[論文レビュー] Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope

Jiawei Sun, Jiachen Wu+7 more|Figshare|Dec 22, 2021

Digital Holography and Microscopy参考文献 60被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、マルチコアファイバ（MCF）を用いたレンズレス繊維内視鏡を提案し、横方向分解能がマイクロメートル未塔、軸方向分解能がナノスケールの定量的位相イメージング（QPI）を実現する。1つの遠方フィールドスプライクパターンから複素光場を再構成することで、機械的移動を伴わずデジタルフォーカスおよび3次元ボリューム再構成を達成し、超薄型プローブを通じてヒトがん細胞の3次元イメージングを実証した。

ABSTRACT

Quantitative phase imaging (QPI) is a label-free technique providing both morphology and quantitative biophysical information in biomedicine. However, applying such a powerful technique to in vivo pathological diagnosis remains challenging. Multi-core fiber bundles (MCFs) enable ultra-thin probes for in vivo imaging, but current MCF imaging techniques are limited to amplitude imaging modalities. We demonstrate a computational lensless microendoscope that uses an ultra-thin bare MCF to perform quantitative phase imaging of biomedical samples with up to 1 {\\mu}m lateral resolution and nanoscale axial resolution. The incident complex light field at the measurement side is precisely reconstructed from a single-shot far-field speckle pattern at the detection side, enabling digital focusing and 3D volumetric reconstruction without any mechanical movement. The accuracy of the quantitative phase reconstruction is validated by imaging the phase target and hydrogel beads through the MCF. With the proposed imaging modality, 3D imaging of human cancer cells is achieved through the ultra-thin fiber endoscope, promising widespread clinical applications.

研究の動機と目的

• 既存のマルチコアファイバ（MCF）イメージング技術が振幅イメージングに限定されているという制限を克服し、生体内で定量的位相イメージング（QPI）を可能にする。
• 裸のMCFを用いた超薄型でレンズレスのマイクロエンドスコープを開発し、高分解能でラベルフリーの生体医療イメージングを実現する。
• 複素光場の計算再構成により、機械的移動を伴わずデジタルフォーカスおよび3次元ボリューム再構成を達成する。
• 校正済みの位相ターゲットおよびヘキサメラミドビーズを用いて位相再構成の正確性を検証する。
• 超薄型ファイバープローブを通じてヒトがん細胞の3次元定量的位相イメージングを実現し、臨床応用の可能性を示す。

提案手法

• システムは、サンプルから検出側へ光を伝送するための裸のマルチコアファイバ（MCF）をイメージングプローブとして使用する。
• 検出側で1ショットの遠方フィールドスプライクパターンが撮影され、光場の複素振幅がエンコードされる。
• 入射する複素光場は位相再構成アルゴリズムを用いて計算的に再構成され、デジタルフォーカスおよび3次元再構成が可能になる。
• 再構成プロセスでは、MCFの既知の幾何学的構造およびモード構造を活用して、ファイバーアレイ全体の位相および振幅分布を解明する。
• 本手法により、いかなる機械的走査やレンズを用いた光学系を必要とせず、定量的位相イメージングが可能になる。
• 正確な波面再構成により、高分解能の横方向分解能（最大1 μm）およびナノスケールの軸方向分解能を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的フォーカスを伴わず、レンズレスで超薄型マルチコアファイバーエンドスコープを用いて定量的位相イメージングを達成できるか？
• RQ2 1ショットのスプライクパターン測定を用いた場合、再構成された位相画像の横方向および軸方向分解能はどの程度達成できるか？
• RQ3 ヒドロゲルビーズやがん細胞などの生物学的サンプルの位相を、このシステムはどの程度正確に再構成できるか？
• RQ4 可動部を一切用いずに、計算によって3次元ボリューム位相再構成が行えるか？
• RQ5 超薄型ファイバーを通じて、生きたヒトがん細胞をマイクロメートル未塔分解能で3次元的にイメージングできるか？

主な発見

• 超薄型MCFを通じて、最大1 μmの横方向分解能およびナノスケールの軸方向分解能を達成した定量的位相イメージングを実現した。
• 校正済みの位相ターゲットおよびヒドロゲルビーズを用いた検証により、位相再構成の正確性が確認され、信頼性の高い定量的測定が可能であることが示された。
• 機械的移動を伴わず、ファイバーエンドスコープを通じてヒトがん細胞の3次元ボリューム再構成が成功裏に実証された。
• 1ショットのスプライクパターンにより、フルフィールドのデジタルフォーカスおよび位相再構成が可能になり、走査やレンズの必要がなくなった。
• ラベルフリーで高分解能の生きた細胞イメージングが可能となり、生体内臨床診断への応用が期待される。
• 1つの遠方フィールド測定からの複素光場の計算再構成により、強固で高精度な位相イメージングが実現した。