[論文レビュー] Pixelation-free and real-time endoscopic imaging through a fiber bundle

Donggyu Kim, Jung-Ho Moon+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、デジタルマイクロミラー素子（DMD）を用いた波面計測と歪み補正により、リアルタイムでピクセル化のない内視鏡画像化システムを、ファイバーバンドルを用いて実現した。本手法は、細いファイバーバンドルに生じる重度の光学歪みを特徴付け、補正することで、ファイバー径未満の分解能を達成し、ピクセル化アーチファクトなしに高分解能のマイクロ内視鏡を可能にした。

ABSTRACT

Endoscopy has been an indispensible tool in medical diagnostics, and yet the demands for reduced unit diameter and enhanced spatial resolution have steadily been growing for the accurate investigation of distal sites with minimal side effects. However, the attempts to make use of thin image-guiding media accompany the degradation in spatial resolution as the micro-optics often induces aberrations. Here, we present a microendoscope that performs real-time correction of severe aberrations induced by image-guiding media such as a bundled fiber. Specifically, we developed a method exploiting the full binary control of a digital micro-mirror device (DMD) for characterizing the input-output response of image-guiding media and subsequently compensating the aberrations. As a proof-of-concept study, we completely eliminated the pixelation artifact, a severe form of aberration, in endoscopic imaging through an image fiber bundle and achieved spatial resolution much better than the diameter of an individual fiber. Our study lays a foundation of applying extremely thin, but highly aberrant image-guiding media for high-resolution microendoscopy.

研究の動機と目的

• 内視鏡における細い像伝送ファイバーバンドルが引き起こす分解能制限を克服すること。
• ファイバーバンドル画像における離散的ファイバー素子に起因するピクセル化アーチファクトを完全に除去すること。
• 高歪みを示す超薄型ファイバーバンドルを通じて、リアルタイムで高分解能の内視鏡画像を取得すること。
• 動的で生体内環境に適した波面計測および補正手法を開発すること。
• 実用的でコンactなマイクロ内視鏡装置を用いて、ファイバー径未満の空間分解能を実証すること。

提案手法

• ファイバーバンドルの入出力応答を調査するために、DMDを用いたフルバイナリ制御を実施する。
• DMD位相変調に基づく波面計測技術を用いて、ファイバーバンドルが引き起こす光学的歪みを特徴付ける。
• 測定された歪みに応じて、波面補正を計算・適用するリアルタイムの適応型オプティクスアルゴリズムを適用する。
• 時間的に変化する歪みを補償するため、DMDパターンを動的に調整するフィードバックループを採用する。
• 実用的な内視鏡用途に適した、コンactなマイクロ内視鏡設計にDMDベースの補正システムを統合する。
• 参照ビームと干渉計に類似した測定を用いて、ファイバーバンドルの透過による複素波面を再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイム波面補正を用いることで、ファイバーバンドル内視鏡におけるピクセル化アーチファクトを完全に除去できるか？
• RQ2 極めて歪みの強い細いファイバーバンドルを介して、ファイバー径未満の空間分解能を達成できるか？
• RQ3 コンパクトなDMDベースのシステムを用いて、マイクロ内視鏡でリアルタイムかつ高速な歪み補正を実装するのは可能か？
• RQ4 内視鏡用途において、DMDベースの波面計測法は従来の波面センサーよりも速度および精度に優れているか？
• RQ5 本手法は、動的で生体に類似した条件下でも画像品質を維持できるか？

主な発見

• 本システムは、ファイバーバンドルを通じた内視鏡画像においてピクセル化アーチファクトを完全に除去し、視覚的にピクセル化のない画像を実現した。
• 空間分解能が、バンドルに含まれる個々のファイバーの直径よりも顕著に向上した。
• ビデオフレームレートでリアルタイム補正が達成され、遅延が人間の感覚に及ばない動的イメージングが可能になった。
• DMDベースの波面計測法は、実用的な内視鏡用途に十分な精度と速度を備えていた。
• 本手法は、ファイバーバンドルが引き起こす重度で非一様な歪みに対しても、強力な補正能力を示した。
• 本結果は、極めて細く、著しい歪みを示すファイバーバンドルを、高分解能内視鏡画像伝送ガイドとして使用可能であることを裏付けた。