能捕捉比细胞小的物体的三维图像的微型无透镜内窥镜

——自校准技术为医学和研究开辟了新的机遇

据悉，来自德国德累斯顿大学研究人员开发了一种新型自校准内窥镜，可以对比单个细胞还小的物体进行三维成像。这种新型的内窥镜没有镜片，也没有任何光学、电子或机械部件，内窥镜的尖端只有200微米宽，仅为几根人类头发的宽度。
       超薄内窥镜作为一种用于活体组织内部成像的微创工具，可用于多种研究和医学应用。这项研究将于9月15日至19日在华盛顿举行的“光学+激光科学前沿”(FIO + LS)会议上发表。
       德国德累斯顿大学的教授，该论文的第一作者Juergen W. Czarske称：“无透镜的光纤内窥镜的大小大约是一根针，这种内窥镜不但能够实现微创访问和高对比度成像而且可以利用稳健的校准对抗光纤的弯曲或扭曲提供激励。”内窥镜的这种利用光刺激细胞活动的研究方法可能对光遗传学的研究特别有用。它还可以在医疗过程中监测细胞和组织以及在技术检查中发挥作用。
自校准系统
      传统的内窥镜使用照相机和灯光来捕捉身体内部的图像。近年来，研究人员已经开发出通过光纤捕捉图像的替代方法，消除了对笨重相机和其他笨重部件的需求，使内窥镜变得更薄。然而，尽管这些技术前景光明，但它们也存在一些局限性，比如无法承受温度波动或纤维弯曲和扭曲。
       实现这些技术的一个主要障碍是，它们需要复杂的校准过程，在一般情况下，光纤的作用是收集图像。为了解决这个问题，研究人员在相干光纤束的顶端增加了一块只有150微米厚的薄玻璃板，这种光纤束通常用于内窥镜检查。实验中使用的相干光纤束约为350微米宽，由10,000个芯组成。当中心光纤芯被照亮时，它会发出一束光，反射回光纤束，并充当一个虚拟的导引星，用来测量光是如何传输的，称为光传递函数。光学传递函数提供了系统用来实时校准自身的关键数据。
保持视线集中
     新装置的一个关键组件是一个空间光调制器，用于控制光的方向和启用远程聚焦。空间光调制器补偿光纤束上的光传递函数和图像。从光纤束反射回来的光被相机捕获，并与参考波叠加，以测量光的相位。虚拟导引星的位置决定了仪器的聚焦，最小聚焦直径约为1微米。研究人员使用了一个自适应透镜和一个二维振镜来转移焦点，并在不同的深度进行扫描。
展示3D成像
      研究小组测试了他们的设备，用它在140微米厚的覆盖层下成像一个3D样本。该设备以每秒4圈的成像速率，13步扫描400微米以上的成像平面，成功地成像了三维试样顶部和底部的颗粒。然而，因为振镜的角度增加，它的焦点开始模糊。研究人员表示，未来的工作可以解决这一限制。此外，使用具有更高帧率的振镜扫描器可以实现更快的图像采集。   
      Czarske教授说：“这种新方法能够以最小的侵入性实现实时校准和成像，这对于原位三维成像、基于芯片的实验室的机械细胞操作、体内深层组织的光遗传学和钥孔技术检查都很重要。”

图:研究人员开发了一种新的自校准内窥镜，它可以生成比单个细胞还小的物体的三维图像。