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Volume 5 | Article ID 0041|
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0041![]()
近日，美国约翰霍普金斯大学生物医学工程系李兴德教授在Science合作刊BMEF上发表题为“Multifunctional Ablative Gastrointestinal Imaging Capsule (MAGIC) for Esophagus Surveillance and Interventions ”的文章。近年来，基于光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，OCT）的栓系胶囊内窥镜检查（Tethered Capsule Endoscopy，TCE）技术为食管疾病的监测带来了全新的变革。该技术能够在患者清醒且无需镇静的情况下，对巴雷特食管和食管癌进行非侵入式的检查，从而极大地提升了患者的舒适度和接受度。然而，由于其分辨率、成像对比度欠佳以及成像过程中缺乏视觉引导，目前的TCE技术在监测早期病变和临床应用方面仍然缺乏临床上可行的综合食管监测治疗技术。在本研究中，李兴德教授团队提出了一种新型多功能消融胃肠成像胶囊（Multifunctional Ablative Gastrointestinal Imaging Capsule，MAGIC）技术平台，该技术集成了双波长OCT成像、超小型内窥镜摄像头和消融激光，为食道的内镜筛查、诊断和潜在的消融治疗提供了全面有效的解决方案。为了实现800nm的超高分辨率/对比度成像和1300nm的深层组织成像，本研究设计并优化了MAGIC的光学布局（图1）。MAGIC包括两个单模光纤，一个用于800nm的OCT成像，一个用于1300nm的深度OCT成像和1470nm的消融激光。实现超高分辨率的技术挑战之一是实现宽光谱带宽上的色差最小化。为了最大限度地减少色差，在光纤和倍频器之间引入了BK7棒垫片，以扩展光束，并通过调整BK7的长度进一步减少了色焦偏移。超高分辨率成像的另一个挑战是散光。为了最大限度地减少散光，本研究设计了一种用于光束扫描的定制曲面镜。通过优化反射镜曲率，成像光束可以沿方位角方向预聚焦，从而有效补偿了胶囊外壳的发散效应。![]()
图1 (A) MAGIC的光学布局示意图。(B) 在焦距~7mm处，有（红线）和没有（黑线）BK7的色焦偏移的光线追踪结果。(C) 光线追踪模拟结果表明，圆柱形胶囊外壳沿轴向方向产生明显的散光。(D) 测量胶囊沿轴向的输出光束形状，其中使用具有适当设计的曲率半径的曲面镜成功地补偿了散光，沿轴向实现了近乎完美的圆形光束形状。
MAGIC成像系统如图2所示，系统组件示意图如图3所示。它由几个独立的便携式系统组成：一个工作在800 nm的超高分辨率光谱域OCT系统，一个工作于1300 nm的深层组织成像扫描源OCT系统，一个超小型内窥镜摄像机系统，并且集成了一个1470nm的消融激光器。所有系统都通过便携式控制台进行集成和控制。控制台包括用于微电机和相机的微控制器、LED光源及其控制器，以及用于在每个成像系统和胶囊之间收发光的光纤连接器。![]()
图2 MAGIC系统示意图。由双波长OCT成像系统以及消融激光和内窥镜摄像机组成。所有光纤耦合光源，包括800nm和1300nm的OCT成像光束、消融激光器和照明LED，都被输送到胶囊中，并通过便携式控制台进行控制。控制台还包括内窥镜摄像机记录系统、微电机控制器和LED驱动器。
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图3 (A) MAGIC的示意图。两条用于双波长OCT成像和消融激光的单模光纤以及带LED照明光纤的内窥镜相机，都集成在一个直径为11毫米、长度为26毫米的设备内。(B)-(C) 带有柔性系绳的组装MAGIC的照片。
为了验证MAGIC的功能和成像性能，研究团队进行了新鲜解剖的猪食管（在处死猪后30分钟内）的体外成像实验（图4）。首先将每个食管样本固定在蜡块上，然后沿着其自然路径将胶囊引入食管远端。将胶囊随机放置到四个位置，在每个位置用150mW的消融激光消融20秒。然后通过用电动线性载物台拉回胶囊，同时圆周扫描微电机来获取食管的3D体积OCT图像。1300nm OCT图像显示正常猪食管壁的全层结构，从复层鳞状上皮（EP）延伸到固有层（LP）、粘膜肌层（MM）、粘膜下层（SM）和固有肌层（MP），还可以识别食道外壁，证明其具有良好的深层组织成像能力。800nm OCT图像在浅层直至SM层中显示出更精细的组织结构。800nm OCT图像的高分辨率和对比度可以对1300nm OCT中不可见的精细组织微观结构进行可视化，这些性能特征可能有助于区分与早期食管肿瘤相关的组织微结构特征的细微变化（图4）。![]()
图4 离体猪食管成像结果证明了MAGIC的双波长OCT成像能力和激光消融功能。在用消融激光标记4个随机点后，沿56mm长的食管采集3D体积OCT图像。
为了进一步证明MAGIC的性能，研究团队对猪食管进行了体内成像（图5）。在内置摄像头的视觉引导下，通过800nm和1300nmOCT成像的实时反馈，将胶囊引入镇静猪的食道。在胶囊插入过程中，随机选择位置来模拟“可疑”区域，并消融3秒以创建可见的基准标记。在临床场景中，当检测到OCT图像或视频片段中真正异常的区域时，MAGIC会消融这些特定区域，为进一步检查或治疗创建参考标记。由于蠕动，胶囊与食管壁的接触不稳定，可能会影响激光标记的一致性。本研究通过使用高功率脉冲拉曼激光器来解决这一问题。该激光器能够作出有效标记并以最大限度减少瞬时组织接触的影响。MAGIC可以通过随后的OCT扫描立即验证目标区域的组织凝固情况。
1300nm OCT图像能够对猪食管的整个组织层进行成像，800nm OCT图像可以解析鳞状上皮下方的微腺体结构，分辨率和对比度大大提高。这表明800nm的超高分辨率成像可以在评估上皮下巴雷特腺体和实现治疗方面发挥关键作用，在临床诊断和治疗评估方面具有较大的前景（图5）。
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本研究成功设计了能够进行双波长OCT成像、消融激光和内窥镜相机成像的MAGIC，并在离体和体内猪食管成像研究中成功证实了其功能。MAGIC通过同时在800nm和1300nm下操作的双波长OCT成像，可以提供从粘膜浅层到组织深层的高分辨率图像，促进病变区域的精确识别。消融激光能够精确标记可疑区域，促进后续的靶向活检，提高诊断准确性。内窥镜摄像头可沿胃肠道提供全面的组织表面监测，实现初步筛查，并为胶囊的导航和定位提供实时视觉指导。MAGIC有望促进TCE技术的临床转化，目前研究人员正在继续开发此项技术，并积极开展试点临床验证研究，从而优化和释放该技术的临床潜力。
本研究的通讯作者是约翰霍普金斯大学生物医学工程系李兴德教授。李教授是美国光学学会（OSA）、国际光学工程学会（SPIE）、美国医学与生物工程院（AIMBE）会士。具体研究方向包括：光学相干层析成像（OCT），多光子显微内镜，无标记质谱成像（MSI），无创癌症检测、感染和炎症检测、伤口愈合成像和手术指导，体内细胞代谢成像和自由活动状态下动物的大脑成像等。H-index为65，总被用次数22800余次，在Advanced materials, Nature communications, Science advances, Light-Science & Applications等SCI期刊上发表学术论文200余篇。
撰写：张宏
审核：孙敏轩、刘萍萍
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0041
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BMEF (《生物医学工程前沿》)是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET CAS)与美国科学促进会(AAAS)/Science合作出版的开放获取国际学术期刊。期刊旨在为生物医学工程这一交叉学科提供一个高效的交流平台，以推动领域内的科学家、工程师和临床医学专家及时地交流，共同促进人类健康。期刊关注在致病机理研究和疾病预防、诊断、治疗及评估方面取得的突破性进展，包括概念、设备、材料、组织、过程和方法等。目前，BMEF 已陆续被DOAJ、CNKI、INSPEC、PubMed Central、Scopus、ESCI、Ei Compendex等知名学术数据库收录，并将于2024年获得首个影响因子。https://spj.science.org/journal/bmef/https://www.editorialmanager.com/bmef/
