用于深部腦內(nèi)超高分辨率神經(jīng)成像的超薄可見(jiàn)光OCT顯微內(nèi)鏡技術(shù)

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

香港中文大學(xué)袁武教授團(tuán)隊(duì)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(duì)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。其獨(dú)特的液體塑形技術(shù)能在成像探頭光纖尖端直接制微透鏡，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(jiàn)光源提升了軸向分辨率與成像對(duì)比度。

借助該設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)成功識(shí)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)、超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(duì)于腦圖譜繪制、疾病評(píng)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(lái)清晰呈現(xiàn)復(fù)雜的腦結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確評(píng)估深部疾病組織病理學(xué)并提供實(shí)時(shí)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(jí)的空間分辨率，對(duì)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(duì)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(jí)分辨率且成像深度可超過(guò)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(wèn)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)出色，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞分辨率，但在信號(hào)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(lái)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(duì)較慢的缺陷。

為應(yīng)對(duì)這一需求，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種液體成型技術(shù)。制造出直徑約0.4mm的超薄vis-OCT顯微內(nèi)鏡，其軸向分辨率為1.4μm，橫向分辨率為4.5μm，成功解決了上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)

• 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(zhǎng)度定義。
• 成像參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化：用光線追跡法計(jì)算成像參數(shù)，通過(guò)調(diào)整微透鏡設(shè)計(jì)參數(shù)并設(shè)置閾值確定最佳探針設(shè)計(jì)，如選擇特定參數(shù)可實(shí)現(xiàn)消色差和無(wú)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。

• 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(zhǎng)約215mm的液體成型顯微內(nèi)鏡。

• 系統(tǒng)構(gòu)建：用超連續(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(duì)匹配色散，用偏振控制器減輕偏振失配，采用自研相位數(shù)字色散補(bǔ)償方法優(yōu)化軸向分辨率，系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度約93.7dB。
• 微透鏡特性表征：用共焦光學(xué)輪廓儀測(cè)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(jì)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(cè)量：測(cè)量微透鏡形狀、橢圓度、接觸角等參數(shù)，與設(shè)計(jì)參數(shù)相符，表面粗糙度約0.84nm。

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(shì)。

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。

總結(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(shì)明顯，其實(shí)現(xiàn)了消色差、無(wú)像散、超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(wèn)題，通過(guò)并行構(gòu)建、優(yōu)化膠合等措施提高了成功率，微透鏡制造精度高且內(nèi)鏡長(zhǎng)期穩(wěn)定。

在體內(nèi)成像方面，對(duì)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(duì)臨床腦深部映射意義非凡，有助于精確深部腦刺激靶點(diǎn)可視化，提升治療效果，相比MRI和超聲成像具有顯著優(yōu)勢(shì)，不過(guò)成像速度受光譜儀限制，未來(lái)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(duì)體內(nèi)成像，面臨著內(nèi)鏡易碎需小心操作、動(dòng)物處理易出血影響成像等挑戰(zhàn)，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施包括準(zhǔn)備多個(gè)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(jì)以減少血液影響。

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

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(dòng)和軸向分辨率下降的問(wèn)題，需要開發(fā)新寬帶耦合方法或無(wú)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(jì)劃優(yōu)化成像顯微內(nèi)鏡并結(jié)合光譜對(duì)比OCT血管造影技術(shù)以更好地可視化血管，未來(lái)與立體定向系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)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(lái)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