研究人員開(kāi)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(wú)創(chuàng)獲取圖像。這項(xiàng)新技術(shù)有朝一日可能實(shí)現(xiàn)疾病的早期精準(zhǔn)檢測(cè)，為及時(shí)有效的治療方案提供關(guān)鍵信息指導(dǎo)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Maysam Chamanzar表示："與現(xiàn)有由相機(jī)和光學(xué)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(jìn)行檢測(cè)的理想選擇，且不會(huì)對(duì)組織造成顯著損傷。"

研究團(tuán)隊(duì)在《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》期刊中展示了這款微型成像儀的應(yīng)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(zhǎng)度約10毫米，可在小鼠大腦中實(shí)現(xiàn)腦活動(dòng)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(chǎng)范圍和分辨率進(jìn)行定制化調(diào)整。

Chamanzar進(jìn)一步指出："通過(guò)持續(xù)研發(fā)，該微型成像儀可實(shí)現(xiàn)短期或長(zhǎng)期植入式成像，也可搭載于導(dǎo)管對(duì)胃腸道、血管等體內(nèi)部位進(jìn)行成像監(jiān)測(cè)。此外，還可與外科器械配合使用，為外科醫(yī)生提供實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋，從而提升手術(shù)效果并降低術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。"

圖片:getimagev2 (9).jpg

顯微成像儀實(shí)驗(yàn)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(tái)開(kāi)發(fā)，該平臺(tái)使用具有生物相容性的透明聚合物聚對(duì)二甲苯（Parylene）制造波導(dǎo)等光子元件。研究團(tuán)隊(duì)最初開(kāi)發(fā)聚對(duì)二甲苯光子技術(shù)，旨在創(chuàng)建可植入微型設(shè)備以實(shí)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(duì)二甲苯波導(dǎo)的雙向傳輸特性——既能發(fā)射又能探測(cè)光線，構(gòu)建了專(zhuān)門(mén)用于組織結(jié)構(gòu)和功能成像的波導(dǎo)陣列。他們?cè)O(shè)計(jì)的微型成像裝置中，每個(gè)波導(dǎo)兩端均配置微型反射鏡。

當(dāng)部分波導(dǎo)發(fā)射光線照射組織時(shí)，背向散射光被微型反射鏡收集，并通過(guò)其他獨(dú)立波導(dǎo)傳輸至后端。在后端，這些光信號(hào)被投射至圖像傳感器陣列上。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，每個(gè)波導(dǎo)都能有效傳遞組織圖像的一個(gè)像素點(diǎn)。

該內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者與驗(yàn)證者、博士生M. Hassan Malekoshoaraie表示："我們采用與微電子和微機(jī)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(dǎo)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(yàn)證這款微型內(nèi)窺鏡的性能，研究團(tuán)隊(duì)首先展示了其對(duì)嵌入散射介質(zhì)中的熒光微球進(jìn)行成像的能力，從而實(shí)現(xiàn)了微球的三維定位。隨后，他們利用該設(shè)備對(duì)表達(dá)綠色熒光蛋白的小鼠腦組織進(jìn)行熒光成像。最終，他們通過(guò)基因編碼鈣離子指示劑標(biāo)記的小鼠腦組織，實(shí)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(dòng)信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)神經(jīng)科學(xué)家Vishal Jain表示：“我們將內(nèi)窺鏡獲得的功能性光學(xué)圖像與真實(shí)電生理記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。成像數(shù)據(jù)與電生理信號(hào)間的高度一致性令人振奮。”

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

下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將光源、圖像傳感器陣列和濾光片集成至設(shè)備后端，開(kāi)發(fā)出完全集成的獨(dú)立微型成像系統(tǒng)，用于活體應(yīng)用。未來(lái)，該設(shè)備或可通過(guò)手術(shù)植入組織內(nèi)部，用于腫瘤切除后殘余癌細(xì)胞的成像監(jiān)測(cè)，或治療后疾病進(jìn)展的追蹤評(píng)估。

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