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September 29, 2020

高精度3Dプリンティングが実現する世界最小の内視鏡

Visualization of a 3D printed miniature optical endoscope
血管内3D造形した小型光学内視鏡の画像。(c)Florian Sterl、Sterltech Optics

シュトゥットガルト大学とアデレード大学の研究者が、オーストラリアの医学研究センターとの協力により、世界最小の3D造形 小型内視鏡を開発しました。Nanoscribeの 3D光造形装置で製造されたこの新しい微細光学ツールの幅は、わずか125μmです。 将来的には、直径0.5mm未満の血管内の内視鏡検査の実現の可能性があります。内視鏡は、人間やマウスの動脈内のプラーク、血栓、コレステロール結晶を検出でき、脳卒中や心臓発作のリスクの低減に役立つことが期待されます。

内視鏡は体内を検査に利用されます。例えば大腸内視鏡は腸を、胃内視鏡は胃を検査できます。しかしこのような内視鏡は、血管の中に入れるには大きすぎます。これについて光ファイバ技術を応用して、血管内に安全に挿入できるほど小さい、直径わずか数百μmのプローブを作成できます。課題は、血管の内部から高品質の画像を撮影するために、ファイバの先端に、高精細かつ自由形状でパワフルなイメージング光学系を構築することです。

このようなマイクロオプティクスの実現可能性の調査のため、シュトゥットガルト大学の国際チームが、アデレード大学、ロイヤルアデレード病院、アデレードのSAHMRI研究所、メルボルンのモナッシュ心臓血管研究センターとともに、世界最小の内視鏡の設計、製造、試験を行いました。3D造形した微小光学内視鏡を使用して、医師らがマウスと人間の血管の内部を検査しました。

ファイバ先端への自由形状マイクロオプティクスの3D微細造形

この内視鏡には光コヒーレンストモグラフィ(OCT)を利用します。このイメージング技術は、組織を透過するブロードな帯域の光源を使用します。この反射光の分析により、高い空間分解能で組織を正確に深度イメージングできます。このタイプの内視鏡には、光ビームをガラスファイバの内側から血管の内側の壁に向かって横方向に偏向させるマイクロオプティクスが必要です。光学系は、血管の形状と深さ組成を検出し、それら反射光をファイバに戻して、低侵襲デバイスで高解像度の画像を取得します。

この目的のために、ビーム成形マイクロオプティクスは、カテーテルシースに向けられた平面と、ビームの向きを変えて集束するための自由形状全反射ミラーからなる複雑な三次元形状を有します。さらに透明なポリマーカテーテルシースの光学収差も補正します。Nanoscribeの3D光造形技術を利用して、科学者はこのユニークなデザインをファイバ先端へ直接3Dプリンティングしました。イメージングプローブは、カテーテルシース内で直線的に回転・移動して、血管の3D画像を撮影します。

超薄型OCTシステムによるプラークとコレステロール結晶の検出

科学者らは、微細光学OCT内視鏡を使用して、人間の頸動脈と心臓病の研究に使用されるマウスの大動脈で、プラークとコレステロール結晶を検出しました。染色した組織片の顕微鏡画像との比較により、正確で高品質な画像を取得できることが確認されました。この微小なイメージングプローブは、医学研究者が心臓病の原因や治療法を理解するための新しいパワフルなツールとなります。

Light:Science&Applicationsを以下のリンクからお読みいただけます:Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use

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