新型内窥镜使用可弯曲GRIN透镜用于3D显微镜

图：研究人员发明了一种新的长而灵活的GRIN透镜（如图）。他们用它制作了一个可弯曲的内窥镜成像探头，可以获取3D显微图像。来源： Guigen Liu, Harvard Medical School and Brigham and Women's Hospital

      研究人员发明了一种柔性针状内窥镜成像探头，可以获取组织的3D显微图像。由于研究人员开发了一种新的柔性梯度折射率（GRIN）透镜，弯曲性成为可能。

      GRIN透镜最初是为电信行业研究的，通常用于荧光显微镜，可以在组织深处成像。然而，由于它们是刚性部件从而限制了它们在临床上的使用。

      研究负责人Guigen Liu说：“当进行传统的活检时，它代表了一个单一的时间点，可能需要几天时间才能从实验室获得结果。”。“我们的可弯曲成像探头可以将等待时间缩短到几分钟，并支持使用成像动态监测组织的变化，例如肿瘤对治疗的反应如何。”

      在《Optics Express》上，研究人员描述了他们的新型梯度折射率透镜，并将其纳入了内窥镜探头中。实验表明，即使在弯曲的情况下，探头的成像性能仍然保持不变。

通过弯曲透镜成像

      GRIN透镜是具有连续变化折射率的石英玻璃棒，它可以聚焦穿过棒的光，而不需要单独的聚焦透镜。自大约50年前发展以来，人们普遍认为GRIN透镜只能用作刚性成像探头。在这项新的研究中，研究人员决定挑战这一概念，找出是否可以通过弯曲的梯度透镜成像。

      研究人员定制了一个直径500微米、长约100毫米的梯度折射率透镜。透镜的长而薄的形状以及缺乏刚性外壳，使其能够灵活弯曲约10度而不断裂。然后，他们将新型GRIN透镜整合到内窥镜成像探头中，并通过双光子3D荧光成像对其进行测试。

      为了模拟组织内部深处可能发生的真实弯曲，将透镜垂直放置并进行推动，以引入在活检针的工作通道中使用探头时可能发生的光束偏转类型。

      实验表明，当探头的一端横向位移6mm时，分辨率和信号水平没有明显恶化。“当透镜弯曲时，通过杆传输图像的信号通道通过横向位移协同适应，就像汽车倾向于向光滑弯曲道路外侧移动一样，”Liu说。“虽然信号道在移动时有点变形，但它们基本上保持了它们的特性，如顺序和形状。”

图：基于GRIN的新型内窥镜正与一种可植入的微型设备配合使用，该设备旨在快速评估各种癌症治疗的有效性。

筛选抗癌药物的新方法

      尽管将内窥镜引入临床还需要进一步的开发和测试，但该设备已经在生物医学研究中得到应用。团队负责人、合著者Oliver Jonas及其同事正在将内窥镜与一种新型的微型设备配对，以测试一种快速评估各种癌症治疗效果的方法。

      该团队的新型微型器件被设计成可以直接植入肿瘤，并携带少量多达20种药物。为了在不去除任何肿瘤组织的情况下测量各种药物的疗效，研究人员将一个基于GRIN的内窥镜直接插入微型设备中，用于成像肿瘤内部的荧光信号。尽管目前正在小鼠身上研究这种装置，但它最终可以用于患者身上，以快速确定哪种治疗方案最适合对抗每个患者的特定肿瘤。

      为了将探针推向临床应用，研究人员还致力于开发更长的可弯曲梯度折射率透镜，以实现更深入的成像和更大的灵活性。他们还希望使用不会影响柔韧性的薄聚合物涂层来增强光学元件的机械耐久性。

[1]  Guigen Liu et al, Bendable long graded index lens microendoscopy, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.468827