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暨南大学关柏鸥教授团队《自然·通讯》:光纤光声内窥镜

2022-12-14

消化道内的微循环状态是医学上关注的重要生理特征,微循环状态异常不仅与消化道炎症、肿瘤等疾病相关,还为脓毒症等循环障碍疾病诊断提供了重要的判断依据。现有医用内窥镜仅能观察浅层微血管结构,但不具备血氧饱和度、血流速度等功能信息的获取能力,难以满足临床需求。最近,暨南大学光子技术研究院关柏鸥教授团队联合暨南大学附属第一医院、香港城市大学实现了一种新型内窥镜技术,不仅能以高空间分辨率获得血管结构,还能实时监测疾病状态下血氧饱和度分布的变化过程,为消化道微循环监测提供了一种新的影像学手段。该成果以“Optical-resolution functional gastrointestinal photoacoustic endoscopy based on optical heterodyne detection of ultrasound”为题于2022年12月9日发表在《Nature Communications》上。暨南大学光子技术研究院梁贻智副教授为论文第一作者,暨南大学光子技术研究院关柏鸥教授和金龙教授、暨南大学附属第一医院内镜中心黄卫主任医师为共同通讯作者,香港城市大学生物医学工程系王立代副教授为这项工作做出了贡献。
【文章要点】
高性能光纤超声传感器

该内窥镜是基于光纤技术和光声成像原理实现的(图1)。光声成像是采用光学激发和超声波探测的新型成像方式,利用脉冲激光激发生物组织产生超声信号,通过超声换能器探测超声信号重建出生物组织图像。利用血红蛋白对脉冲激光的内源性吸收,不仅能够提供高对比度的血管图像,还能实现血氧饱和度的量化表征。传统上采用压电换能器探测超声信号,压电换能器存在尺寸与灵敏度之间制约关系,当用于内窥成像时,由于尺寸受限而无法提供足够的探测灵敏度。

针对这一问题,关柏鸥教授团队研制出了一种基于光纤技术的小型化、高灵敏度的超声传感器,将超声信号转换为激光频率变化并进行信号放大,并以外差探测方式实现信号读出。该传感器的灵敏度比同尺寸压电传感器高出两个数量级,并具有极好的抗干扰能力,能够在探头快速旋转时稳定工作。该技术以接近头发丝粗细的光纤传感器探测微弱的超声信号,使得高性能光声内窥镜成为可能。

图1 光声成像探头装置与成像示意图

图2 大鼠直肠内不同位置处的光声内窥成像结果。第一列:血红蛋白浓度;第二列:深度信息;第三列:血氧饱和度。

光声内窥成像
内窥镜成像探头直径仅2毫米。探头内有两根光纤,其中一根用于引导脉冲激光,并将其聚焦后注入生物组织,另一根光纤为高灵敏度超声传感器,用于探测生物组织发出的超声信号。研究团队展示了大鼠直肠内窥成像结果(图2)。成像结果清晰地展示了动静脉分布,发现不同位置肠道的血管形态与血氧饱和度具有不同的分布特征。团队进一步对急性炎症状态下的肠道血管微循环进行了连续成像,以高空间分辨率观察了血液动力学过程(图3)。成像结果表明,在炎症发生后的90分钟内,肠道壁的血管发生充血效应,血管密度和血红蛋白浓度均有所增加。更为重要的是,该技术能够反映出目标区域内血氧饱和度的变化过程。

图3急性炎症下光声内窥成像结果。(a)光声成像结果;(b)统计表明炎症状态下的血氧饱和度发生显著提升;(c)炎症状态下血红蛋白浓度、血氧饱和度和血管密度等指标均有不同程度的变化,其中血氧饱和度变化更具显著性。
该技术为消化道内微循环监测提供了新的影像学手段,具有临床应用价值。未来,这种小尺寸光声成像探头有望通过现有医用内窥成像装置所提供的内部通道进入病人体内对病灶进行细致观察。对于消化道疾病诊断来说,该技术有望帮助对早期癌变与良性肿瘤进行区分,并确定癌变与健康组织的边界。

来源:BioMed科技