近日，美国哈佛大学的Federico Capasso教授、哈佛医学院Melissa J. Suter医学助理教授和新加坡国立大学 Cheng-Wei Qiu教授，基于光学相干断层扫描（Optical coherence tomography）技术，联手开发了一种“超透镜”（Metalens）纳米光学内窥镜，能够显著提高的分辨率和成像深度，可以实现肝脏、肺部等病变部位的原位、实时医学检测。该研究以“Nano-optic endoscope for high-resolution optical coherence tomography in vivo”为题，发表2018年7月30日的《Nature Photonics》期刊上。
内脏器官的疾病诊断，通常需要从受感染区域采集活检样本。但是，当前内窥镜成像技术无法准确地可视化疾病部位，因此采集这样的样本非常容易出错。采用常规方法进入身体内部区域（例如胃肠道和肺气道）进行光学成像容易发生图像畸变，从而导致误诊情况发生。
近年来，医学研究人员采用光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography，简称OCT）与导管（catheter）内窥镜组合，实现了器官系统的高分辨率腔内成像。OCT技术是近十年来兴起的一项新的成像技术，同其他成像技术相比，它的分辨率更高、穿过样品的深度更大，是医学界的新宠。
OCT扫描仪（图片源于网络）
简单来说，利用OCT技术，人们可以实时实地的观察到微米级的组织结构的横截面图像。此外，OCT技术对人体几乎无伤害，可以准确到达普通光学元件无法到达的身体区域（例如胃肠道和肺气道）。同时，OCT还可用于标准切除活检，以减少与切除活检相关的抽样误差，并指导介入手术，提高手术的成功率并减缓手术压力。
OCT技术可以提供关于组织表面、亚表面结构的大量信息；然而，对于一些特定应用来说，目前光纤导管内窥镜的分辨率和对比度是不够的。人们通常是使用波长较短、带宽较宽的光源，来提高轴向分辨率和横向分辨率。然而，当波长较短时，散射就会大大增加，从而严重地限制了光的穿透，进而影响到组织的成像深度。同样地，尽管使用聚焦照明光源可以获得高横向分辨率的成像，但是也极大地降低了聚焦深度，使得高横向分辨率的成像只能作用在非常浅的深度范围内。例如，在肺结节中，虽然内窥镜能够容易地检测到由于存在大的（> 0.2 mm）恶性细胞巢而导致的鳞状细胞癌，但准确检测和诊断特征性非典型腺体特征的腺癌可能具有挑战性。
本项研究工作中，研究人员研制了一种以光学相干断层扫描为探测手段的纳米光学内窥镜，可以得到深入微观组织结构的生物图像，解决了传统方法在成像深度方面的不足，正在成为一种可用于检测、诊断和监测管腔器官的非常有前途的医疗工具。
在这个研究工作中，研究人员将一种能够在亚波长级别上通过改变入射光相位来调整波前的“超透镜”（Metalens），整合到内窥镜OCT导管(称为纳米光学内窥镜)的设计中，实现了接近衍射极限的高分辨成像。值得注意的是，他们利用超透镜“量身定制”的色散特性，将高分辨率成像保持在入射光场的瑞利范围之外，缓解了横向分辨率与聚焦深度之间的折中。
马萨诸塞州总医院和哈佛医学院的医学讲师，该论文的共同第一作者Hamid Pahlevaninezhad说：“纳米光学内窥镜的多功能性和设计灵活性极大地提高了内窥镜成像能力，并可能影响内部器官的诊断成像质量。我们提出的这种能够大大提高内窥镜成像能力的案例，可以在极大扩展的焦深范围内实现高分辨率成像。”
为了证明纳米光学内窥镜的成像质量，研究人员对水果肉、猪和羊气道以及人体肺组织进行了成像研究。他们发现，纳米光学内窥镜可以深入到组织中，其分辨率明显高于目前的成像导管系统。纳米光学内窥镜捕获的图像清楚地显示了果肉和组织层中的细胞结构，以及猪和绵羊的支气管粘膜中的细腺体。在人类肺组织中，研究人员能够清楚地识别出精细、不规则的腺体结构，从而判断组织中存在腺癌，这是一种最突出的肺癌类型。
哈佛大学工程与应用科学学院的博士后研究员，该论文的共同第一作者Yao-Wei Huang说：“目前，我们无法控制高分辨率成像的常规镜头材料的设计。”“超透镜的主要优点是我们可以设计和调整它的规格，以克服球差和像散，并达到非常高精度的光聚焦。因此，我们在不需要复杂光学元件的前提下，通过扩展景深实现非常高的分辨率。”
接下来，研究人员还会继续探索纳米光学内窥镜的其他应用，包括偏振敏感的纳米光学内窥镜，它可以显示更为复杂的组织结构，如平滑肌、胶原蛋白和血管。
a，b，标准渐变折射率（GRIN）透镜（a）和球透镜（b）OCT导管的示意图。
c，使用超透镜实现近衍射极限聚焦的纳米光学内窥镜的示意图。
a， 纳米光学内窥镜的示意图。
b， 纳米光学内窥镜远端的图片。
c，由玻璃基板上的非晶硅（a-Si）纳米柱组成的超透镜单个组元。
d，超透镜的扫描电子显微图像。
a， 在λ= 1250,1310和1370nm处，纳米光学内窥镜的输出光束沿yz平面传播方向测量的强度分布
b， 纳米光学内窥镜在相应波长处的焦点轮廓。
c，渐变折射率（GRIN）OCT导管、球透镜OCT导管和波长为1310nm的纳米光学内窥镜的焦点轮廓。
a，在切向和矢状平面（sagittal plane）中具有最小半高宽（FWHM）的分辨率目标的测量轮廓。
b，在切向和矢状平面中的不同深度点处测量的调制传递函数（MTF）。
c，相对于切向和矢状平面深度，最小半高宽（FWHM）和10％调制对比度的空间频率。
a，b，使用球透镜导管（a）和纳米光学内窥镜（b）获得的果肉（葡萄）的OCT图像。
c，d，使用球透镜导管（c）和纳米光学内窥镜（d）的猪气道的离体图像。
a-d，使用纳米光学内窥镜对绵羊上呼吸道（d）的离体人肺切除术（a-c）和体内的内窥镜成像。在放大的OCT图像（中间）中清晰可见肺组织的结构特征，可以辨别出细小的特征，包括小的不规则腺体（g），即腺癌的标志。
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0224-2
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