[논문 리뷰] Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope

Jiawei Sun, Jiachen Wu외 7명|Figshare|2021. 12. 22.

Digital Holography and Microscopy참고 문헌 60인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다핵섬유(MCF)를 사용하여 고해상도의 정량적 위상 영상(QPI)을 실현하는 렌즈가 없는 섬유 내 endoscope를 제시한다. 단일 원거리 스페클 무늬로부터 복소 광장의 재구성으로 인해 기계적 이동 없이 디지털 초점 조절과 3차원 부피 재구성을 실현하며, 초미세한 프로브를 통해 인간 암세포의 3차원 영상도 가능하다. 해상도는 횡방향으로 마이크로미터 이하, 축방향으로 나노스케일이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다핵섬유(MCF) 영상 기술이 진폭 영상에 국한되어 있는 한계를 극복하고, 살아있는 상태에서 정량적 위상 영상(QPI)을 가능하게 하기 위해.
• 고해상도, 레이블 프리 생물의학 영상용으로, 순수한 MCF를 사용한 초박공, 렌즈가 없는 마이크로엔도스코프를 개발하기 위해.
• 복소 광장의 계산적 재구성을 통해 기계적 이동 없이 디지털 초점 조절과 3차원 부피 재구성을 실현하기 위해.
• 교정된 위상 타겟과 하이드로젤 비드를 사용하여 위상 재구성 정확도를 검증하기 위해.
• 초박공 섬유 프로브를 통해 인간 암세포의 3차원 정량적 위상 영상 구현을 통해 임상적 응용 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 샘플에서 광원을 전달하는 영상 프로브로 순수한 다핵섬유(MCF)를 사용한다.
• 측정 측면에서 단일 스텝 원거리 스페클 무늬가 촬영되어 광장의 복소 진폭을 인코딩한다.
• 입사한 복소 광장은 위상 복원 알고리즘을 사용해 계산적으로 재구성되며, 이로 인해 디지털 초점 조절과 3차원 재구성이 가능해진다.
• 재구성 과정은 MCF의 알려진 기하학적 구조와 모드 구조를 활용하여 섬유의 핵 배열 전역에서 위상과 진폭 분포를 해석한다.
• 이 방법은 기계적 스캐닝이나 렌즈 기반 광학 장치 없이도 정량적 위상 영상을 가능하게 한다.
• 정밀한 파면 재구성 덕분에 높은 횡방향 해상도(최대 1 μm)와 나노스케일의 축방향 해상도를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계적 초점 조절 없이, 렌즈가 없는 초박공 다핵섬유 엔도스코프를 통해 정량적 위상 영상을 구현할 수 있는가?
• RQ2 단일 스텝 스페클 무늬 측정을 통해 재구성된 위상 영상의 횡방향 및 축방향 해상도는 어느 정도인가?
• RQ3 하이드로젤 비드와 암세포와 같은 생물학적 샘플의 위상을 시스템이 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 이동 부품 없이도 계산적으로 3차원 부피 위상 재구성을 수행할 수 있는가?
• RQ5 초박공 섬유를 통해 살아있는 인간 암세포를 마이크로미터 이하 해상도로 3차원으로 영상 촬영할 수 있는가?

주요 결과

• 초박공 MCF를 통해 최대 1 μm의 횡방향 해상도와 나노스케일의 축방향 해상도를 실현한 정량적 위상 영상 구현.
• 교정된 위상 타겟과 하이드로젤 비드를 사용하여 위상 재구성 정확도를 검증하여 신뢰할 수 있는 정량 측정이 가능함을 확인.
• 기계적 이동 없이도 인간 암세포의 3차원 부피 재구성이 성공적으로 구현됨.
• 단일 스텝 스페클 무늬 측정을 통해 전장 디지털 초점 조절과 위상 재구성이 가능해져 스캐닝이나 렌즈의 필요 없이 구현됨.
• 레이블 프리, 고해상도 영상 촬영이 가능하며, 향후 생체 내 임상 진단에 응용 가능성이 있음.
• 단일 원거리 측정에서 복소 광장의 계산적 재구성을 통해 강력하고 고정밀도의 위상 영상가 가능함.