利用原型非线性显微内镜对半月板和关节软骨进行二次谐波显微镜检查的临床前转化研究

DOI：10.1109/JTEHM.2018.2889496 期刊：IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine 出版年份：2019 更新时间：2026-01-09 18:44:55

摘要： 先前采用非线性显微镜的研究表明，骨关节炎（OA）的特征是Ⅱ型胶原逐渐被Ⅰ型胶原取代。本研究旨在开发一种原型非线性激光扫描显微内镜，能够解析各种骨科相关软骨表面的胶原结构差异。当前原型机开发了微型飞秒激光扫描仪器，搭载于关节定位系统上，兼具常规关节镜检查和二次谐波激光扫描显微镜功能。其光学系统包含采用梯度折射率物镜的多分辨率光学系统，以及定制多功能光纤护套——既能最大化收集背向散射光子，也可提供关节囊照明。通过在新鲜、微处理且部分完整的猪膝关节上进行初步测试，评估了该原型关节镜接近并成像软骨的稳定性和适用性。图像质量足以通过独特的Ⅰ型和Ⅱ型胶原特异性特征区分透明软骨与纤维软骨。对半月板的成像显示，该系统能呈现表层与层状胶原排列的差异。这种对软骨表面的详细活体成像未来或可免除离体组织学分析所需的活检操作，并为表征和诊断OA等进行性退行性软骨疾病提供传统外部成像的替代方案。此外，该系统易于定制，可为开发利用飞秒激光进行组织切割的附加工具提供合适模块化平台，适用于熟悉的双孔或三孔关节镜技术范畴。

关键词： 骨科胶原蛋白关节镜诊断学显微镜技术二次谐波成像软骨骨关节炎组织学手术辅助设备

作者： STEPHEN J. BASKEY，MARCO ANDREANA，ERIC LANTEIGNE，ANDREW RIDSDALE，ALBERT STOLOW，MARK E. SCHWEITZER

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研究概述实验方案设备清单

研究目的

开发一种原型非线性激光扫描微内窥镜，能够分辨骨科相关软骨表面胶原结构差异。

研究成果

PALOMINO原型系统成功验证了非线性激光扫描显微内镜用于关节镜显微成像的可行性，该系统能通过胶原特异性二次谐波成像区分透明软骨与纤维软骨。其在微处理关节中的成像稳定性和多功能性表明，该系统有望用于临床诊断骨关节炎等软骨疾病，或可减少活检需求。该平台具有可定制性，未来可通过飞秒激光扩展应用于外科手术。

研究不足

GRIN透镜被设计为浸没式物镜，需要液体浸没以实现最佳成像效果，这在临床环境中可能并不总是可行。探头的刚性特性限制了其在无需柔性内窥镜的应用中的使用。在当前光学配置下，系统分辨率达到平台期，需要进一步优化以提高信噪比和分辨率。该研究采用猪关节作为模型，可能无法完全复现人类临床条件，且未使用疾病模型来评估病理变化。

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设备名称型号厂家功能同款推荐

GRIN lens Custom doublet GRINTECH GmbH
Objective lens for focusing laser and collecting signals

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illuminator MI-150 High Intensity Illuminator Edmund Optics
Providing illumination for wide-field imaging

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femtosecond laser Uranus 1030-050-0300(CC) PolarOnyx
Excitation source for second harmonic generation imaging

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femtosecond laser InSight DeepSee dual-output option Spectra Physics
Excitation source for second harmonic generation imaging

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photomultiplier tube H10723-01 Hamamatsu
Detection of SHG signals

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CMOS camera DCC1545M Thorlabs
Acquisition of wide-field images

DCC1240M
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CMOS camera DCC1645C Thorlabs
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DCC1240C
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galvanometric scanning mirror 6210H Cambridge Technology
Raster scanning of laser beam for image acquisition

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fiber optic bundle Custom Fibertech Optica
Collection of backscattered SHG signals and illumination for wide-field imaging

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dichroic mirror T950LPXXRXT-UF1 Chroma
Isolation of SHG signal from IR excitation light

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linear track UtiliTrack HepcoMotion
Linear positioning in the end-effector

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ring carriage HD Ring with V edge HepcoMotion
Rotational positioning in the end-effector

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data acquisition unit NI PCI-6110 National Instruments
Control of raster scan and data acquisition

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connector block BNC-2110 National Instruments
Analog input/output connections

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data acquisition device USB-1408FS Measurement Computing Corporation
Control of PMT gain via MATLAB

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ZEISS LSM 990 Spectral Multiplex
310

型号：ZEISS LSM 990 Spectral Multiplex

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Evolution 300 UV-Vis Spectrophotometer
341

型号：Evolution 300

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Nicolet iS50 FTIR Spectrometer
790

型号：Nicolet iS50

厂家：Thermo Fisher Scientific

智能分析： Nicolet iS50 FTIR光谱仪是一款高性能的多功能材料分析工作站，适用于材料科学、制药、化学研究等领域。其多种模块化扩展和高光学性能使其在复杂应用中表现出色，但较高的重量和潜在的高成本可能对某些用户造成限制。总体而言，该产品具备强大的性能和灵活性，是高端光谱分析的理想选择。
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Nicolet iS10 FTIR Spectrometer
790

型号：Nicolet iS10

厂家：Thermo Fisher Scientific

智能分析： Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪是一款高性能、多功能的红外光谱分析仪，适用于材料验证、质量控制、故障分析等多种应用场景。其高光谱分辨率、优异的信噪比以及广泛的样品兼容性使其成为实验室分析的不二之选。同时，自动化功能和卓越的数据安全性增加了用户的便利性和可靠性。然而，其高成本和一定的学习曲线可能对部分用户产生影响。综合来看，这是一款性能优越且可靠的光谱分析设备，非常适合对精度和效率要求较高的用户。
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Cary 50 Spectrophotometer
1440

型号：Cary 50

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智能分析： Cary 50分光光度计是一款由安捷伦科技公司推出的高性能光谱分析仪器，专注于实验室光谱分析、化学研究、生物领域等多种应用。其高精度检测能力、紧凑设计以及低功耗特性使其成为实验室的理想选择。然而，产品重量较重以及某些接口适配问题可能对运输和安装造成一定挑战。总体来说，Cary 50是一款性能优异、兼容性较强的分光光度计，适合对精确光谱分析有高需求的用户使用。
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Lambda 25 UV/Visible Spectrophotometer
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型号：Lambda 25

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智能分析： Lambda 25紫外可见分光光度计是PerkinElmer公司推出的一款高性能光谱分析仪器，特别适合对精度和稳定性要求较高的实验室应用。其采用双光束光学设计和高品质光学元件，具备良好的波长准确度、光度重复性和光学稳定性，适用于化学、生物医学、环境监测等领域。尽管其重量较大且带宽固定，但这些缺点可被其卓越的性能所弥补。总体而言，Lambda 25 是一款功能强大且可靠的光谱仪器，非常适合需要高精度分析的用户。
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