深部腦神經成像需高分辨率技術來呈現復雜腦結構、評估深部疾病組織病理并提供實時干預指導，但當前方法受分辨率與深度權衡問題困擾。

香港中文大學袁武教授團隊推出了一種光學相干斷層掃描（OCT）內窺顯微鏡設備，可對深部腦微觀結構與組織病理進行高分辨率活體成像。其獨特的液體塑形技術能在成像探頭光纖尖端直接制微透鏡，優化如縱向焦移、光斑尺寸、工作距離等成像參數，且寬帶可見光源提升了軸向分辨率與成像對比度。

借助該設備，研究團隊成功識別了小鼠深部腦的等皮質、胼胝體、尾狀核殼核等關鍵區域，還檢查了等皮質的髓鞘與細胞構筑。結果顯示，vis-OCT內窺顯微鏡相比800nm同類設備，能更好地呈現有髓鞘軸突纖維與神經纖維束。為微創、超高分辨率的活體深部腦神經成像提供了新工具。

研究背景
腦深部神經成像對于腦圖譜繪制、疾病評估和干預指導至關重要，需要高分辨率成像技術來清晰呈現復雜的腦結構、準確評估深部疾病組織病理學并提供實時干預引導。然而，在成像分辨率和深度之間達成平衡一直是該領域面臨的重大挑戰。

1、現有成像技術的局限性

• MRI：作為一種廣泛應用于臨床的非侵入性技術，尤其是在神經外科手術如腫瘤切除術中輔助作用顯著。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到數厘米的深度，但其分辨率僅為數百微米，對于精細腦結構的可視化效果不盡人意。

• 光學成像（雙光子/多光子顯微鏡）：在腦深部成像方面取得了顯著進展，具備亞微米級分辨率且成像深度可超過1mm。但由于腦組織折射率分布不均勻，嚴重的光學像差和光散射問題阻礙了成像深度的進一步拓展。此外，雙光子/多光子內鏡在深層組織功能成像中表現出色，可實現細胞和亞細胞分辨率，但在信號強度、視野范圍、光損傷、復雜性以及臨床應用整合等方面面臨諸多嚴峻挑戰。

• 基于多模光纖的微創內鏡：近年來開發的此類內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。

為應對這一需求，研究團隊提出了一種液體成型技術。制造出直徑約0.4mm的超薄vis-OCT顯微內鏡，其軸向分辨率為1.4μm，橫向分辨率為4.5μm，成功解決了上述問題，實現了對小鼠深部腦結構的高分辨率成像，深度可達7.2mm。

研究方法
1、vis-OCT顯微內鏡設計

• 結構組成：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。
• 成像參數計算與優化：用光線追跡法計算成像參數，通過調整微透鏡設計參數并設置閾值確定最佳探針設計，如選擇特定參數可實現消色差和無像散內鏡，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，確定所需光學液體體積約6.2nl，利用橢圓基底邊界制造半橢球形微透鏡，經基底處理等步驟，在紫外光下10min內聚合，透鏡表面粗糙度約0.84nm，涂抗反射涂層減少背反射。
• 內鏡封裝：用標準光纖經處理構建光纖探針，耦合后封裝在金屬外殼和玻璃毛細管中，制成直徑約0.4mm、長約215mm的液體成型顯微內鏡。

• 系統構建：用超連續譜激光等構建vis-OCT系統，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，采用自研相位數字色散補償方法優化軸向分辨率，系統檢測靈敏度約93.7dB。
• 微透鏡特性表征：用共焦光學輪廓儀測量微透鏡三維形狀，擬合二維輪廓確定相關參數，結果與設計參數吻合。

研究結果
1、液體成型微透鏡和vis-OCT顯微內鏡特性表征
微透鏡形狀與參數測量：測量微透鏡形狀、橢圓度、接觸角等參數，與設計參數相符，表面粗糙度約0.84nm。

成像結果：獲取7.2mm深小鼠腦三維OCT圖像，可分辨等皮層等結構，與組織學結果相關良好，不同平面正面投影圖像可觀察到髓鞘軸突纖維等結構及其變化趨勢。

結果比較：兩種內鏡都能分辨腦區結構，但vis-OCT圖像能更清晰分辨細微結構，如髓鞘軸突纖維和神經纖維束，證明vis-OCT顯微內鏡分辨率更高。

總結與討論
液體成型技術在制造vis-OCT顯微內鏡上優勢明顯，其實現了消色差、無像散、超緊湊及高分辨率的特性，有效解決傳統制造方法的諸多問題，通過并行構建、優化膠合等措施提高了成功率，微透鏡制造精度高且內鏡長期穩定。

在體內成像方面，對小鼠腦成像深度可達7.2mm，能清晰呈現腦結構與微觀細節，這對臨床腦深部映射意義非凡，有助于精確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勢，不過成像速度受光譜儀限制，未來需提高以適應臨床需求，如達到血管內OCT成像的更高速度。

針對體內成像，面臨著內鏡易碎需小心操作、動物處理易出血影響成像等挑戰，相應的應對措施包括準備多個內鏡、開顱避血管、裸光纖預先穿孔、緩慢插入內鏡以及優化成像系統和探針設計以減少血液影響。

與1.7μm波長的OCT振鏡掃描方法相比，本方法保持超高分辨率（約1.4μm）的同時，克服了深度限制（達7.2mm），且內鏡外徑更小（0.4mm），降低了手術并發癥風險。

但當前系統存在光纖旋轉接頭插入損耗高導致成像亮度波動和軸向分辨率下降的問題，需要開發新寬帶耦合方法或無電遠端掃描機制替代，持續優化極化控制器減少影響，并且計劃優化成像顯微內鏡并結合光譜對比OCT血管造影技術以更好地可視化血管，未來與立體定向系統集成，實現術中實時導航和血管規避，進一步提高手術安全性。

聲明：本文僅用作學術目的。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