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新型内窥镜使用可弯曲GRIN透镜进行3D显微镜检查

研究人员创造了一种灵活的针状内窥镜成像探头,可以获取组织的3D显微图像。得益于研究人员开发的新型柔性渐变折射率(GRIN)透镜,可弯曲性成为可能。

最初为电信行业开发的GRIN透镜通常用于执行可以深入组织成像的荧光显微镜方法。然而,它们是刚性部件的事实限制了它们在临床上的使用。

哈佛医学院的研究负责人刘桂根说:“当进行传统的活检时,它只代表一个时刻,可能需要几天时间才能从实验室得到结果。”“我们的可弯曲成像探头可以将等待时间缩短到几分钟,并启用使用成像动态监测组织变化的新方法,例如,随着时间的推移肿瘤对治疗的反应。”

在OpticsExpress中,研究人员描述了他们的新GRIN透镜,他们将其整合到内窥镜探头中。实验表明,即使弯曲,探头的成像特性也能保持不变。

“这些GRIN探针的可弯曲特性使得对动物或人类患者等活体对象的测量更加精简和实用,”刘说。“例如,它可用于组织活检和肿瘤消融的针头和导管的精确、微创显微镜引导放置。”

通过弯曲镜头成像

GRIN透镜是具有连续变化的折射率的石英玻璃棒,可将通过棒的光聚焦,而无需单独的聚焦透镜。从大约50年前发展至今,人们普遍认为GRIN透镜只能用作刚性成像探头。在这项新工作中,研究人员决定挑战这一概念,确定是否可以通过弯曲的GRIN透镜进行成像。

研究人员定制设计了一个直径500微米、长约100毫米的GRIN透镜。镜头长而薄的形状和它没有刚性外壳,使它能够灵活地弯曲大约10度而不会断裂。然后,他们将新的GRIN透镜整合到内窥镜成像探头中,并通过它进行双光子3D荧光成像对其进行测试。

为了模拟在组织深处会经历的真实世界弯曲,将透镜垂直放置并推动以引入如果将探头用于活检针的工作通道中将会经历的光束偏转类型。

实验表明,当探头一端横向位移6mm时,分辨率和信号电平没有明显下降。“当镜头弯曲时,通过杆传递图像的信号通道通过横向移动协同适应,就像汽车倾向于向湿滑的弯曲道路外侧移动一样,”刘说。“虽然信号通道在移动时会稍微失真,但它们在很大程度上保持了它们的属性,例如顺序和形状。这使得大部分分辨率和信号电平得以保留。”

新的基于GRIN的内窥镜与可植入微型设备一起使用,旨在快速评估各种癌症疗法的有效性。图片来源:GuigenLiu,哈佛医学院和布莱根妇女医院

一种筛选抗癌药物的新方法

尽管将内窥镜带入临床还需要进一步的开发和测试,但该设备已经在生物医学研究中得到应用。团队负责人兼合著者OliverJonas及其同事正在将内窥镜与一种新型微型设备配对,以测试一种快速评估各种癌症疗法有效性的方法。

该团队的新型微型设备旨在直接植入肿瘤并携带多达20种药物。为了在不去除任何肿瘤组织的情况下测量各种药物的有效性,研究人员将基于GRIN的内窥镜直接插入微型设备,用于在肿瘤内部对荧光信号进行成像。尽管这种设置目前正在小鼠身上进行研究,但它最终可以用于患者,以快速确定哪种治疗方案最适合对抗每个患者的特定肿瘤。

为了将探头推向临床应用,研究人员还致力于开发更长的可弯曲GRIN透镜,以实现更深入的成像和更大的灵活性。他们还希望使用不会影响柔韧性的薄聚合物涂层来提高光学元件的机械耐用性。

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