作为胃癌的一个指标，大肠肠化生的特征是在胃上皮杯状细胞中出现，因此，对肠微观结构的变化进行高速成像将是早期诊断及治疗的重要依据。本文介绍了光学相干断层扫描(OCT)对杯状细胞结构的体内外高速成像能力。

图 1

图1(a)为OCT系统示意图。其中，DF：二向色滤光片;PC：偏振控制器;SMF：单模光纤;L1-L5：消色差透镜;L6：相机镜头;W：紫外熔融石英窗;M1：反射镜。光源使用覆盖480nm-2200nm波长范围，重复频率为5MHz的超连续激光器(SC-5,Yangtze Soton Laser Co., Ltd.)。在激光输出之后放置具有520nm-985nm透射带的短通二向色滤光器(DMSP1000, Thorlabs Inc.)，经过滤光器后的激光功率为19.8mW。由于光纤耦合器和衍射光栅的光谱响应，CCD摄像机接收的光谱如图1(b)所示。使用75:25光纤耦合器(TW850R3A2，Thorlabs Inc.)将激光输出分成两束光。从75％端口输出的光束被引导到包含样品在内的样品臂，主要光学元件有准直透镜L3(AC050-015-B-ML，Thorlabs Inc.)，振镜扫描器(GVSM002/M，Thorlabs Inc.)以及物镜L4(M Plan Apo NIR 20×，Mitutoyo Inc.)。激光功率为10mW。另一侧的参考臂经过准直透镜L1，紫外熔融石英窗口(＃49-643，Edmund Optics Inc.)以及L2(M Plan Apo NIR 20×，Mitutoyo Inc.)。整个路径长度与样品光束相等。

参考臂反射回来的光和样品臂后向散射的光同时进入光纤耦合器产生干涉信号。给信号被由准直透镜L5(AC127-030-B-ML，Thorlabs Inc.)，衍射光栅(1200l/mm 830nm，Wasatch Photonics Inc.)，相机镜头(Nikon AF Nikkor 85mmf/1.8D)和线扫描CCD相机(E2V，AViiVA EM4)组成的光谱仪收集。采集到的信号通过相机链接电缆和图像采集卡(KBN-PCECL4-F，Bitflow Inc.)以12位数字分辨率传输到计算机。在实验中，摄像机和振镜扫描仪由计算机产生的触发信号同步。

图 2

样品臂光学系统的放大倍数为(1.5×)，因此系统横向分辨率为1.96μm。使用宽带光源，理论轴向分辨率计算为Δz=1.73μm。我们通过对1951年美国空军的分辨率图表进行成像来验证系统的横向分辨率。图2(a)描绘了分辨率图表的正面图像，其由512×512像素组成，覆盖0.26mm±0.26mm的成像区域。可以看出，第7组元素6的线间距为2.19μm，证明系统的横向分辨率小于2.19μm。为了表征系统的轴向分辨率，我们在样品臂光学系统中放置了一个驱动的可变光阑(SM05D5，Thorlabs Inc.)，其总衰减为30.3dB。并通过放置BK7玻璃表面获得512个A线轮廓(衰减为焦平面上的14dB)。测量的轴向点扩散函数(PSF)如图2(b)所示，显示空气中的轴向分辨率为2μm。由于在80μm的长度差下测得的信噪比(SNR)为59.1dB，因此在路径长度差为80μm时，系统灵敏度估计为103.4dB，略低于理论值105.6dB。

使用该系统在新移植的大鼠结肠样品上进行成像，为了避免由OCT设置或组织学过程引起的伪影，使用相同的OCT设置将每个实验重复至少三次。对于体内成像，在研究中使用氯胺酮(80mg/kg)和赛拉嗪(8mg/kg)麻醉大鼠。确认麻醉后，对大鼠进行外科手术。沿着肠道进行2~3cm的纵向切口，完全暴露结肠内壁(腔侧)。随后，将麻醉的大鼠仰卧在扫描台上进行体内结肠组织成像。在外科手术后2至3分钟内进行成像。为了获得用于离体研究的组织样品，我们在完成体内实验后处死这三只大鼠，并在停止生命体征后立即收获结肠组织。当收获这些组织时，使用组织标记染料标记了感兴趣区域(ROI)。切除所有这些标记的区域，然后使用福尔马林进行组织学分析。新切除的标本用于在切除后5分钟内离体进行OCT成像。将每个样品纵向切开并用PBS溶液冲洗三次以除去食物残渣和粘液。在成像过程中，将少量PBS溶液添加到组织表面上以提供折射率匹配。以20帧/秒从腔侧获取离体图像。

图 3

图3(a)显示了离体结肠粘膜的横截面图像。它由1024×566像素组成，覆盖872μm×435μm的成像区域。可以看出，清楚地显示了详细的细胞水平微结构，例如隐窝腔(crypt lumens)和个体杯状细胞。对于隐窝腔，可以观察到它们相对于上皮具有非常好的对比度；对于分布在隐窝腔周围的杯状细胞，它们的结构也可以清楚地分辨，包含半透明的粘蛋白。图3(b)显示了大鼠结肠组织的代表性横截面组织学。

可以在3-D重建的图像中进一步识别隐窝腔和个体杯状细胞的详细结构。图4(a)和(b)分别显示了成像深度为80μm和120μm的3-D图像。两幅图像均采用1024×1024像素的像素采样获得，覆盖872μm至872μm的成像区域。从两个图像中可以清楚地识别组织结构，例如隐窝腔，杯状细胞以及隐窝腔周围的固有层。当比较图4(a)和(b)时，值得注意的是，随着成像深度的增加，由红色箭头标记的黑点表示的隐窝腔直径的平均尺寸在图像中变小。图4(c)显示了结肠组织的代表性组织学图像。图4(d)显示了单个隐窝腔及其周围含粘蛋白的杯状细胞的代表性3-D视图。结果表明隐窝管是锥形的，其直径随着成像深度的增加而减小。图4(e)显示了单个隐窝腔以及杯状细胞和固有层的代表性横截面组织学。

图 4

为了测试上述细胞水平微结构是否也可以在体内可视化，我们在体内对麻醉大鼠的结肠组织进行成像。纵向打开结肠并用PBS溶液冲洗三次。从腔侧获得横截面图像5-10秒。系统数据采集速度设置为60fps。每个横截面图像由1024×767个像素组成，覆盖872μm(W)×610μm(D)的成像区域。图5(a)显示了体内结肠组织的代表性横截面图像。

图 5

以上离体成像结果显示，图1所示OCT系统能够清楚地显示这些重要的解剖结构，得到相应的组织学图像，还可以在体内实时捕获。

来自<Toward High-Speed Imaging of Cellular Structures in Rat Colon Using Micro-optical Coherence Tomography>