Новый безлинзовый эндоскоп дает 3D-изображение субклеточных структур без традиционной оптики

Оптическое общество, Вашингтон, округ Колумбия

Исследователи разработали новый саморегулирующийся эндоскоп, создающий 3D-изображения объектов меньше одной клетки без линзы или любых оптических, электрических или механических компонентов. Кончик эндоскопа измеряет всего 200 микрон — примерно ширина нескольких человеческих волосок, скрученных вместе. Как минимально инвазивный инструмент для визуализации признаков внутри живых тканей, ультратонкий эндоскоп может открыть множество исследовательских и медицинских применений.

Исследователи разработали новый саморегулирующийся эндоскоп, создающий 3D-изображения объектов меньше одной клетки. (Кредит: Czarske, TU Dresden, Germany)

Конвенциональные эндоскопы используют камеры и свет для захвата изображений внутри тела. В последние годы исследователи разработали альтернативные способы захвата изображений через оптоволокна, устраняя необходимость в громоздких камерах и других объемных компонентах, позволяя создавать значительно более тонкие эндоскопы. Несмотря на их перспективы, эти технологии страдают ограничениями: неспособностью терпеть колебания температуры или изгиб и скручивание волокна.

Главная преграда для практического применения — необходимость сложных процессов калибровки — во многих случаях пока волокно собирает изображения. Для решения исследователи добавили тонкую стеклянную пластину толщиной всего 150 микрон к кончику когерентного пучка волокон, типа оптоволокна, обычно используемого в эндоскопии. Использованный когерентный пучок был шириной около 350 микрон и состоял из 10 000 ядер.

Когда центральное ядро волокна освещается, оно излучает луч, отражаемый обратно в пучок волокон и служащий виртуальной опорной звездой для измерения того, как свет передается. Это известно как оптическая передаточная функция, предоставляющая критические данные, которые система использует для саморегулировки на лету.

Ключевой компонент новой установки — пространственный световой модулятор, используемый для манипулирования направлением света и обеспечения удаленного фокусирования. Пространственный световой модулятор компенсирует оптическую передаточную функцию и изображения на пучке волокон. Обратно отраженный свет от пучка захватывается камерой и суперпозиционируется с референсной волной для измерения фазы света. Позиция виртуальной опорной звезды определяет фокус прибора, с минимальным диаметром фокуса около одного микрона. Исследователи использовали адаптивную линзу и 2D гальвометрическое зеркало для смещения фокуса и обеспечения сканирования на разных глубинах.

Команда протестировала устройство, визуализируя 3D-образец под стеклами толщиной 140 микрон. Сканируя плоскость изображения в 13 шагах на 400 микрон со скоростью 4 цикла в секунду, устройство успешно зафиксировало частицы в верхней и нижней части 3D-образца. Однако фокус ухудшался с увеличением угла гальвометрического зеркала. Исследователи предлагают, что будущая работа может решить это ограничение. Кроме того, использование гальвометрического сканера с более высокой частотой кадров может позволить более быстрый захват изображений.

Этот подход обеспечивает как калибровку в реальном времени, так и визуализацию с минимальной инвазивностью, важную для in-situ 3D-визуализации, манипуляции механических клеток на основе lab-on-a-chip, глубокой тканевой in vivo оптиogenетики и ключевых технических инспекций.

Для дополнительной информации свяжитесь с данным email-адресом (защищен от спам-ботов, требуется JavaScript).