香港中文大学袁武教授团队论文 “Ultrathin visible-light OCT endomicroscopy for in vivo ultrahigh-resolution neuroimaging in deep brain”发表于国际知名期刊《APL Photonics》。
论文作者：Chao Xu, Tinghua Zhang, Syeda Aimen Abbasi, Peng Liu, Bryan P. Yan, Sze Hang Calvin Ng, Wu Yuan
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导言
深脑神经成像需要高分辨率的成像技术来观察复杂的脑部结构，评估深层病理，并提供实时干预指导。然而，现有成像方法在分辨率和成像深度之间存在权衡。为了解决这一挑战，香港中文大学袁武教授团队开发了一种基于液体成型技术的可见光神经OCT内窥镜，用于在光纤末端直接定制微透镜，从而优化了成像性能，如色焦移、聚焦光斑大小和工作距离。此外，采用宽带可见光源提高了轴向分辨率和OCT成像对比度。这种内窥镜外径约为0.4毫米，在空气中的分辨率达到1.4微米（轴向）和4.5微米（横向），可实现小鼠深脑部的微创成像，成像深度可达7.2毫米。
研究问题
深脑神经成像技术在脑部结构映射、疾病评估以及深层病变的干预引导中具有重要意义。尽管磁共振成像（MRI）被广泛应用于临床，特别是在肿瘤切除等神经外科手术中，其毫米级的空间分辨率不足以识别细微或早期的病灶。而超声成像虽然具有较大的成像深度，但其数十至数百微米级的分辨率仍然不足以清晰展示脑内精细结构。
光学成像技术，如双光子显微成像，虽然在深脑成像方面取得了突破，实现了亚微米级的分辨率和超过1毫米的成像深度，但其成像深度受到脑组织异质性折射率引起的光学像差和散射的限制。此外，多模光纤内窥镜尽管在深层组织中表现出色，但存在视野狭窄和成像速度较慢的不足。而光学相干断层扫描（OCT）内窥镜技术提供了具有高分辨率、深度分辨且实时的在体诊断成像，为深脑成像提供了理想的解决方案。
与1300 nm和800 nm波长的OCT相比，vis-OCT在组织内可以实现高达1微米的分辨率，具备更好的成像效果，特别是在血管成像和氧合状态评估方面。然而，vis-OCT的成像深度相对有所折损。为此，作者开发了一种直径小于1毫米的、基于可见光的神经OCT内窥镜，以实现对脑等实质性器官的微创深层组织成像。
针对现有OCT内窥镜在镜头设计上的不足，如强烈的色差和较为复杂的光学结构，作者采用了液体成型技术直接在光纤末端制作显微透镜，从而有效地解决了这些问题。液体成型技术显著降低了透镜表面粗糙度，减少了光学散射和插入损耗。借助这一技术，作者实现了对内窥镜成像参数的精确定制，如色焦移、聚焦光斑大小和工作距离，为实现小型化、高性能的vis-OCT内窥镜提供了新途径。
研究方法
vis-OCT内窥镜设计
作者设计了一种超薄的vis-OCT内窥镜，外径约为0.4毫米。该内窥镜包含单模光纤、无芯光纤（NCF）和倾斜的半椭圆形显微透镜，用于校正由保护外壳引起的像散 (见图1)。
图1：Vis-OCT 神经内窥镜的示意图和照片（图片版权属于原作者和AIP）
通过射线追踪法计算了内窥镜的成像参数，并通过调整显微透镜的设计参数，如NCF长度和椭圆的半主轴长度，优化了成像性能，包括色焦移、聚焦光斑大小和工作距离（见图2）。
图2：Vis-OCT 神经内窥镜的参数设计（图片版权属于原作者和AIP）
作者采用液体成型技术来直接在光纤尖端上制作自定义显微透镜 （见图3）。这种技术使得显微透镜具有亚纳米级的表面粗糙度，从而减少了光学散射损耗。显微透镜的制造涉及基底处理、液体生成和透镜聚合等步骤，最终使显微镜头实现了高精度的成像性能。
图3：液体成型技术用于制造OCT内窥镜（图片版权属于原作者和AIP）
vis-OCT系统构建与色散管理
研究人员们在实验室中构建了一个基于可见光的OCT系统，使用超连续谱激光器作为宽带光源，并通过干涉仪和快速光谱仪采集OCT信号 （见图4）。
图4：可见光内窥OCT系统的示意图（图片版权属于原作者和AIP）
为确保成像系统的高分辨率，作者在样本臂和参考臂之间匹配了材料以减少高阶色散失配。此外，作者们还使用了基于相位的数字色散补偿方法进一步优化轴向分辨率（见图5）。
图5：基于相位的数字色散补偿方法（图片版权属于原作者和AIP）
主要成果
作者将研究结果分为三个方面进行详细描述：液体成型显微透镜与vis-OCT内窥镜的特性、体内小鼠脑成像实验结果，以及与800 nm OCT的成像对比。
液体成型微透镜与vis-OCT内窥镜的特性
研究人员首先对液体成型微透镜的特性进行了表征。显微透镜的三维形状通过共焦光学轮廓仪进行了准确测量，结果表明，透镜在x-z和y-z平面中的半轴长度和接触角与设计值相符，验证了液体成型技术的高精度和可重复性。透镜表面粗糙度仅为0.84纳米，显著减少了光学散射，从而提高了成像质量（见图6a-b）。
对vis-OCT内窥镜进行了详细的性能表征，包括在焦平面位置的光斑大小、轴向分辨率和光谱特特性（见图6c-e）。测量结果表明，该内窥镜具有良好的消像散性能，轴向分辨率为1.42微米，在整个成像深度内的分辨率波动极小、在可见光范围内光谱变化极小，验证了其消色差的能力。
研究人员使用vis-OCT内窥镜对手指进行成像，不能能清晰地观察到表皮层与真皮层，甚至还能看清汗腺管内的某些浅白色物质（见图6f）。
图6：液体成型微透镜和可见光内窥镜的特性表征（图片版权属于原作者和AIP）
活体小鼠脑成像实验结果
研究人员还利用vis-OCT神经内窥镜对小鼠进行了深脑成像实验。通过在麻醉的小鼠脑部进行微创手术并插入内窥镜，成功获取了深达7.2毫米的小鼠脑部三维图像（见图7a-b）。
图7：OCT脑部成像的操作（图片版权属于原作者和AIP）
重建的三维图像清晰地显示了大脑皮层（isocortex）、胼胝体（corpus callosum）和尾状核（caudate putamen）等脑部结构，并与组织学染色图像吻合（见图8a-b）。通过在冠状面、矢状面和横断面方向的平均强度投影（见图7c），作者成功观察到髓鞘轴突纤维的走向（见图8c-e中的红色虚线），并且在局部放大图像中清晰展示了神经元细胞体（图8d1和e1）和神经纤维束（图8d3）等细微结构。此外，在大脑皮层部分，成功识别出了一条主要血管（见图8d-e，BV），在尾状核区域观察到明显的纹状苍白纤维（见图8d1，SF）。这些结果证明了vis-OCT内窥镜在体内深脑神经成像中的高分辨率和高对比度，能够有效捕捉脑组织内的细微结构特征。
图8：对活体小鼠大脑的vis-OCT内窥成像（图片版权属于原作者和AIP）
与800 nm OCT的成像对比
进一步，研究人员将vis-OCT神经内窥镜与传统的800 nm波长OCT内窥镜在小鼠脑同一部位进行了成像对比。800 nm OCT内窥镜的轴向分辨率为2.4微米，横向分辨率为8.4微米。在冠状面的投影图像中，两种内窥镜都能识别大脑皮层、胼胝体和尾状核等结构（见图9a-b），但vis-OCT内窥镜可以更加清晰地分辨髓鞘轴突纤维和神经纤维束等微结构。在局部放大图中，vis-OCT内窥镜展示的髓鞘纤维和神经纤维束边界更加分明（见图9d-e），显示出其在分辨率上的显著优势。此外，在二维横截面图像中，使用vis-OCT内窥镜获得的纤维束边界也更加清晰（见图9f-g），进一步证明了其在深脑微观结构成像中的优越性。
图9：使用vis-OCT和800-nm OCT内窥镜对活体小鼠大脑的成像（图片版权属于原作者和AIP）
vis-OCT神经内窥镜的优势与应用
研究人员指出，现有的深脑神经成像技术面临着侵入性、成像分辨率和成像深度之间的权衡，而他们提出的可见光OCT内窥镜则克服了这一挑战。该内窥镜直径仅为约0.4毫米，具有1.4 µm的轴向分辨率和4.5 µm的横向分辨率，这一超高分辨率为深脑成像提供了更详细的结构信息，特别是在细微脑部结构的分辨上具有优势。通过液体成型技术，该内窥镜不仅具备消色差和校正像散的能力，同时保持了超小的尺寸。
与传统的光纤熔接和渐变折射率镜头法相比，液体成型技术显著提高了制造效率和透镜定制的灵活性。此外，该内窥镜成功地在小鼠体内实现了深达7.2毫米的成像，清晰展示了大脑皮层、胼胝体和尾状核等结构，验证了其在深脑神经成像中的有效性。这种成像能力对于临床上深脑刺激（DBS）等手术中目标区的定位、植入物的定位以及术后评估具有重要意义，并为理解DBS在神经调控中的作用机制提供了潜在支持。此外，vis-OCT内窥镜在脑血管的光谱成像具有显著优势，未来可集成光谱对比OCT造影技术，进一步提高血管成像质量。
