3D微打印内窥镜改善心脏护理

2020年7月29日，据白令三维了解，由阿德莱德大学和斯图加特大学领导的一个国际科学家小组，利用3D微打印技术开发了一种光学相干断层扫描（OCT）内窥镜。

研究团队利用新型探针制造技术，将侧向自由形态的微型光学器件（直径小于130微米）直接3D打印到单模光纤上。

测量尺寸仅为0.48毫米，所产生的微观成像装置小到足以进入血管，并克服了现有技术所遇到的分辨率问题。增强型内窥镜的摄像头提供的改进型3D图像可以让医生更好地了解心脏病的原因，有可能让他们在心脏病发作之前就能预防心脏病发作。

斯图加特大学光学设计和模拟组组长SimonThiele博士说："直到现在，我们还不能制造如此小的高质量内窥镜，使用3D微型打印，我们能够打印出复杂的镜头，这些镜头太小，肉眼无法看到。整个内窥镜，加上保护性塑料外壳，直径不到半毫米。"

"很高兴能在一个项目上工作，在那里我们把这些创新和建立这些创新变成如此有用的东西。当我们把工程师和临床医生结合在一起的时候，我们能做的事情真是太了不起了。"

3D打印、内窥镜与血管健康

对于医务人员来说，光纤内窥镜已迅速成为在医疗干预期间提供实时指导的重要临床工具。尤其是OCT内窥镜，已经在大量的手术病例中得到了应用，仅在澳大利亚境内就为大约41万例手术提供了帮助。

然而，尽管应用广泛，内窥镜技术仍未完善。微型化的高分辨率探针需求量仍然很大，这不仅是为了对精细、狭窄的腔内器官进行成像，也是为了最大限度地减少兽医手术中探针插入的不适感。通常情况下，小鼠等动物也被用作人类疾病的模型，为了充分利用这类实验，需要一种更通用的解决方案。

之前的研究还发现，传统的探针无法捕捉到任何深度超过100μm的结构的图像，限制了它们在心脏护理内的潜在救命应用。"心脏病的一个主要因素是斑块，由脂肪、胆固醇和其他物质组成，在血管壁上堆积。"合著者、阿德莱德大学讲师JiawenLi解释说。

"临床前和临床诊断越来越依赖于可视化的血管结构，以更好地了解疾病。微型化的内窥镜，就像微型摄像机一样，让医生能够看到这些斑块是如何形成的，并探索治疗斑块的新方法。"

研究人员认为，目前的探头制造技术也存在不足，因为内窥镜往往存在球面畸变、分辨率低或聚焦深度浅的问题。更重要的是，虽然在现有的探头中，分辨率和焦深往往是取舍的，但在小型化设备内，它们的物理孔径非常小，不存在合适的折中方案。此外，在OCT成像中，血管内探头被部署在透明的导管护套内，以保护患者在相机旋转过程中免受创伤。

在光学上，电缆罩会导致相机散光，导致相机失去焦点，而目前的制造方法没有办法缓解这一问题。虽然以前的方法集中在拼接现有的光纤镜头上，但这些方法也无法获得与传统OCT成像相同的分辨率。为了克服这些局限性，研究团队着手使用双光子聚合技术，将直径125μm的微光学器件直接3D打印到单纤维化合物上。

创建和测试3D打印内窥镜

为了制造他们的3D打印内窥镜，研究人员将一根450微米长的无芯光纤拼接成20厘米长的单模光纤，在光束到达微光学相机之前就将其扩大。然后，利用Nanoscribe双光子光刻系统，将光束整形微光学直接3D打印到材料的远端。

研究人员的制作方法被发现可以补偿强制性透明导管鞘造成的散光。此外，纤维组件被固定在薄壁扭矩线圈内，这使得该装置可以精确地操纵到成像探头的另一端。

为了评估他们的超薄OCT探针扫描组织样本的性能，研究团队尝试在新鲜取出的人类颈动脉内捕捉图像。虽然被堵塞的血管表现出严重的狭窄，但该团队的超薄探头仍然能够毫不费力地穿过它，然后被拉回。此外，内窥镜相机还能够检测到由死细胞组成的坏死核心，这是识别可能导致心脏病发作的高危斑块的关键特征。

进一步的OCT成像测试是在小鼠的胸主动脉上原位进行的。探头能够捕捉到没有明显旋转变形的成像，在非常小的动脉内成功地进行了3D成像，最微小的小于0.5mm。图片还显示了厚厚的密密麻麻的脂肪细胞，这些脂肪细胞的直径为15-25μm，这表明3D打印探针可以通过原位成像识别微结构特征。

因此，研究人员认为他们的实验足以证明他们的打印OCT设备是对目前使用的内窥镜的改进。根据该团队的说法，他们的3D打印方法的成功可以使其在一系列临床应用中得到采用。

研究团队在论文中表示："除了在小动物中使用成像探针的价值外，这种超薄的畸变校正探针还可以安全地进入精致但难以触及的器官，实现高分辨率的横截面成像能力，并可能导致增强患者的安全性和改善健康结果。"