[논문 리뷰] Fourier holographic endoscopy for label-free imaging through a narrow and curved passage

Wonjun Choi, Munkyu Kang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 22.

Optical Coherence Tomography Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 좁고 굽은 통로를 통해 레이블 프리, 3차원 영상 촬영을 위한 푸리에 허니그래피를 이용한 유연하고 초박두 섬유 내 endoscope를 제시한다. 200-µm 지름의 노출된 섬유 뭉치와 校정-free 알고리즘을 활용하여 반사 모드에서 0.87-µm 해상도를 달성하여 기존 내 endoscope가 볼 수 없는 불염색된 쥐 장기 조직의 고해상도 영상 촬영이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 및 산업적 적용 분야에서 레이블 프리 영상 촬영이 가능한 유연하고 초박두 내 endoscope를 개발하는 것.
• 고정된 형광 기반 내 endoscope의 한계를 극복하여 염색 없이 반사 영상 촬영이 가능한 것.
• 섬유 프로브의 사전 교정이 필요 없도록 하여 굽은 및 좁은 통로에서도 작동 가능하게 하는 것.
• 렌즈 기반 광학 장치 없이도 최소 침습적 구성에서 고공간 해상도를 달성하는 것.
• 기존 내 endoscope가 볼 수 없는 불염색된 생체 조직의 실용적 영상 촬영을 보여주는 것.

제안 방법

• 렌즈나 복잡한 광학 장치가 필요 없도록 200-µm 지름의 노출된 섬유 뭉치를 영상 프로브로 사용한다.
• 약한 조직 반사광을 선택적으로 탐지하기 위해 푸리에 허니그래픽 구성 방식을 적용하여 반사 영상에서 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
• 허니그래픽 영상 복원을 위한 새로운 교정이 없는 알고리즘을 개발하여 섬유 굽힘이나 외부 요인에도 영향을 받지 않는 안정적인 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 섬유 출력면에서 캡처한 간섭 무늬에서 디지털 허니그래피 기법을 적용하여 3차원 영상을 복원한다.
• 표본을 조명하기 위해 일관된 빛 원천을 사용하고, 섬유 출력 평면에서 기준파와 표본파의 간섭 무늬를 기록한다.
• 섬유의 사전 특성 분석 없이도 표본 장의 복소 진폭을 복원하기 위해 위상 복원 및 역산산산 알고리즘을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연하고 초박두 섬유 내 endoscope가 사전 교정 없이도 고해상도 레이블 프리 영상 촬영이 가능한가?
• RQ2 푸리에 허니그래피가 굽은 좁은 통로를 통과할 때 약한 조직 반사광을 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ3 렌즈 기반 광학 장치나 교정 없이도 노출된 섬유 뭉치에서 고 fidelity 3차원 영상을 복원할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법이 기존 내 endoscope가 볼 수 없는 불염색된 생체 조직을 영상 촬영할 수 있는가?
• RQ5 교정이 없는 알고리즘이 다양한 섬유 굽힘 조건에서 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 내 endoscope는 공간 해상도 0.87 µm를 달성하여 불염색된 생체 조직의 세부 구조를 명확히 시각화할 수 있다.
• 시스템은 기존 내 endoscope가 감지할 수 없는 불염색된 쥐 장기 조직을 반사 모드에서 성공적으로 영상 촬영하였다.
• 교정이 없는 알고리즘은 섬유가 굽어져 있어도 안정적인 영상 복원을 가능하게 하여, 구부러진 구성에서도 영상 품질을 유지한다.
• 200-µm 지름의 노출된 섬유 뭉치를 사용함으로써 좁고 굽은 해부학적 통로에 최소 침습적으로 접근할 수 있다.
• 푸리에 허니그래픽 구성은 약한 조직 반사광을 효과적으로 향상시켜 고대비 레이블 프리 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 이 방법은 렌즈 기반 광학 장치나 사전 교정 없이도 단일의 구부러짐 가능한 섬유 뭉치를 통해 3차원 영상 촬영 기능을 구현한다.