[論文レビュー] Single multimode fiber for in vivo light-field encoded nano-imaging

Wen Zhong, Zhenyu Dong+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、250 µmのファイバーを介して250 nmの回折限界未満の分解能（250 nm）で生体内3次元の細胞小器官イメージングを可能にする、単一のマルチモードファイバーを用いたSTABLEナノエンドスコピーを提示する。モード混合の補償に空間周波数トラッキングを、蛍光発光差を用いたフルベクトル調制と組み合わせることで、200 mにわたる長距離伝送において1000 Hzの安定性を達成し、生体組織内でのクロススケール光場ナノイメージングを実現する。

ABSTRACT

Super-resolution microscopy normally requiring complex and cumbersome optics is not applicable for in situ imaging through a narrow channel. Here, we demonstrate single hair-thin multimode fiber (MMF) endoscope (less than 250 $μm$) for in vivo light-field nano-imaging, which is called spatial-frequency tracking adaptive beacon light-field encoded nano-endoscopy (STABLE nano-endoscopy) that enables three-dimensional (3D) subcellular-scale imaging. Spatial-frequency tracking provides up to $10^3$ Hz disorder tracking that ensures stable imaging in long-haul MMFs (up to 200 m) under various conditions. Full-vector modulation and fluorescence emission difference are combined to enhance the imaging signal-to-noise ratio two times and to improve the resolution to sub-diffraction-limited 250 nm ($λ/3NA$). STABLE nano-endoscopy and white-light endoscopy (WLE) are integrated to achieve cross-scale in vivo imaging inside the lumen. This high-resolution and robust observation in a minimally invasive manner paves the way to gain a deeper understanding of the disease mechanisms and to bridge clinical and biological sciences.

研究の動機と目的

• 狭い生体内環境において従来のスーパーエンハンスド解像度顕微鏡の限界を克服すること。
• 250 µm未満の髪の毛ほどの細さの単一マルチモードファイバーを介した高解像度3次元生体内イメージングを実現すること。
• 生物学的動的環境下でも長距離伝送（最大200 m）に耐えうる耐障害性の高いイメージングシステムを開発すること。
• 光場符号化ナノイメージングとホワイトライトエンドスコピーを統合し、クロススケールの生体内可視化を可能とすること。

提案手法

• マルチモードファイバー内のモード混合を動的に補償するため、空間周波数トラッキングが用いられ、最大1000 Hzのリアルタイム安定化が可能となる。
• 励起光のフルベクトル調制を用いることで、信号対雑音比を向上させ、回折限界を超える解像度を実現する。
• 蛍光発光差と光場符号化を組み合わせることで、バックグラウンド雑音をさらに低減し、コントラストを向上させる。
• STABLEナノエンドスコピーとホワイトライトエンドスコピー（WLE）を統合したハイブリッドイメージングシステムにより、同時にマクロスケールおよびナノスケールの可視化が可能となる。
• システムは単一のマルチモードファイバーを送信および受信の両方のパスとして使用し、侵襲を最小限に抑える。
• 適応型ビーコンフィードバックを用いて、長距離イメージング中の動的環境変動を追跡・補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いモード混合と環境変動が生じる中でも、単一のマルチモードファイバーが安定した高解像度3次元生体内ナノイメージングを可能にするか。
• RQ2 空間周波数トラッキングは、長大なマルチモードファイバー内でのモード混合に対して、どのようにリアルタイムで高帯域幅の補償を達成できるか。
• RQ3 フルベクトル調制と蛍光発光差を組み合わせることで、ファイバー搭載エンドスコピーにおいて、信号対雑音比と解像度をどの程度向上できるか。
• RQ4 STABLEナノエンドスコピーはホワイトライトエンドスコピーと統合可能であり、生体組織内でのクロススケール生体内イメージングを実現できるか。
• RQ5 最小侵襲的で単一ファイバーのエンドスコーププラットフォームにおいて、生体応用の分野で達成可能な解像度とフレームレートはどの程度か。

主な発見

• システムは、単一の250 µmマルチモードファイバーを介した生体内3次元イメージングにおいて、回折限界未満の250 nmの分解能（λ/(3NA)に相当）を達成した。
• 空間周波数トラッキングにより、最大1000 Hzのリアルタイムモード混合補償が可能となり、200 mのマルチモードファイバーを介した安定イメージングが確保された。
• フルベクトル調制と蛍光発光差の組み合わせにより、信号対雑音比が2倍向上した。
• STABLEナノエンドスコピーとホワイトライトエンドスコピー（WLE）の統合により、同時にマクロスケールおよびナノスケールのイメージングが可能となった。
• 生体組織内での高安定性・高解像度イメージングが実証され、プラットフォームの耐障害性と臨床的応用可能性が裏付けられた。
• 本手法は2023年にNature Photonicsに掲載され、DOIは10.1038/s41566-023-01240-xである。