[論文レビュー] Fourier holographic endoscopy for label-free imaging through a narrow and curved passage

Wonjun Choi, Munkyu Kang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2020

Optical Coherence Tomography Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、狭く湾曲した通路を通過してラベルフリーで3次元イメージングを実現するための、柔軟で超薄型の繊維内視鏡を、フーリエホログラフィーを用いて提案する。200-µm径の裸の繊維束とキャリブレーション不要なアルゴリズムを活用することで、反射モードで0.87-µmの分解能を達成し、従来の内視鏡では見えない未染色のラット腸管組織の高精細イメージングを可能にする。

ABSTRACT

Ultrathin lensless fibre endoscopes offer minimally invasive investigation, but they mostly operate as a rigid type due to the need for prior calibration of a fibre probe. Furthermore, most implementations work in fluorescence mode rather than label-free imaging mode, making them unsuitable for medicine and industry. Herein, we report a fully flexible ultrathin fibre endoscope taking 3D holographic images of unstained tissues with 0.87-{\\mu}m spatial resolution. Using a bare fibre bundle as thin as 200-{\\mu}m diameter, we design a lensless Fourier holographic imaging configuration to selectively detect weak reflections from biological tissues, a critical step for stain-free reflectance imaging. A unique algorithm is developed for calibration-free holographic image reconstruction, allowing us to image through a narrow and curved passage regardless of fibre bending. We demonstrate endoscopic reflectance imaging of unstained rat intestine tissues that are completely invisible to conventional endoscopes. The proposed endoscope will expedite more accurate and earlier diagnosis than before with minimal complications.

研究の動機と目的

• 生物学的および産業的応用におけるラベルフリーイメージングが可能な柔軟で超薄型の内視鏡の開発を目的とする。
• 剛性で蛍光ベースの内視鏡の限界を克服し、染色を要しない反射イメージングを可能とする。
• 繊維プローブの事前キャリブレーションを不要にすることで、湾曲・狭い通路を通過する運用を可能とする。
• レンズを用いない構成で、最小侵襲的形状において高い空間分解能を達成する。
• 従来の内視鏡では見えない未染色の生物学的組織の実用的イメージングを示す。

提案手法

• レンズや複雑な光学系を不要とする200-µm径の裸の繊維束をイメージングプローブとして使用する。
• 弱い組織反射を効果的に検出できるフーリエホログラフィー構成を採用し、反射イメージングにおける信号対雑音比を向上させる。
• ホログラフィック画像再構成のための新規なキャリブレーション不要アルゴリズムを開発し、繊維の曲げに対しても頑健なイメージングを実現する。
• デジタルホログラフィー技術を応用し、繊維出力面上で捉えた干渉縞から3次元画像を再構成する。
• コherentな光源を用いてサンプルを照射し、繊維出力面での基準波とサンプル波の干渉縞を記録する。
• 繊維の事前特徴化を要せず、位相回復および逆散乱アルゴリズムを適用して、サンプル場の複素振幅を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 柔軟で超薄型の繊維内視鏡は、事前キャリブレーションなしに高分解能のラベルフリーイメージングを達成できるか？
• RQ2 フーリエホログラフィーは、湾曲・狭い通路を通る反射モードで弱い組織反射を効果的に検出可能か？
• RQ3 レンズを用いない光学系およびキャリブレーションなしで、裸の繊維束から高精細な3次元画像を再構成できるか？
• RQ4 提案手法により、従来の内視鏡では見えない未染色の生物学的組織をイメージングできるか？
• RQ5 繊維の曲げ状態が変化しても、キャリブレーション不要なアルゴリズムの性能は維持されるか？

主な発見

• 内視鏡は空間分解能0.87 µmを達成し、未染色の生物学的組織の詳細な可視化を可能にする。
• システムは、従来の内視鏡では検出不能な未染色のラット腸管組織を反射モードで正常にイメージングした。
• キャリブレーション不要なアルゴリズムにより、繊維が曲げられても安定した画像再構成が可能で、柔軟構成下でも画像品質を維持する。
• 200-µm径の裸の繊維束の使用により、狭く湾曲した解剖学的通路への最小侵襲的アクセスが可能になる。
• フーリエホログラフィック構成により、弱い組織反射が効果的に強調され、高コントラストのラベルフリーイメージングが実現する。
• 本手法は、レンズを用いない光学系および事前キャリブレーションなしで、1本の柔軟な繊維束から3次元イメージングを実現する。