共聚焦激光內窺鏡（Confocal laser endomicroscopy）是一種新興的成像技術，作為一種常規醫學內窺鏡附件正在開發臨床應用。這種柔性光纖耦合儀可以用于識別中空器官（如結腸）上皮細胞中的疾病。這些薄層組織具有高度代謝活性，是許多疾病過程的起源，如癌癥、感染和炎癥等。內窺鏡可以實現亞細胞分辨率，實時提供具有“組織學”質量的體內圖像，以指導醫生做出臨床決策。

組織的物理活檢常常伴隨出血和穿孔風險。通常，很難恰到好處的采集活檢樣本，要么太多要么又太少。每切除一個樣本都會增加手術成本。此外，還需要幾天的時間來處理樣本以供病理學專家進行評估。在等待病理結果期間，患者時常會感到焦慮。相比之下，MRI、CT、PET、SPECT和超聲等其他臨床成像方法，又缺乏實時顯示體內亞細胞分辨率上皮組織所需要的空間分辨率和速度。

微機電系統（MEMS）是一項強大的技術，可用于設計和制造內窺鏡遠端的微型掃描機構。遠端（相對于近端）為控制焦點位置提供了更大的靈活性。除了橫向偏轉，遠端機構還可以執行軸向、物鏡后和隨機訪問掃描。這些功能可以對上皮組織進行更全面的檢查，包括垂直截面成像、大視場（FOV）上的無像差掃描，以及在用戶定義的子區域提供高性能。

MEMS解決了儀器遠端封裝掃描機構所提出的空間挑戰。與體積龐大的檢流計式掃描器相比，MEMS以小尺寸、高速率和低功耗提供了優異的性能。此外，其簡單的制造工藝還能夠以低成本實現大批量生產。

此前已有報道許多相關的MEMS設計。但尚未開發出足以通過醫用內窺鏡工作通道進行實時體內成像的MEMS設計，以實現廣泛的臨床轉化。據麥姆斯咨詢報道，美國密歇根大學的一支研究團隊在內窺鏡遠端利用MEMS掃描器，實現在常規臨床內窺鏡檢查中捕捉人體受試者的體內圖像。

內窺鏡設計

研究人員在內窺鏡遠端利用MEMS掃描器開發了一種光纖耦合儀，以捕捉體內具有類似組織學特征的實時熒光圖像。研究人員將單模光纖（SMF）封裝在柔性聚合物管中，并在λex= 488 nm進行激發。這種配置縮短了遠端的末端長度，并能夠向前通過標準醫用內窺鏡的工作通道。

其透鏡設計可在軸上實現接近衍射極限的分辨率，數值孔徑（NA）=0.41、工作距離=0 μm。還制作了精密襯墊以精確對準光學元件。MEMS掃描器被封裝在內窺鏡遠端直徑2.4 mm、長度10 mm的剛性末端中（如下圖a所示）。這樣的尺寸使其可以在內窺鏡檢查中作為附件實現臨床應用。入射到組織上的最大激光功率為2 mW。

共聚焦激光內窺鏡及其MEMS掃描器

該掃描機構包括一個安裝在萬向節上的反射器，萬向節由一組正交梳狀執行器驅動，以李薩茹模式橫向（XY平面）偏轉光束（如上圖c所示）。其中心蝕刻有直徑為50 μm的孔，以使激發光束通過。MEMS掃描器的驅動頻率接近結構共振頻率，并可以通過調整扭轉彈簧的尺寸來調整。在器件周圍蝕刻了電極錨，以提供電源和驅動信號連接（如上圖d所示）。

成像系統

成像系統設計安裝在一輛便攜式推車上，可以推入手術室。研究人員開發了圖形用戶界面，以支持醫生和護士等用戶的使用，并可以手動檢查掃描器的驅動頻率、光束形狀模式和圖像視場。

體內共聚焦圖像樣張

總結來說，研究人員展示了一種柔性光纖耦合共聚焦激光內窺鏡的臨床應用，利用遠端MEMS掃描器采集體內圖像。在共振頻率下，使用高密度李薩如掃描模式實現了高達20 Hz的幀速率，有效減輕運動偽影。其中，折疊光路可以實現光束擴展和1.1 μm的橫向分辨率。

在常規結腸鏡檢查中，可以從正常結腸粘膜、管狀腺瘤、增生性息肉、潰瘍性結腸炎和克羅恩氏結腸炎中采集具有類似組織學質量的熒光圖像。能夠識別單個細胞，包括結腸細胞、杯狀細胞和炎性細胞；區分粘膜特征，例如隱窩結構、隱窩腔和固有層。

其精密元件經過微加工，以在直徑為2.4 mm、長度為10 mm的器械內提供光學元件和機械部件的精確對準。其光學設計充分縮減了剛性遠端末端的長度，以向前通過醫用內窺鏡中具有標準尺寸（3.2 mm直徑）的工作通道。因此，這款醫療器械具有廣闊的臨床應用前景。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41598-022-24210-9

審核編輯：劉清