中国科技期刊卓越行动计划推介：JASB（2025年2期）

Advanced Photonics2025年2期封面文章：

Pavel Ruchka, Alok Kushwaha, Jessica A. Marathe, Lei Xiang, Rouyan Chen, Rodney Kirk, Joanne T. M. Tan, Christina A. Bursill, Johan Verjans, Simon Thiele, Robert Fitridge, Robert A. McLaughlin, Peter J. Psaltis, Harald Giessen, Jiawen Li. 3D-printed micro-axicon enables extended depth-of-focus intravascular optical coherence tomography in vivo[J]. Adv. Photon. 2025, 7, 026003.

背景介绍

动脉粥样硬化斑块是引发冠状动脉疾病和脑血管疾病等严重疾病的主要原因之一。光学相干断层扫描（OCT）能够在体内评估这些斑块，帮助诊断高风险斑块，并指导治疗并预防心脏病发作。尽管现有商用探头已显示出临床价值，但它们尚未充分发挥OCT在细胞水平上的诊断潜力，受光纤OCT探头的尺寸限制以及保护性导管引入的光学像差影响，在中小型动脉内进行高分辨率大景深成像仍面临巨大挑战。为了解决这些问题，研究人员试图采用针状光束技术，因其能够在更大深度范围内保持高分辨率。针状光束已广泛应用于OCT、光片显微镜和多光子显微镜等领域，但现有技术无法在不引入像散的情况下制造用于血管内成像的针状光束光纤设备，限制了其在血管内窥镜领域的临床应用。

阿德莱德大学李佳纹教授团队和斯图加特大学Harald Giessen教授团队通过双光子聚合3D打印技术，开发了一种高分辨率光纤内窥镜探头。该探头利用侧向微轴锥透镜在血管内获取3D图像，并成功校正了保护性导管引入的像散。研究结果表明，该探头在成像分辨率上显著优于传统的梯度折射率（GRIN）光纤设计，并通过糖尿病冠状动脉疾病的猪模型的体内成像验证了其临床使用的潜力，为3D打印微光学技术的医学应用奠定了重要基础。相关成果以3D-printed micro-axicon enables extended depth-of-focus intravascular optical coherence tomography in vivo为题，发表在Advanced Photonics2025第2期，并被选为封面文章。

方法介绍

研究人员设计了一种基于3D打印微轴锥透镜的高分辨率血管内OCT探头，并针对冠状动脉（直径2-3mm）的体内成像进行优化。探头的总体结构示意图和光学设计如图1a和图1b所示。探头被装置在内保护管和冠状动脉导管鞘内：内保护管用于保护3D打印透镜在插入导管鞘时免受损伤，而导管鞘则在血管造影引导下将探头安全放置于冠状动脉内。探头采用商用光线追踪软件Zemax OpticStudio设计，通过全内反射（TIR）实现光束侧向偏转，并利用双锥面补偿由内保护管和导管鞘引入的像散，以在扩展景深（DOF）范围内实现高横向分辨率。探头核心部件——3D打印微轴锥透镜（内径<260 μm）直接集成在光纤端面，轴锥尖端紧贴内保护管内表面，最小化光束到达血管壁的空气路径长度，形成针状光束并通过导管传播，确保高分辨率成像。透镜的显微图像如图1c和图1d所示，展示了其精密的光学结构和光束传播特性。

3D打印针状光束探头的制造过程包括以下步骤：首先对光纤端面进行硅烷化处理，增强聚合物附着力；随后使用Nanoscribe Photonic Professional GT设备利用光刻胶IP-S在光纤端面直接打印带有全内反射（TIR）表面的轴锥透镜。打印后，使用显影剂mr-Dev600显影15分钟，异丙醇冲洗3分钟，并通过深紫外灯固化5分钟以确保结构均匀。打印好的针状探头光束光纤探头被置于扭矩线圈和内保护管中，插入冠状动脉导管鞘中并连接到OCT成像系统中用于实验。

图1 3D打印针状光束内窥镜探头设计图

实验结果

为了评估3D打印针状光束探头的分辨率（x轴和y轴）和景深（DOF），研究人员使用OCT分辨率模型（图2a）对其在x轴和y轴上的空间分辨率随深度的变化进行了表征，并与传统GRIN探头进行了对比（图2b-e）。结果显示，这个3D打印自由曲面针状光束探头即使通过内保护管和商用冠状动脉导管鞘也能实现几乎无像散的光束，能够清晰分辨深度超过500 μm的11至20μm间距条纹，而GRIN探头则无法分辨相同间距的条纹，表明3D打印探头在分辨率和景深方面显著优于传统GRIN设计。

图2 3D打印针内窥镜探头分辨率表征图

图3展示了一名中风患者的离体颈动脉斑块成像结果，并对比了3D打印针状光束探头与传统OCT GRIN光纤探头的成像性能。图3a-b为3D打印探头获取的斑块3D重建图像。结果显示，3D打印探头能够清晰显示斑块微观结构（图3c，图3f），包括高风险斑块的特征性针状胆固醇裂隙，并通过苏木精和伊红（H&E）组织学图像验证（图3e, 图3h）。相比之下，GRIN探头（图3d, 图3g）无法分辨这些微观结构，进一步证明了3D打印针状光束探头在接近细胞水平特征成像方面的显著优势。

图3 3D打印针状光束探头与传统OCT探头在人体颈动脉中的离体成像对比图

研究人员通过对比3D打印针状光束探头与传统GRIN光纤探头在动脉粥样硬化猪模型的体内成像结果显示，3D打印探头清晰显示了冠状动脉偏心性新生内膜增生（图4a），并通过苏木精和伊红（H&E）组织学图像得到验证（图4c）。相比之下，传统GRIN光纤探头（图4b）无法清晰显示新生内膜增生，证明了3D打印针状光束探头在体内高分辨率成像中的显著优势。

图4 3D打印针状光束探头与传统GRIN光纤OCT探头的体内成像能力对比图

心脏科医生在临床环境下多次安全使用3D打印针状光束探头。因为猪和人体的心血管结构非常相近，活体猪实验、尤其是多个时间点采集斑块变化的活体猪实验，是临床试验前非常重要的一步。图5显示了3个月（图5c）和9个月（图5d）时对活体猪左回旋支冠状动脉的成像结果。结果显示，与3个月时间点相比，9个月时斑块已形成并充满了巨噬细胞，证明了3D打印针状光束探头在动态监测动脉粥样硬化斑块的变化的能力。

图5 3D打印针状光束内窥镜探头对活体猪进行多次冠状动脉内成像

总结与展望

研究人员通过双光子聚合3D打印技术，成功开发了一种基于自由曲面微轴锥透镜的高分辨率血管内OCT探头，突破了传统光纤探头在中小型动脉内实现高分辨率、大景深成像的技术瓶颈。该探头利用双锥面设计，有效校正了导管引入的像散。并在离体人动脉斑块内成像和糖尿病猪模型体内成像中均表现出显著优势，能够清晰显示接近细胞水平的微观结构，为动脉粥样硬化斑块的早期诊断和治疗提供了强有力的工具。未来，该技术有望进一步优化，在心血管疾病的精准诊疗中发挥重要作用，为3D打印微光学技术的临床应用奠定坚实基础。