Экспериментальная установка ультратонкого голографического эндомикроскопа.
(а) Выходной пучок лазера делится на пробный и эталонный лучи. Пучок образца доставляется к образцу через жгут волокон. Сигнал обратного рассеяния от образца, обозначенный для ясности желтым цветом, несмотря на то, что его длина волны идентична падающей волне, захватывается пучком волокон и передается в камеру. Опорный луч создает интерферограмму вместе с сигнальным лучом на камере.
(б) Принцип формирования изображения. Угловой спектр образца получают в условиях Френеля путем разделения расстояния между объектом и оптическим волокном.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

Если вы привыкли проходить регулярные медицинские осмотры, возможно, вы знакомы с эндоскопами. Эндоскоп представляет собой устройство визуализации, состоящее из камеры и световода, прикрепленного к длинной гибкой трубке. Это особенно полезно для получения изображений внутренней части человеческого тела. Например, эндоскопия желудка и толстой кишки широко используется для раннего выявления и диагностики таких заболеваний, как язвы и рак.

Как правило, эндоскоп изготавливается путем прикрепления датчика камеры к концу зонда или с использованием оптического волокна, что позволяет передавать информацию с помощью света. В случае эндоскопа, в котором используется сенсор-камера, толщина зонда увеличивается, что делает эндоскопию достаточно инвазивной. В случае эндоскопа с волоконно-оптическим жгутом он может быть изготовлен в более тонком форм-факторе, что сводит к минимуму инвазивность и приводит к гораздо меньшему дискомфорту для пациентов.

Однако недостатком является то, что в обычном эндоскопе с пучком волокон трудно выполнить визуализацию с высоким разрешением , поскольку разрешение получаемого изображения ограничено размером отдельных сердцевин волокна. Большая часть информации об изображении также теряется из-за отражения от наконечника зонда. Кроме того, в волоконной эндоскопии часто необходимо пометить цель с помощью флуоресценции, особенно в биологических образцах с низкой отражательной способностью, из-за сильного обратного отражения, создаваемого кончиком тонкого зонда.

Эндомикроскопическая визуализация через узкий и изогнутый проход и возможность трехмерной визуализации.
(а) и (б) показывают вид спереди и сверху экспериментальной конфигурации соответственно.
(c) и (d) показывают обычное эндоскопическое изображение и реконструированное изображение с помощью недавно разработанного эндоскопа соответственно. Шкала баров: 20 мкм.
(e) показывает эндоскопическую визуализацию сложенных мишеней. Две мишени с разрешением были помещены на две разные глубины, 1 и . Рядом со схемой показаны наземные изображения целей на глубинах 1 и 2, сделанные с помощью обычного светлопольного микроскопа.
(f) и (g) отображают эндоскопические изображения для глубин 1 и 2, соответственно, реконструированные с использованием записи одной матрицы отражения.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

Недавно исследовательская группа под руководством Чой Воншика, заместителя директора Центра молекулярной спектроскопии и динамики (CMSD) Института фундаментальных наук (IBS), разработала голографическую эндоскопическую систему высокого разрешения. Исследователи смогли преодолеть прежнее ограничение волоконно-оптической эндоскопии и смогли реконструировать изображения с высоким разрешением, не прикрепляя линзу или какое-либо оборудование к дистальному концу пучка волокон.

Этот подвиг был достигнут путем измерения голографических изображений световых волн, которые отражаются от объекта и захватываются пучком волокон. Сначала исследователи осветили объект, сфокусировав свет на одной сердцевине пучка волокон, и измерили голографические изображения, отраженные от объекта на определенном расстоянии от оптического волокна. В процессе анализа голографических изображений удалось восстановить изображение объекта с микроскопическим разрешением путем коррекции фазовой задержки, возникающей у каждой сердцевины волокна. В частности, был разработан уникальный алгоритм когерентной оптимизации изображения для устранения фазовых задержек, вызванных волокном, как в трактах освещения, так и в путях обнаружения, а также для восстановления изображения объекта с микроскопическим разрешением.

Поскольку разработанный эндоскоп не прикрепляет к концу оптического волокна какое-либо оборудование, диаметр зонда эндоскопа составляет 350 мкм, что тоньше иглы, используемой для подкожных инъекций. Используя этот подход, исследователи смогли получить изображения высокого разрешения с пространственным разрешением 850 нм, что намного меньше, чем размер сердцевины жгута оптического волокна.

Микроскопическое изображение ворсинок в кишечнике крысы.
(а) показано изображение обычного отражательного эндоскопа, полученное, когда пучок волокон находился в контакте с ворсинками.
(b) показывает изображение передачи, полученное через пучок волокон. Светодиодное освещение направлялось от ворсинок к пучку волокон.
(c)-(f) отображают изображения отражения без меток, полученные с помощью недавно разработанного голографического эндоскопа.
(g) показано реконструированное изображение двух ворсинок путем сшивания нескольких изображений, сделанных в широкой интересующей области. Для получения изображения использовался пучок волокон диаметром 350 мкм. Масштабная линейка: 100 мкм.
Предоставлено: Институт фундаментальных наук.

Исследователи продолжили тестировать новую систему голографической эндоскопии Фурье для визуализации структуры ворсинок мышей. Было возможно получить высококонтрастное изображение путем эффективного устранения шума обратного отражения зонда даже в биологических образцах с очень низкой отражательной способностью, таких как ворсинки крысы. Кроме того, постобработка измеренной голографической информации позволила реконструировать разноглубинные 3D-изображения из единого набора данных с разрешением по глубине 14 мкм.

Считается, что практическое применение этого нового эндоскопа значительно улучшит то, как мы можем визуализировать внутренние структуры нашего тела минимально инвазивным способом, почти без дискомфорта для пациентов. Это также откроет возможность прямого наблюдения за такими маленькими полостями, как микрососуды и мельчайшие дыхательные пути в легких, что было невозможно при существовавших ранее технологиях. Исследователи даже предположили, что применение их нового эндоскопа может выйти далеко за рамки медицины, поскольку потенциально он может быть полезен для промышленных проверок полупроводников и микропроцессоров.

Исследование было опубликовано в Nature Communications.