新しい内視鏡イメージングカテーテルが病気の特定を正確にする

・ナノオプティック内視鏡と名付けられた新しい形の内視鏡イメージングカテーテルは、既存のカテーテルよりもはるかに効率的です。

・フォーカスが高品質で、どんな複雑な媒体でも、がんを含む病気の検出が可能です。

ほとんどの内臓疾患の診断は、感染部位から採取した検体に頼っています。しかし、既存の内視鏡画像診断法では、患部を正確に画像化することができず、誤差なくサンプルを採取することが非常に困難でした。

光ファイバーカテーテルを用いた内視鏡的光学画像を使うと、抽出しにくい部位からデータを取得する事ができます。例えば、内視鏡的光コヒーレンス・トモグラフィー（OCT）は、組織の奥深くにある微細構造の詳細な画像を抽出することができます。肺気道や消化管など、到達しにくい部位の疾患を効果的に監視することができます。

しかし、この技術は多くの欠点（浸透深度や視野の不足など）を伴うため、日常臨床に使われているアプリケーションでは応用されていません。

このたび、ハーバード大学とマサチューセッツ総合病院の研究者が、既存の技術よりもはるかに効率的（病気の発見という点では）なナノ光学式内視鏡と呼ばれる新しい形態の内視鏡画像カテーテルを開発しました。

どのように開発したのか?

ナノ光学内視鏡カテーテルは、界面にサブ波長間隔の散乱体アレイを含むメタレンズと一体化されています。これらの光散乱体は、その幾何学的パラメータと分布に従って、入射光の位置を局所的に移動し、その波面を再構築します。

これにより、非点収差や球面収差のないメタルレンズになります。この方法は、どんな複雑な媒体にも使用でき、高品質のフォーカシングを得ることができます。そして大きな特徴として、追加の撮影や処理時間、光学機器の複雑な配置を必要としないことが挙げられます。

ナノオプティック内視鏡の完成 | 画像元: ハーバード大学

技術的に見ると、分光干渉計の文脈におけるメタレンの色分散は、入射光のレイリー域を超える解像度を可能にします。研究者は、出力ビームの品質を強固にするために、その技術をボールレンズカテーテルおよび市販のGRINレンズカテーテルと比較しました。

その画像品質を実証するために、果物の果肉、豚の気道、人間の肺組織をナノ光学内視鏡で撮影しました。この装置は、既存のカテーテル設計よりも驚くほど高い解像度で、組織の奥深くまで見ることができました。

組織層や果肉には細胞構造が、豚の気管支粘膜には細かい腺が鮮明に映し出されました。ヒトの肺組織では、不規則で微細な腺に相当する構造がはっきりと確認され、がん腫の中でも最も顕著な種類の一つである腺がんであることが示唆された。

従来のカテーテル（a,c）とナノオプティック内視鏡（b,d）で撮影した果肉（左）と豚の気道（右）の画像| 画像元: ハーバード大学

今後の展開は?

今後数年間で、この技術を他の用途に応用することが検討されています。例えば、偏光に敏感なナノ光学内視鏡は、光軸の曖昧さがなくなります。これにより、平滑筋や血管のような高度に組織化された構造的な組織を対比できるようになります。

より広い帯域幅を持つ光源とメタレンズの色分散の操作によって焦点深度をさらに向上させることも、重要な課題です。また、ナノ光学内視鏡の特殊な特性は、共焦点内視鏡のような他の内視鏡光学技術にも有効で、その機能を強化できる可能性があります。