香港中文大学任洪亮 / 袁武教授团队论文 “Motor-free telerobotic endomicroscopy for steerable and programmable imaging in complex curved and localized areas”发表于国际知名期刊《Nature Communications》!
论文作者:Sishen Yuan(袁思申,第一作者), Chao Xu(徐超,第一作者), Beilei Cui(崔贝雷,第一作者), Tinghua Zhang(张廷华), Baijia Liang(梁柏嘉),Wu Yuan* (袁武),Hongliang Ren*(任洪亮)
导言
本项研究展示了一种无电机的远程操控光学相干断层扫描内窥镜(MMAT-OCT),可以实现高分辨率的内腔成像,克服了传统系统在复杂曲折管腔中导航的困难。该系统通过结合一个带有可旋转磁化圆柱永磁体和反射镜的小型磁转子,利用外部磁场有效地将温升控制在0.5°C以下,电压控制在0.02 mV以下,从而大大减少了过热和漏电风险。此外,研究还采用了一种基于机器学习的算法,修正了因旋转速度不均匀导致的图像失真问题。该设备展现出极佳的操控性能,弯曲的角度可达110°,并且在小鼠结肠的体内测试中实现了无失真的3D编程成像。这一技术进步为实现独立导丝内窥镜迈出了重要一步,提升了设备的安全性和患者的治疗效果。
研究问题
本项研究解决了几个关键研究问题,包括如何设计一种电机的远程操控光学相干断层扫描内窥镜(MMAT-OCT),能够在弯曲和具有挑战性的解剖区域进行可操控和可编程的高分辨率成像。文中作者还探讨了一种基于磁力的驱动系统是否能够克服传统马达驱动OCT系统的局限性,这些系统在复杂管腔中的导航往往困难重重,并存在如过热和电泄漏等风险。
研究方法
在这项工作中,研究人员使用一个可旋转的磁化圆柱形永久磁体,该磁体通过外部磁场的作用旋转并操控内窥镜的方向。该方法避免了内部马达的使用,从而减少了发热和漏电隐患。此外,为了应对非均匀旋转速度带来的图像失真问题,研究中引入了一种基于学习的算法进行实时校正。该系统在小鼠结肠中的活体测试和离体血管模型中进行了测试,展示了其在复杂解剖曲线和弯道中的导航能力。
主要成果
首先,该远程操控系统在活体测试中展示了优越的操控性能,转向角度达到了110度,能够进入并成像传统系统难以到达的区域。该设备也比传统系统更安全,发热量极小,并且避免了电泄漏,因此适用于热电敏感的环境。此外,MMAT-OCT内窥镜在活体和离体环境中均提供了高分辨率、无失真的图像。最后,探头采用了低成本的制造方法,成本仅为14美元,相较于市面上动辄数千美元的设备极具优势。
潜在影响
美国食品药品监督管理局(FDA)已批准1300 nm波长的OCT内窥镜用于胃肠道和冠状动脉成像,进一步确立了其作为微创、低风险成像技术的领先地位。MMAT-OCT采用800 nm波长,能够将分辨率提高将近4倍。此外,MMAT-OCT通过单磁体执行器实现远程控制,使其能够更加精准地检查小型、复杂的管腔内活体组织和热敏感结构(如血管)的病变。相比传统OCT内窥镜,MMAT-OCT在抗导管变形和应对热电效应方面取得了显著突破,提供了一种安全、强大的体内成像解决方案。通过优化采样频率并采用基于学习的图像校正算法,系统有效减轻了图像的拉伸和收缩畸变,显著提升了成像质量。集成的内置磁铁增强了内窥镜的转向能力,确保其在极端弯曲条件下仍能实现高精度的3D成像。此外,MMAT-OCT具有与标准光学设备的兼容性,并且制造成本低廉,符合血管内一次性介入导管的使用标准,具备经济上的可行性。经过在多种条件下的验证,MMAT-OCT展现出极高的多功能性和可靠性,能够促进早期疾病检测,并支持靶向治疗,有望在粘膜成像领域带来革命性变化,并扩大其在受控成像、诊断和治疗中的应用。
论文选图
MMAT-OCT 系统概览(图片版权属于原作者和Springer Nature)
基于机器学习的图像修复和3D成像(图片版权属于原作者和Springer Nature)
用于腔道导航的MMAT-OCT设计和评估(图片版权属于原作者和Springer Nature)
通过角度控制实现 MMAT-OCT 的可编程成像(图片版权属于原作者和Springer Nature)
OCT 图像反馈控制以优化成像质量(图片版权属于原作者和Springer Nature)
引用:Yuan, S., Xu, C., Cui, B. et al. Motor-free telerobotic endomicroscopy for steerable and programmable imaging in complex curved and localized areas. Nat Commun 15, 7680 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51633-x
【香港中文大学袁武教授课题组】
香港中文大学智能生物医学成像实验室(http://www.bme.cuhk.edu.hk/yuan)拥有一支跨学科的研究团队。ABI实验室的研究重点是开发:
1. 高分辨率内窥镜成像和传感技术,
2. 机器人内窥镜检查和胶囊机器人,
3. 眼科OCT和视网膜成像,
4. 人工智能辅助医学图像分析,
5. 纳米孔。
ABI实验室目前正在光学成像和传感、机器人内窥镜检查和医学图像分析等领域寻找多名研究助理、博士生和博士后研究员。学者们将有机会与一个具有光学、机器人、成像/传感、人工智能和医学背景的临床医生和研究人员组成的跨学科团队合作。有兴趣的候选人应直接联系Scott Yuan教授(wyuan@cuhk.edu.hk),并附上包含教育背景、工作经验、出版记录和2-3名推荐人的简历。
Commun. Eng. : 用于大规模生产超高分辨率光学相干性断层扫描微内窥镜的液体成型微透镜
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