨著內(nèi)鏡易碎需小心操作、動物處理易出血影響成像等挑戰(zhàn)，相應(yīng)的應(yīng)對措施包括準(zhǔn)備多個內(nèi)鏡、開顱避血管、裸光纖預(yù)先穿孔、緩慢插入內(nèi)鏡以及優(yōu)化成像系統(tǒng)和探針設(shè)計以減少血液影響。

與1.7μm波長的OCT振鏡掃描方法相比，本方法保持高分辨率（約1.4μm）的同時，克服了深度限制（達(dá)7.2mm），且內(nèi)鏡外徑更小（0.4mm），降低了手術(shù)并發(fā)癥風(fēng)險。

但當(dāng)前系統(tǒng)存在光纖旋轉(zhuǎn)接頭插入損耗高導(dǎo)致成像亮度波動和軸向分辨率下降的問題，需要開發(fā)新寬帶耦合方法或無電遠(yuǎn)端掃描機(jī)制替代，持續(xù)優(yōu)化極化控制器減少影響，并且計劃優(yōu)化成像顯微內(nèi)鏡并結(jié)合光譜對比OCT血管造影技術(shù)以更好地可視化血管，未來與立體定向系統(tǒng)集成，實現(xiàn)術(shù)中實時導(dǎo)航和血管規(guī)避，進(jìn)一步提高手術(shù)安全性。

聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。文章來源于: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