研究人员开发用于改善心脏护理的3D打印内窥镜成像设备

时间：2020-07-29 09:39 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网7月29日讯，由阿德莱德大学和斯图加特大学领导的国际科学家小组已使用微型3D打印技术开发了光学相干断层扫描（OCT）内窥镜。该研究小组的新型探针制造技术使用侧面自由形式的微光学器件（直径小于130μm）直接在单模光纤上进行3D打印。最终的显微成像设备尺寸仅为0.48mm，足够小，可以进入血管，并克服了现有技术遇到的分辨率问题。增强型内窥镜相机提供的改进的3D图像可以使医生更好地了解心脏病的原因，从而有可能在心脏病发作之前预防心脏病。
斯图加特大学光学设计与仿真小组负责人西蒙·锡勒博士说：“直到现在，我们还无法将如此小的高质量内窥镜制造得如此之小。使用微型3D打印，我们可以打印太小到肉眼无法看到的复杂镜头。整个带有保护性塑料外壳的内窥镜的直径不到半毫米。很高兴在我们进行这些创新并将其构建为如此有用的项目中开展工作。当我们把工程师和临床医生放在一起的时候，我们可以做的事情真是太神奇了。”

研究人员的微观3D打印设备（如图）直径仅为0.48mm。图片来自《光：科学与应用》杂志。

3D打印，内窥镜和血管健康
          对于医务人员而言，光纤内窥镜已迅速成为一种重要的临床工具，可在医疗干预期间提供实时指导。尤其是，OCT内窥镜检查已用于大量外科手术病例中，迄今为止，仅在澳大利亚境内，估计就有410,000例手术提供了协助。尽管如此，尽管其广泛应用，但内窥镜技术尚未完善。小型化的高分辨率探头仍处于高需求状态，不仅可以对细小，狭窄的管腔器官进行成像，而且还可以最大程度地减少医生操作中探头插入的不适感。通常，诸如小鼠之类的动物也被用作人类疾病的模型，并且为了充分利用这种实验，需要更小的解决方案。
         先前的研究还发现，常规探头无法捕获任何深于100μm的结构的图像，从而限制了它们在心脏护理中可能挽救生命的应用。引起心脏病的主要因素是斑块，斑块由脂肪，胆固醇和其他堆积在血管壁上的物质组成。”阿德莱德大学的合著者兼讲师李嘉文解释说。临床前和临床诊断越来越依赖于可视化血管结构以更好地了解疾病。微型内窥镜就像微型相机一样，使医生能够看到这些斑块是如何形成的，并探索治疗它们的新方法。”
         据研究人员称，由于内窥镜经常遭受球差，低分辨率或浅景深的困扰，因此目前的探头制造技术也不足够。而且，尽管分辨率和焦点深度通常在现有的探头中进行权衡，但是在小型设备中，它们的物理孔径非常小，并且不存在适当的折衷方案。此外，在OCT成像中，血管内探针被部署在透明的导管护套内，以保护患者在照相机旋转期间免受创伤。
         从光学上讲，电缆盖会导致相机散光，导致相机失去聚焦，并且当前的制造方法无法缓解这种情况。尽管先前的方法集中于拼接现有的光纤透镜，但这些方法也无法获得与传统OCT成像相同的分辨率。为了克服这些限制，研究小组着手使用双光子聚合技术，将直径125μm的微光学器件直接3D打印在单纤维化合物上。

使用研究小组的内窥镜设备捕获的图像显示出死细胞的坏死核心（如图）。图片来自《光：科学与应用》杂志。

创建和测试3D打印内窥镜

      为了制造他们的附加内窥镜，研究人员将长度为450μm的无芯光纤拼接为长度为20μcm的单模光纤，从而在光束到达微光学相机之前对其进行了扩展。然后，使用Nanoscribe两光子光刻系统将光束成形微光学器件直接3D打印到材料的远端。研究人员的生产方法被发现可以补偿由于强制性透明导管护套引起的散光。此外，将光纤组件固定在薄壁扭矩线圈内，从而可以将设备精确地操纵到成像探头的另一端。
        为了评估他们的超薄OCT探头扫描组织样本的性能，研究团队试图在刚摘下的人颈动脉内捕获图像。尽管阻塞的血管显示出严重的狭窄，但该团队的超薄探针仍然能够毫不费力地穿过血管，然后被拉回。此外，内窥镜摄像头能够检测出死细胞的坏死核心，这是识别可能导致心脏病发作的高危斑块的关键功能。
           在老鼠的胸主动脉上进行了进一步的OCT成像测试。该探头能够捕获图像而没有任何明显的旋转畸变，并且在很小的动脉内成功进行了3D成像，最小的动脉小于0.5mm。图片还显示出厚厚的密集堆积的脂肪细胞，直径为15–25μm，这表明3D打印的探针可以通过原位成像识别微结构特征。结果，研究人员认为他们的实验足以证明他们的印刷OCT设备是对当前使用的内窥镜的改进。该团队认为，他们3D打印方法的成功可能会导致其在一系列临床应用中的采用。“除了在小型动物中使用成像探头的价值外，这种超薄像差校正探头还可以安全进入脆弱但难以触及的器官，实现高分辨率横截面成像功能，并有可能导致以提高患者的安全性并改善健康状况。”
利用附加创新抗击心脏病
       尽管德国/澳大利亚研究小组的方法很新颖，但许多其他研究小组也使用3D打印来抗击心脏病，尽管通常采用聚合物心脏模型的形式。例如，肯塔基大学（英国）医学院正在3D打印定制的心脏模型，以帮助医生及其患者。这些复制品仅售5美元，是一种精确的术前工具，可精确配合心脏植入物。
        另一方面，斯坦福大学医学院的研究人员正在开发3D打印心脏导管手术设备。外科医生可以使用该产品来绘制心脏的电活动图，从而最终检测出患者心跳中的节律紊乱。
        大奥蒙德街医院（GOSH）正在使用3D打印的儿童心脏副本，以使外科医生能够更好地计划复杂而关键的心脏手术。 3D打印模型可以为患者带来更快，更有效的手术和更快的康复速度。

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