Lille linseløst endoskop tager 3D-billeder af objekter, der er mindre end en celle

Forskere har udviklet et nyt selvkalibrerende endoskop, der producerer 3D-billeder af objekter, der er mindre end en enkelt celle. Uden en linse eller noget optisk, elektriske eller mekaniske komponenter, spidsen af ​​endoskopet måler kun 200 mikron på tværs, omkring bredden af ​​et par menneskehår snoet sammen.

Som et minimalt invasivt værktøj til billeddannelse af træk inde i levende væv, det ekstremt tynde endoskop kunne muliggøre en række forskellige forsknings- og medicinske anvendelser. Forskningen vil blive præsenteret på konferencen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), afholdt 15-19 september i Washington, D.C., USA.

Ifølge Juergen W. Czarske, Direktør og C4-professor ved TU Dresden, Tyskland og hovedforfatter på papiret:"Det linseløse fiberendoskop er omtrent på størrelse med en nål, giver det mulighed for minimalt invasiv adgang og højkontrastbilleddannelse samt stimulering med en robust kalibrering mod bøjning eller vridning af fiberen." Endoskopet vil sandsynligvis være særligt nyttigt til optogenetik - forskningstilgange, der bruger lys til at stimulere cellulær aktivitet. Det kan også vise sig nyttigt til overvågning af celler og væv under medicinske procedurer samt til tekniske inspektioner.

Et selvkalibrerende system

Konventionelle endoskoper bruger kameraer og lys til at tage billeder inde i kroppen. I de senere år har forskere udviklet alternative måder at fange billeder gennem optiske fibre, eliminerer behovet for omfangsrige kameraer og andre omfangsrige komponenter, giver mulighed for væsentligt tyndere endoskoper. På trods af deres løfte, imidlertid, disse teknologier lider af begrænsninger såsom manglende evne til at tolerere temperaturudsving eller bøjning og snoning af fiberen.

En stor hindring for at gøre disse teknologier praktiske er, at de kræver komplicerede kalibreringsprocesser, i mange tilfælde mens fiberen samler billeder. For at løse dette, forskerne tilføjede en tynd glasplade, kun 150 mikron tyk, til spidsen af ​​et sammenhængende fiberbundt, en type optisk fiber, der almindeligvis anvendes i endoskopiapplikationer. Det sammenhængende fiberbundt, der blev brugt i eksperimentet, var omkring 350 mikrometer bredt og bestod af 10, 000 kerner.

Når den centrale fiberkerne er belyst, den udsender en stråle, der reflekteres tilbage i fiberbundtet og fungerer som en virtuel ledestjerne til at måle, hvordan lyset transmitteres, kendt som den optiske overførselsfunktion. Den optiske overførselsfunktion giver vigtige data, som systemet bruger til at kalibrere sig selv på farten.

Holder udsigten i fokus

En nøglekomponent i det nye setup er en rumlig lysmodulator, som bruges til at manipulere lysets retning og muliggøre fjernfokusering. Den rumlige lysmodulator kompenserer den optiske overførselsfunktion og billeder på fiberbundtet. Det tilbagereflekterede lys fra fiberbundtet fanges på kameraet og overlejres med en referencebølge for at måle lysets fase.

Placeringen af ​​den virtuelle guidestjerne bestemmer instrumentets fokus, med en minimal fokusdiameter på cirka en mikron. Forskerne brugte en adaptiv linse og et 2-D galvometerspejl til at flytte fokus og muliggøre scanning i forskellige dybder.

Demonstrer 3D-billeddannelse

Holdet testede deres enhed ved at bruge den til at afbilde en 3D-prøve under et 140 mikron tykt dækglas. Scanning af billedplanet i 13 trin over 400 mikron med en billedhastighed på 4 cyklusser pr. enheden afbildede partikler i toppen og bunden af ​​3D-prøven. Imidlertid, dets fokus forværredes, efterhånden som galvometerspejlets vinkel øgedes. Forskerne foreslår, at fremtidigt arbejde kan løse denne begrænsning. Ud over, Brug af en galvometer-scanner med en højere billedhastighed kunne muliggøre hurtigere billedoptagelse.

"Den nye tilgang muliggør både realtidskalibrering og billeddannelse med minimal invasivitet, vigtig for in-situ 3-D billeddannelse, lab-on-a-chip-baseret mekanisk cellemanipulation, dybt væv in vivo optogenetik, og tekniske nøglehulsinspektioner, " sagde Czarske.