共聚焦微型腹腔镜用于对输卵管进行成像

概要。
最近的证据表明，卵巢癌可能起源于输卵管。与许多其他癌症不同，卵巢和输卵管的不良通路限制了研究这种致命疾病进展的能力，并且在最适合治疗的早期阶段对其进行诊断。先前已经报道了设计用于在体内对卵巢的上皮表面成像的刚性共聚焦微型腹腔镜系统。已开发出一种具有铰接远端尖端的新型共聚焦微型腹腔镜，以便能够在体内接近人类输卵管。新型微型腹腔镜与5毫米套管针兼容，包括2.2毫米直径的铰接式远端尖端，由裸纤维束和用于荧光共聚焦成像的自动染料输送系统组成。这种小型关节装置应使共焦微型腹腔镜能够对输卵管内出现的早期卵巢癌进行成像。使用新的铰接装置呈现动物组织和人输卵管的离体图像以及使用刚性共聚焦微型腹腔镜系统的体内成像结果。

关键词：共聚焦，微型腹腔镜，输卵管，卵巢癌，纤维束

1.简介
卵巢癌是一种具有总体高发病率和低5年生存率的破坏性疾病.1不幸的是，没有已知的早期检测策略导致早期诊断或提高生存率.2,3因此，许多高风险女性选择预防性手术切除卵巢和输卵管以预防未来的卵巢癌。虽然这种方法在95％的病例中可以预防卵巢癌，但除了消除患者生育能力之外，在早期绝经和心血管疾病方面存在显著的缺点.4-7显然，为高风险人群提供女性如果成像程序具有足够的诊断敏感性和特异性，那么在决定预防性手术之前进行微创腹腔镜成像程序以评估其卵巢和输卵管健康的选择将是有益的。

尽管长期以来认为卵巢癌起源于卵巢的上皮表面，但卵巢中未发现癌前病变或上皮内病变。新的证据表明，卵巢和输卵管癌来自Müellerian来源的细胞，并且有强有力的证据表明，卵巢中的许多癌症实际上来自输卵管中的细胞.8-11作者之前已经证明了一种刚性的共聚焦微型腹腔镜系统用于对卵巢12-16的上皮表面进行成像，作者的结果以及其他几个组17-20的结果表明，用共聚焦显微内窥镜获得的高分辨率en图像可用于诊断疾病。

为了证明应用于输卵管的共聚焦微内窥镜检查的可能性，作者首先使用作者先前开发的刚性临床共聚焦微型腹腔镜对输卵管的菌毛进行成像。初步的体内和体外图像显示了识别输卵管中病理变化的潜力，但是共聚焦微型腹腔镜的刚度和直径使得难以在伞状体的暴露表面之外成像。为了更好地接近输卵管，作者修改了刚性共聚焦微型腹腔镜，以包括一个小直径铰接远端尖端。新的铰接式共聚焦微型腹腔镜采用裸光纤成像束，能够可视化细胞形态和亚细胞细节，如核大小和形状。在下一节中，作者简要回顾刚性共聚焦微型腹腔镜的仪器，并提供用该系统获得的人类输卵管图像的初步离体和体内图像。新的铰接式尖端共聚焦微型腹腔镜在第二节中描述。图3显示了使用新系统获得的输卵管的离体图像。第二节介绍了这项工作的讨论和结论。 4。

2.使用刚性共聚焦微型腹腔镜成像输卵管
2.1.光学扫描单元概述
刚性临床系统和新的铰接裸光纤系统都连接到相同的光学扫描单元。这种共焦缝隙扫描系统的详细描述可以在以前的出版物中找到.15,21简而言之，激光源提供488nm的激发波长。柱面透镜将准直激光束转换成线照明轮廓，该线照射轮廓通过扫描镜扫描成像光纤束的近端。来自外源标记组织的诱导荧光通过光纤收集回来，由扫描镜去扫描，并成像到固定的共焦狭缝孔上，该孔限制组织内离焦平面发射的光。第二个扫描镜和相机镜头将信号成像到二维（2-D）CCD相机上。两个扫描镜同步扫描穿过纤维束近端的激发照射线，并将发射光映射到CCD上，以产生样品的2-D en face共聚焦图像。共焦图像以每秒30帧的速度从相机中读出并显示在监视器上以供外科医生在手术室中观看。

2.2.刚性共聚焦微型腹腔镜
刚性共焦微型腹腔镜探头在手柄上具有5mm直径和30cm长的刚性尖端，其通过包含光纤束和控制仪器操作的电线的电缆连接到光学扫描单元。刚性共聚焦微型腹腔镜采用30,000个元件的光纤成像束，中心间距为4μm，将扫描线照明轮廓传输到探头的远端。纤维束的成像直径为720μm，最小弯曲半径为40mm，NA为0.35。微型消色差物镜将纤维束的远端成像到组织中。微型腹腔镜手柄中的聚焦机构允许用户聚焦在组织表面下方0至200μm处。在腹腔镜手术期间，刚性导管通过套管针插入并在传统的宽视野腹腔镜的引导下传送到卵巢。将微型腹腔镜与卵巢接触，并将荧光造影剂局部递送至成像部位的组织。

2.3.使用刚性共聚焦微型腹腔镜进行成像结果
为了评估作者是否可以使用共聚焦显微内窥镜检查输卵管的病理变化，作者使用当前的刚性微型腹腔镜检查切除的人输卵管样本。此外，作者能够在几次外科手术中测试体内输卵管成像的概念，其中外科医生能够操纵输卵管并将该微型腹腔镜的5mm刚性尖端定位在输卵管的流苏端。

图1显示了用吖啶橙染色的人输卵管的两个离体图像，并用刚性共聚焦微型腹腔镜成像。该图包括从获得共焦图像的区域拍摄的相应组织学图像。两种病例的诊断均为正常输卵管。从刚性共聚焦微型腹腔镜取得的图像在组织空间中具有0.45mm的完整视野。图2显示了用刚性微型腹腔镜拍摄的体内图像。如上所述，该系统的刚性和直径使得难以在输卵管内成像，但外科医生能够对毛膜进行成像。图2（a）和2（b）取自组织学诊断显示正常组织的患者。图2（c）和2（d）是从患者身上获得的，该患者的可视肿块附着在输卵管的流苏端。用刚性共聚焦微型腹腔镜系统在体内成像，然后通过冷冻切片诊断为高级别浆液性癌。有趣的是，与这种输卵管相关的卵巢在病理检查中没有癌症的证据。这种特殊的输卵管肿瘤可以在视觉上进行检测和活检，而无需高分辨率成像系统。然而，这种情况确实引起了人们对高分辨率成像系统的益处的关注，以帮助确定输卵管病变在临床上较不明显的病例。


图1
用吖啶橙染色的离体共聚焦微型腹腔镜图像和切除的正常人输卵管的相应组织学图像。 图像（a）和（b）来自一名患者的类似位置。 图像（c）和（d）来自另一患者的类似位置。 共焦图像（a）和（c）具有0.45mm的全视场。


图2
人体输卵管的体内图像用吖啶橙染色并在开放手术期间使用刚性共聚焦微型腹腔镜系统成像。图像（a）和（b）来自患有健康管和卵巢的患者。图像（c）和（d）来自在输卵管中被诊断为高级别浆液性癌并且没有卵巢受累的患者。图像的全视野为0.45 mm。

这些成像结果表明共聚焦微型腹腔镜具有足够的分辨率来区分输卵管中的细胞结构。人们当然可以看到图2中两个体内病例之间的显著差异，可能源于癌组织的形态变化。

3.使用新型关节镜微型腹腔镜导管成像输卵管
3.1.新型关节镜微型腹腔镜导管
为了更好地体内获取输卵管，作者设计并制造了原型腹腔镜成像探头。该探针是裸光纤束成像系统（即，没有微型物镜），其具有2.2mm直径的铰接远端尖端。纤维束具有与刚性系统中使用的相同的规格。由于它是裸光纤探针，焦平面是静态的，使得只有与光纤束尖端接触的组织由共焦仪器成像。新的铰接式微型腹腔镜导管包含染料通道，以向组织递送外源造影剂。较小直径的远端尖端和控制尖端角度的能力提供了在输卵管的弯曲和精细结构内成像所需的尺寸和柔韧性。

铰接式微型腹腔镜，如图3所示，采用符合人体工程学的轻巧手柄。远侧尖端通过相对于腹腔镜探针的刚性部分的方向弯曲手柄而铰接。手柄前部的球窝机构用作枢轴点。腹腔镜的柔性远端尖端由20个彼此叠置的金属连杆组成。四根金属线从与插座对齐的部件，穿过球，沿着30厘米长的刚性金属管，穿过20个金属连杆边缘上的四个小孔延伸，最后连接到探头的远端尖端。当外科医生改变手柄和金属管之间的角度时，四个内部驱动线上的张力变化引起远端尖端的铰接，其方式类似于传统的柔性内窥镜。手柄和刚性管之间大约45度的角度提供了近90度的远端尖端关节。该设计还包括铰接锁，允许外科医生在远端尖端设定和保持特定角度。单个多功能按钮允许外科医生通过短按保存静止帧并通过长按输送预定量的造影剂。可以通过光学扫描单元上的基于计算机的控件记录视频。将装有0.2cc造影剂的小注射器插入凹腔中的鲁尔锁连接器中，该凹腔将流体沿21号皮下注射管引导至远端尖端。铰接机制的灵感来自商业仪器22，旨在克服刚性腹腔镜器械所施加的限制。该探头采用对称设计，允许左手和右手使用。新导管的机械设计在SolidWorks中完成，然后使用快速原型设计Objet350 Connex 3D打印机。图4中示出了原型装置的照片，并且在图5中提供了铰接远侧末端的演示。


图3
清晰的共聚焦微型腹腔镜。 内部马达控制造影剂通过皮下注射染料线输送到成像部位。 单用途按钮用于保存静止帧和传送造影剂。 位于该设计的下侧的铰接锁允许临床医生将远侧尖端固定在特定角度。


图4
铰接尖端共聚焦微型腹腔镜探头的手柄。 该设计采用了铰接锁，可以在远端尖端设置和保持特定的角度。 探头顶部的多功能按钮允许操作员提供造影剂并抓取静态图像。


图5
演示新的共聚焦微型腹腔镜的远端尖端。 （视频1，MOV，4.6 MB）。

3.2.使用新型关节镜微型腹腔镜进行成像结果
该裸光纤系统的空间分辨率为横向~7-μm，轴向测量为20-μm，全视场为0.72 mm。使用切除的动物组织以及切除的人输卵管组织证明了原型关节尖端探针的成像性能。图6显示了从小鼠获得的初步离体荧光共聚焦图像。图6（a）和6（b）]和大鼠[图6（a）和6（b）]。 6（c）和6（d）]。在通过造影剂递送通道局部施用吖啶橙后，将铰接的裸纤维探针与组织表面接触。图7显示了用吖啶橙染色的人输卵管的离体图像。当铰接远端尖端与菌毛接触时，获得图7（a）-7（c）。图7（d）是在铰接远端尖端插入输卵管腔内时拍摄的。图4和图5中输卵管组织的相应组织学诊断。 7（a）-7（c）是绝经后正常的菌毛。未获得图7（d）所示组织的组织学诊断，因为当尖端位于输卵管腔内时难以将图像位置与组织部位相关联。图4和图5中所示的图像。 6和77是高分辨率和高对比度，并清楚地展示了这种新型微型腹腔镜探头的强大成像能力。在离体成像期间，作者发现薄的关节尖端可以相对容易地插入输卵管的流苏端之外2厘米处。虽然新的铰接式尖端探针还没有在体内进行过测试，但作者希望它能够更好地接近输卵管并提供能够可视化细胞细节和组织微观结构特征的图像质量。


图6
用新的关节共聚焦微型腹腔镜获得的离体动物组织图像。 所有样品用吖啶橙染色：（a）小鼠胰腺，（b）小鼠腹壁，（c）大鼠脾脏，和（d）大鼠脾脏。 图像的完整视野为0.72 mm。


图7
切除的人输卵管的离体图像用吖啶橙染色并用铰接尖端共聚焦微型腹腔镜成像。图像（a）至（c）从患有绝经后正常输卵管的患者的伞菌获得。通过在从另一患者提取的输卵管腔内成像（诊断待定）获得图像（d）。图像的完整视野为0.72 mm。

4.讨论和结论
成功开发了具有小直径铰接远端尖端的共聚焦微型腹腔镜，以在输卵管内成像。该仪器旨在检测输卵管中出现的早期卵巢癌。在该初步研究中，用荧光造影剂吖啶橙局部染色组织，其容易穿过细胞膜并插入细胞核中的DNA和胞质溶胶中的RNA。作者的工作在使用吖啶橙16鉴定卵巢癌方面显示出了巨大的希望，作者已经获得了美国食品和药物管理局（FDA）的一项新药批准，以测试在成像后手术切除组织的患者的吖啶橙。然而，人们担心吖啶橙的潜在致突变性。对于体内临床应用，作者正在研究几种FDA批准的造影剂，包括荧光素钠，亚甲蓝和吲哚菁绿。新的铰接导管可以与任何这些替代造影剂一起使用。开发用于体内检测卵巢癌的安全有效的造影剂是作者正在进行的研究的基本目标。

使用作者先前开发的刚性临床共聚焦微型腹腔镜进行人输卵管离体和体内成像的结果表明了所提出的共聚焦成像技术的潜力，但是对于输卵管的进入受到5mm直径刚性的几何形状的限制设备。新型轻型人体工程学共聚焦微型腹腔镜具有铰接远端尖端，可在腹腔镜手术期间进入输卵管远端。这种新仪器的一个重要优势是能够将输卵管内部成像到伞端以上几厘米处。虽然铰接尖端探针的7-μm横向分辨率小于刚性临床微腹腔镜探针的4.5-μm横向分辨率，但其性能足以解决细胞核等亚细胞结构，以及与卵巢相关的重要微观结构特征癌症检测。此外，裸光纤铰接设计的整体灵敏度与微型物镜刚性系统的灵敏度非常相似。裸光纤系统收集的光线较少，因为它具有较小的NA，但裸光纤系统具有更高的吞吐量，因为它消除了具有15个光学表面的微型物镜。

总体而言，使用该裸光纤束成像系统获得的图像具有与用刚性临床系统收集的卵巢组织的图像相当的质量。最终，这种铰接式尖端装置可以允许外科医生对输卵管内产生的卵巢癌进行成像，并提供在更适合有效治疗的早期阶段检测疾病的手段。新的铰接式微型腹腔镜系统的体内临床评估是展示该仪器潜力的下一步。

参考：
Confocal microlaparoscope for imaging the fallopian tube
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