[논문 리뷰] Single multimode fiber for in vivo light-field encoded nano-imaging

Wen Zhong, Zhenyu Dong외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 07.

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 250 µm 섬유를 통해 3D 세포소기관 수준의 해상도(250 nm)로 생체 내에서의 초해상도 영상 촬영이 가능한 단일 다모드 섬유 내시경인 STABLE 나노내시경을 제시한다. 모드 혼잡을 보완하기 위해 공간 주파수 추적 기술과 형광 방출 차이를 결합한 전자기 벡터 조절 방식을 통해 200 m 거리에서도 1000 Hz의 영상 안정성을 확보하여 생체 조직 내에서 다스케일 빛장 나노영상을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 좁은 생체 내 환경에서 기존 초해상도 현미경의 한계를 극복하기 위해.
• 단일 모자란 다모드 섬유(250 µm 이하)를 통해 고해상도 3차원 생체 내 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 생물학적으로 동적인 환경에서 장거리 전송(최대 200 m)에 견딜 수 있는 내구성 있는 영상 시스템을 개발하기 위해.
• 빛장 인코딩 나노영상과 백색광 내시경을 융합하여 생체 내에서 다스케일 영상 시각화를 실현하기 위해.

제안 방법

• 다모드 섬유 내에서 발생하는 모드 혼잡을 실시간으로 보완하기 위해 공간 주파수 추적 기술을 적용하여 최대 1000 Hz에서의 영상 안정화를 구현한다.
• 자기 조절 가능한 전자기 벡터 조절 방식을 통해 자극 빛을 조절하여 신호 대 잡음비를 향상시키고 회절 한계를 초월한 해상도 향상을 달성한다.
• 형광 방출 차이와 빛장 인코딩을 융합하여 배경 잡음을 추가로 억제하고 대trast를 향상시킨다.
• STABLE 나노내시경과 백색광 내시경(WLE)을 융합한 하이브리드 영상 시스템을 구축하여 동시에 거시적 및 나노스케일 영상 시각화를 가능하게 한다.
• 단일 다모드 섬유를 통해 자극 빛 전달 및 신호 수거를 동시에 수행하여 침습성을 최소화한다.
• 장거리 영상 촬영 중 발생하는 동적 환경 변화를 추적하고 보정하기 위해 적응형 비콘 피드백 기술을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 모드 혼잡과 환경 변화에도 불구하고 단일 다모드 섬유가 안정적이고 고해상도의 3차원 생체 내 나노영상 촬영을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 공간 주파수 추적 기술이 장거리 다모드 섬유에서 모드 혼잡을 실시간으로 고주파 대역에서 보정할 수 있는가?
• RQ3 전체 전자기 벡터 조절과 형광 방출 차이 기술이 섬유 기반 내시경에서 신호 대 잡음비와 해상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 STABLE 나노내시경이 백색광 내시경과 융합되어 생체 조직 내에서 다스케일 생체 내 영상 촬영이 가능한가?
• RQ5 최소 침습적 단일 섬유 내시경 플랫폼에서 생체 적용을 위한 가능한 해상도와 프레임 레이트는 얼마인가?

주요 결과

• 단일 250 µm 다모드 섬유를 통해 생체 내 3차원 영상 촬영에서 회절 한계를 초월하는 해상도 250 nm(λ/(3NA)에 해당)를 달성한다.
• 공간 주파수 추적 기술을 통해 최대 1000 Hz에서 실시간 모드 혼잡 보정이 가능하여 200 m 길이의 다모드 섬유에서도 안정적인 영상 촬영을 보장한다.
• 전체 전자기 벡터 조절과 형광 방출 차이 기술의 조합으로 신호 대 잡음비를 2배 향상시킨다.
• STABLE 나노내시경과 백색광 내시경(WLE)의 융합을 통해 동시에 거시적 및 나노스케일 영상 시각화가 가능한 다스케일 영상 촬영을 실현한다.
• 높은 안정성과 해상도를 확보한 채 생체 조직에서의 생체 내 영상 촬영이 성공적으로 구현되어 플랫폼의 내구성과 임상 잠재력이 검증된다.
• 이 연구는 2023년 Nature Photonics에 게재되었으며, DOI는 10.1038/s41566-023-01240-x이다.