共聚焦微型腹腔鏡用於對輸卵管進行成像
概要
最近的證據表明，卵巢癌可能起源於輸卵管。與許多其他癌症不同，卵巢和輸卵管的不良通路限制了研究這種致命疾病進展的能力，並且在最適合治療的早期階段對其進行診斷。先前已經報道了設計用於在體內對卵巢的上皮表面成像的剛性共聚焦微型腹腔鏡系統。已開發出一種具有鉸接遠端尖端的新型共聚焦微型腹腔鏡，以便能夠在體內接近人類輸卵管。新型微型腹腔鏡與5毫米套管針兼容，包括2.2毫米直徑的鉸接式遠端尖端，由裸纖維束和用於熒光共聚焦成像的自動染料輸送系統組成。這種小型關節裝置應使共焦微型腹腔鏡能夠對輸卵管內出現的早期卵巢癌進行成像。使用新的鉸接裝置呈現動物組織和人輸卵管的離體圖像以及使用剛性共聚焦微型腹腔鏡系統的體內成像結果。
關鍵詞：共聚焦，微型腹腔鏡，輸卵管，卵巢癌，纖維束
1.簡介
卵巢癌是一種具有總體高發病率和低5年生存率的破壞性疾病.1不幸的是，沒有已知的早期檢測策略導致早期診斷或提高生存率.2,3因此，許多高風險女性選擇預防性手術切除卵巢和輸卵管以預防未來的卵巢癌。雖然這種方法在95％的病例中可以預防卵巢癌，但除了消除患者生育能力之外，在早期絕經和心血管疾病方面存在顯著的缺點.4-7顯然，為高風險人群提供女性如果成像程序具有足夠的診斷敏感性和特異性，那麼在決定預防性手術之前進行微創腹腔鏡成像程序以評估其卵巢和輸卵管健康的選擇將是有益的。
儘管長期以來認為卵巢癌起源於卵巢的上皮表面，但卵巢中未發現癌前病變或上皮內病變。新的證據表明，卵巢和輸卵管癌來自Müellerian來源的細胞，並且有強有力的證據表明，卵巢中的許多癌症實際上來自輸卵管中的細胞.8-11作者之前已經證明了一種剛性的共聚焦微型腹腔鏡系統用於對卵巢12-16的上皮表面進行成像，作者的結果以及其他幾個組17-20的結果表明，用共聚焦顯微內窺鏡獲得的高解析度en圖像可用於診斷疾病。
為了證明應用於輸卵管的共聚焦微內窺鏡檢查的可能性，作者首先使用作者先前開發的剛性臨床共聚焦微型腹腔鏡對輸卵管的菌毛進行成像。初步的體內和體外圖像顯示了識別輸卵管中病理變化的潛力，但是共聚焦微型腹腔鏡的剛度和直徑使得難以在傘狀體的暴露表面之外成像。為了更好地接近輸卵管，作者修改了剛性共聚焦微型腹腔鏡，以包括一個小直徑鉸接遠端尖端。新的鉸接式共聚焦微型腹腔鏡採用裸光纖成像束，能夠可視化細胞形態和亞細胞細節，如核大小和形狀。在下一節中，作者簡要回顧剛性共聚焦微型腹腔鏡的儀器，並提供用該系統獲得的人類輸卵管圖像的初步離體和體內圖像。新的鉸接式尖端共聚焦微型腹腔鏡在第二節中描述。圖3顯示了使用新系統獲得的輸卵管的離體圖像。第二節介紹了這項工作的討論和結論。4。
2.使用剛性共聚焦微型腹腔鏡成像輸卵管
2.1.光學掃描單元概述
剛性臨床系統和新的鉸接裸光纖系統都連接到相同的光學掃描單元。這種共焦縫隙掃描系統的詳細描述可以在以前的出版物中找到.15,21簡而言之，激光源提供488nm的激發波長。柱面透鏡將準直激光束轉換成線照明輪廓，該線照射輪廓通過掃描鏡掃描成像光纖束的近端。來自外源標記組織的誘導熒光通過光纖收集回來，由掃描鏡去掃描，並成像到固定的共焦狹縫孔上，該孔限制組織內離焦平面發射的光。第二個掃描鏡和相機鏡頭將信號成像到二維（2-D）CCD相機上。兩個掃描鏡同步掃描穿過纖維束近端的激發照射線，並將發射光映射到CCD上，以產生樣品的2-D en face共聚焦圖像。共焦圖像以每秒30幀的速度從相機中讀出並顯示在監視器上以供外科醫生在手術室中觀看。
2.2.剛性共聚焦微型腹腔鏡
剛性共焦微型腹腔鏡探頭在手柄上具有5mm直徑和30cm長的剛性尖端，其通過包含光纖束和控制儀器操作的電線的電纜連接到光學掃描單元。剛性共聚焦微型腹腔鏡採用30,000個元件的光纖成像束，中心間距為4μm，將掃描線照明輪廓傳輸到探頭的遠端。纖維束的成像直徑為720μm，最小彎曲半徑為40mm，NA為0.35。微型消色差物鏡將纖維束的遠端成像到組織中。微型腹腔鏡手柄中的聚焦機構允許用戶聚焦在組織表面下方0至200μm處。在腹腔鏡手術期間，剛性導管通過套管針插入並在傳統的寬視野腹腔鏡的引導下傳送到卵巢。將微型腹腔鏡與卵巢接觸，並將熒光造影劑局部遞送至成像部位的組織。
2.3.使用剛性共聚焦微型腹腔鏡進行成像結果
為了評估作者是否可以使用共聚焦顯微內窺鏡檢查輸卵管的病理變化，作者使用當前的剛性微型腹腔鏡檢查切除的人輸卵管樣本。此外，作者能夠在幾次外科手術中測試體內輸卵管成像的概念，其中外科醫生能夠操縱輸卵管並將該微型腹腔鏡的5mm剛性尖端定位在輸卵管的流蘇端。
圖1顯示了用吖啶橙染色的人輸卵管的兩個離體圖像，並用剛性共聚焦微型腹腔鏡成像。該圖包括從獲得共焦圖像的區域拍攝的相應組織學圖像。兩種病例的診斷均為正常輸卵管。從剛性共聚焦微型腹腔鏡取得的圖像在組織空間中具有0.45mm的完整視野。圖2顯示了用剛性微型腹腔鏡拍攝的體內圖像。如上所述，該系統的剛性和直徑使得難以在輸卵管內成像，但外科醫生能夠對毛膜進行成像。圖2（a）和2（b）取自組織學診斷顯示正常組織的患者。圖2（c）和2（d）是從患者身上獲得的，該患者的可視腫塊附著在輸卵管的流蘇端。用剛性共聚焦微型腹腔鏡系統在體內成像，然後通過冷凍切片診斷為高級別漿液性癌。有趣的是，與這種輸卵管相關的卵巢在病理檢查中沒有癌症的證據。這種特殊的輸卵管腫瘤可以在視覺上進行檢測和活檢，而無需高解析度成像系統。然而，這種情況確實引起了人們對高解析度成像系統的益處的關注，以幫助確定輸卵管病變在臨床上較不明顯的病例。
圖1
用吖啶橙染色的離體共聚焦微型腹腔鏡圖像和切除的正常人輸卵管的相應組織學圖像。圖像（a）和（b）來自一名患者的類似位置。圖像（c）和（d）來自另一患者的類似位置。共焦圖像（a）和（c）具有0.45mm的全視場。
圖2
人體輸卵管的體內圖像用吖啶橙染色並在開放手術期間使用剛性共聚焦微型腹腔鏡系統成像。圖像（a）和（b）來自患有健康管和卵巢的患者。圖像（c）和（d）來自在輸卵管中被診斷為高級別漿液性癌並且沒有卵巢受累的患者。圖像的全視野為0.45 mm。
這些成像結果表明共聚焦微型腹腔鏡具有足夠的解析度來區分輸卵管中的細胞結構。人們當然可以看到圖2中兩個體內病例之間的顯著差異，可能源於癌組織的形態變化。
3.使用新型關節鏡微型腹腔鏡導管成像輸卵管
3.1.新型關節鏡微型腹腔鏡導管
為了更好地體內獲取輸卵管，作者設計並製造了原型腹腔鏡成像探頭。該探針是裸光纖束成像系統（即，沒有微型物鏡），其具有2.2mm直徑的鉸接遠端尖端。纖維束具有與剛性系統中使用的相同的規格。由於它是裸光纖探針，焦平面是靜態的，使得只有與光纖束尖端接觸的組織由共焦儀器成像。新的鉸接式微型腹腔鏡導管包含染料通道，以向組織遞送外源造影劑。較小直徑的遠端尖端和控制尖端角度的能力提供了在輸卵管的彎曲和精細結構內成像所需的尺寸和柔韌性。
鉸接式微型腹腔鏡，如圖3所示，採用符合人體工程學的輕巧手柄。遠側尖端通過相對於腹腔鏡探針的剛性部分的方向彎曲手柄而鉸接。手柄前部的球窩機構用作樞軸點。腹腔鏡的柔性遠端尖端由20個彼此疊置的金屬連桿組成。四根金屬線從與插座對齊的部件，穿過球，沿著30厘米長的剛性金屬管，穿過20個金屬連桿邊緣上的四個小孔延伸，最後連接到探頭的遠端尖端。當外科醫生改變手柄和金屬管之間的角度時，四個內部驅動線上的張力變化引起遠端尖端的鉸接，其方式類似於傳統的柔性內窺鏡。手柄和剛性管之間大約45度的角度提供了近90度的遠端尖端關節。該設計還包括鉸接鎖，允許外科醫生在遠端尖端設定和保持特定角度。單個多功能按鈕允許外科醫生通過短按保存靜止幀並通過長按輸送預定量的造影劑。可以通過光學掃描單元上的基於計算機的控制項記錄視頻。將裝有0.2cc造影劑的小注射器插入凹腔中的魯爾鎖連接器中，該凹腔將流體沿21號皮下注射管引導至遠端尖端。鉸接機制的靈感來自商業儀器22，旨在克服剛性腹腔鏡器械所施加的限制。該探頭採用對稱設計，允許左手和右手使用。新導管的機械設計在SolidWorks中完成，然後使用快速原型設計Objet350 Connex 3D印表機。圖4中示出了原型裝置的照片，並且在圖5中提供了鉸接遠側末端的演示。
圖3
清晰的共聚焦微型腹腔鏡。內部馬達控制造影劑通過皮下注射染料線輸送到成像部位。單用途按鈕用於保存靜止幀和傳送造影劑。位於該設計的下側的鉸接鎖允許臨床醫生將遠側尖端固定在特定角度。
圖4
鉸接尖端共聚焦微型腹腔鏡探頭的手柄。該設計採用了鉸接鎖，可以在遠端尖端設置和保持特定的角度。探頭頂部的多功能按鈕允許操作員提供造影劑並抓取靜態圖像。
圖5
演示新的共聚焦微型腹腔鏡的遠端尖端。（視頻1，MOV，4.6 MB）。
3.2.使用新型關節鏡微型腹腔鏡進行成像結果
該裸光纖系統的空間解析度為橫向~7-μm，軸向測量為20-μm，全視場為0.72 mm。使用切除的動物組織以及切除的人輸卵管組織證明了原型關節尖端探針的成像性能。圖6顯示了從小鼠獲得的初步離體熒光共聚焦圖像。圖6（a）和6（b）]和大鼠[圖6（a）和6（b）]。6（c）和6（d）]。在通過造影劑遞送通道局部施用吖啶橙後，將鉸接的裸纖維探針與組織表面接觸。圖7顯示了用吖啶橙染色的人輸卵管的離體圖像。當鉸接遠端尖端與菌毛接觸時，獲得圖7（a）-7（c）。圖7（d）是在鉸接遠端尖端插入輸卵管腔內時拍攝的。圖4和圖5中輸卵管組織的相應組織學診斷。7（a）-7（c）是絕經後正常的菌毛。未獲得圖7（d）所示組織的組織學診斷，因為當尖端位於輸卵管腔內時難以將圖像位置與組織部位相關聯。圖4和圖5中所示的圖像。6和77是高解析度和高對比度，並清楚地展示了這種新型微型腹腔鏡探頭的強大成像能力。在離體成像期間，作者發現薄的關節尖端可以相對容易地插入輸卵管的流蘇端之外2厘米處。雖然新的鉸接式尖端探針還沒有在體內進行過測試，但作者希望它能夠更好地接近輸卵管並提供能夠可視化細胞細節和組織微觀結構特徵的圖像質量。
圖6
用新的關節共聚焦微型腹腔鏡獲得的離體動物組織圖像。所有樣品用吖啶橙染色：（a）小鼠胰腺，（b）小鼠腹壁，（c）大鼠脾臟，和（d）大鼠脾臟。圖像的完整視野為0.72 mm。
圖7
切除的人輸卵管的離體圖像用吖啶橙染色並用鉸接尖端共聚焦微型腹腔鏡成像。圖像（a）至（c）從患有絕經後正常輸卵管的患者的傘菌獲得。通過在從另一患者提取的輸卵管腔內成像（診斷待定）獲得圖像（d）。圖像的完整視野為0.72 mm。
4.討論和結論
成功開發了具有小直徑鉸接遠端尖端的共聚焦微型腹腔鏡，以在輸卵管內成像。該儀器旨在檢測輸卵管中出現的早期卵巢癌。在該初步研究中，用熒光造影劑吖啶橙局部染色組織，其容易穿過細胞膜並插入細胞核中的DNA和胞質溶膠中的RNA。作者的工作在使用吖啶橙16鑒定卵巢癌方面顯示出了巨大的希望，作者已經獲得了美國食品和藥物管理局（FDA）的一項新葯批准，以測試在成像後手術切除組織的患者的吖啶橙。然而，人們擔心吖啶橙的潛在致突變性。對於體內臨床應用，作者正在研究幾種FDA批准的造影劑，包括熒光素鈉，亞甲藍和吲哚菁綠。新的鉸接導管可以與任何這些替代造影劑一起使用。開發用於體內檢測卵巢癌的安全有效的造影劑是作者正在進行的研究的基本目標。
使用作者先前開發的剛性臨床共聚焦微型腹腔鏡進行人輸卵管離體和體內成像的結果表明了所提出的共聚焦成像技術的潛力，但是對於輸卵管的進入受到5mm直徑剛性的幾何形狀的限制設備。新型輕型人體工程學共聚焦微型腹腔鏡具有鉸接遠端尖端，可在腹腔鏡手術期間進入輸卵管遠端。這種新儀器的一個重要優勢是能夠將輸卵管內部成像到傘端以上幾厘米處。雖然鉸接尖端探針的7-μm橫向解析度小於剛性臨床微腹腔鏡探針的4.5-μm橫向解析度，但其性能足以解決細胞核等亞細胞結構，以及與卵巢相關的重要微觀結構特徵癌症檢測。此外，裸光纖鉸接設計的整體靈敏度與微型物鏡剛性系統的靈敏度非常相似。裸光纖系統收集的光線較少，因為它具有較小的NA，但裸光纖系統具有更高的吞吐量，因為它消除了具有15個光學表面的微型物鏡。
總體而言，使用該裸光纖束成像系統獲得的圖像具有與用剛性臨床系統收集的卵巢組織的圖像相當的質量。最終，這種鉸接式尖端裝置可以允許外科醫生對輸卵管內產生的卵巢癌進行成像，並提供在更適合有效治療的早期階段檢測疾病的手段。新的鉸接式微型腹腔鏡系統的體內臨床評估是展示該儀器潛力的下一步。
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