[논문 리뷰] Pixelation-free and real-time endoscopic imaging through a fiber bundle

Donggyu Kim, Jung-Ho Moon외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 30.

Optical Coherence Tomography Applications참고 문헌 20인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 기반의 웨이브플레인 센싱 및 색수차 보정을 활용하여 섬유 뭉치를 사용한 실시간, 픽셀화되지 않은 내 endoscopic 영상 시스템을 제시한다. 이 방법은 얇은 섬유 뭉치에서 발생하는 심한 광학 왜곡을 특성화하고 보정함으로써 섬유 직경 이하의 해상도를 달성하여 픽셀화 잡음 없이 고해상도 마이크로내 endoscopy를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내시경에서 얇은 영상 전달 섬유 뭉치에 의해 제한되는 해상도 문제를 극복하기 위해.
• 섬유 뭉치 영상에서离산 섬유 요소로 인한 픽셀화 잡음 현상을 제거하기 위해.
• 극도로 왜곡되고 초박공한 섬유 뭉치를 통해 실시간 고해상도 내시경 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 동적인 생체 내 환경에 적합한 웨이브플레인 센싱 및 보정 방법을 개발하기 위해.
• 실용적이고 컴팩트한 마이크로내시경 장치를 활용하여 섬유 직경 이하의 공간 해상도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 섬유 뭉치의 입력-출력 응답을 탐색하기 위해 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 전체 이진 제어로 활용한다.
• DMD의 위상 조절 기반 웨이브플레인 센싱 기법을 사용하여 섬유 뭉치에 의해 유도된 광학 왜곡을 특성화한다.
• 측정된 왜곡에 대응하여 실시간 적응형 광학 알고리즘을 적용하여 웨이브플레인 보정을 계산하고 시행한다.
• 영상 촬영 중 시간에 따라 변화하는 왜곡을 보완하기 위해 피드백 루프를 활용하여 DMD 패턴을 동적으로 조정한다.
• 실용적인 내시경 사용을 위해 DMD 기반 보정 시스템을 직접 컴팩트한 마이크로내시경 설계에 통합한다.
• 참조 광선과 간섭계 유사 측정을 활용하여 섬유 뭉치의 전송 특성에 대한 복소 웨이브플레인을 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실시간 웨이브플레인 보정을 통해 섬유 뭉치 내시경에서 발생하는 픽셀화 잡음 현상을 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ2 극도로 왜곡된 얇은 섬유 뭉치를 통해 섬유 직경 이하의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 컴act한 DMD 기반 시스템을 활용해 마이크로내시경에서 실시간 고속 색수차 보정을 구현하는 것이 가능한가?
• RQ4 내시경 적용 분야에서 기존 웨이브플레인 센서와 비교해 DMD 기반 웨이브플레인 센싱 방법은 속도와 정확도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 제안된 방법이 동적인 생체 유사 조건에서도 영상 품질을 유지를 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 섬유 뭉치를 통한 내시경 영상에서 픽셀화 잡음 현상을 성공적으로 제거하여 눈에 띄지 않는 픽셀화 없는 영상을 구현하였다.
• 공간 해상도가 뭉치에 포함된 개별 섬유의 직경보다 훨씬 높은 수준으로 향상되었다.
• 영상 프레임 속도 수준의 실시간 보정이 달성되어 지각 가능한 지연 없이 동적 영상 촬영이 가능했다.
• DMD 기반 웨이브플레인 센싱 방법은 실용적인 내시경 사용에 충분한 정확도와 속도를 제공하였다.
• 섬유 뭉치에 의해 유도된 심한 비균일한 왜곡에 대한 보정에서 뛰어난 내구성을 입증하였다.
• 극히 얇고 심한 왜곡을 겪는 섬유 뭉치를 고해상도 내시경 영상 가이드로 사용할 수 있음을 검증하였다.