研究人員開發(fā)出一種極其輕薄、靈活的成像設(shè)備，有望用于從體內(nèi)無創(chuàng)獲取圖像。這項新技術(shù)有朝一日可能實現(xiàn)疾病的早期精準檢測，為及時有效的治療方案提供關(guān)鍵信息指導。

卡內(nèi)基梅隆大學研究團隊負責人Maysam Chamanzar表示："與現(xiàn)有由相機和光學鏡頭構(gòu)成或采用笨重光纖束的龐大體腔內(nèi)窺鏡不同，我們的微型成像儀結(jié)構(gòu)非常緊湊。該設(shè)備厚度比普通睫毛還纖薄，是深入人體深層區(qū)域進行檢測的理想選擇，且不會對組織造成顯著損傷。"

研究團隊在《生物醫(yī)學光學快報》期刊中展示了這款微型成像儀的應用潛力。該設(shè)備厚度僅7微米（僅為睫毛直徑的十分之一），長度約10毫米，可在小鼠大腦中實現(xiàn)腦活動的結(jié)構(gòu)和功能成像。這種薄膜成像儀的寬度可根據(jù)所需的視場范圍和分辨率進行定制化調(diào)整。

Chamanzar進一步指出："通過持續(xù)研發(fā)，該微型成像儀可實現(xiàn)短期或長期植入式成像，也可搭載于導管對胃腸道、血管等體內(nèi)部位進行成像監(jiān)測。此外，還可與外科器械配合使用，為外科醫(yī)生提供實時視覺反饋，從而提升手術(shù)效果并降低術(shù)后并發(fā)癥風險。"

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顯微成像儀實驗裝置

利用生物相容性聚合物

這款微型內(nèi)窺鏡基于柔性光子平臺開發(fā)，該平臺使用具有生物相容性的透明聚合物聚對二甲苯（Parylene）制造波導等光子元件。研究團隊最初開發(fā)聚對二甲苯光子技術(shù)，旨在創(chuàng)建可植入微型設(shè)備以實現(xiàn)組織內(nèi)的靶向光傳輸。

在最新研究中，研究人員利用聚對二甲苯波導的雙向傳輸特性——既能發(fā)射又能探測光線，構(gòu)建了專門用于組織結(jié)構(gòu)和功能成像的波導陣列。他們設(shè)計的微型成像裝置中，每個波導兩端均配置微型反射鏡。

當部分波導發(fā)射光線照射組織時，背向散射光被微型反射鏡收集，并通過其他獨立波導傳輸至后端。在后端，這些光信號被投射至圖像傳感器陣列上。通過這種設(shè)計，每個波導都能有效傳遞組織圖像的一個像素點。

該內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的設(shè)計者與驗證者、博士生M. Hassan Malekoshoaraie表示："我們采用與微電子和微機電系統(tǒng)（MEMS）相似的微尺度制造技術(shù)制造這款微型內(nèi)窺鏡，這種技術(shù)使得波導和微型反射鏡能夠根據(jù)所需分辨率輕松定制，適用于不同組織的成像需求。"

腦內(nèi)成像研究

為驗證這款微型內(nèi)窺鏡的性能，研究團隊首先展示了其對嵌入散射介質(zhì)中的熒光微球進行成像的能力，從而實現(xiàn)了微球的三維定位。隨后，他們利用該設(shè)備對表達綠色熒光蛋白的小鼠腦組織進行熒光成像。最終，他們通過基因編碼鈣離子指示劑標記的小鼠腦組織，實現(xiàn)了功能性神經(jīng)成像，證明該設(shè)備可捕捉神經(jīng)活動信號。

研究團隊神經(jīng)科學家Vishal Jain表示：“我們將內(nèi)窺鏡獲得的功能性光學圖像與真實電生理記錄數(shù)據(jù)進行對比驗證。成像數(shù)據(jù)與電生理信號間的高度一致性令人振奮。”

研究人員稱，這項研究是朝著“動態(tài)神經(jīng)組織成像”這一終極目標邁出的重要一步。Chamanzar指出：“我們最終希望將神經(jīng)活動與特定細胞類型的轉(zhuǎn)錄特征相關(guān)聯(lián)，這些細胞參與群體神經(jīng)活動。”

下一步，研究團隊計劃將光源、圖像傳感器陣列和濾光片集成至設(shè)備后端，開發(fā)出完全集成的獨立微型成像系統(tǒng)，用于活體應用。未來，該設(shè)備或可通過手術(shù)植入組織內(nèi)部，用于腫瘤切除后殘余癌細胞的成像監(jiān)測，或治療后疾病進展的追蹤評估。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/BOE.558778