[论文解读] Fourier holographic endoscopy for label-free imaging through a narrow and curved passage

Wonjun Choi, Munkyu Kang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2020

Optical Coherence Tomography Applications被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于傅里叶全息术的柔性超薄光纤内窥镜，可在狭窄弯曲通道中实现无标记、三维成像。通过利用直径200-µm的裸光纤束和免标定算法，该系统在反射模式下实现了0.87-µm的分辨率，能够对常规内窥镜无法探测的未染色大鼠肠道组织实现高保真成像。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于生物和工业应用的柔性、超薄内窥镜，实现无标记成像。
• 通过实现无需染色的反射成像，克服刚性荧光基内窥镜的局限性。
• 消除对光纤探针预先标定的需求，使其能够在弯曲和狭窄通道中工作。
• 利用裸光纤束在微创配置下实现高空间分辨率。
• 展示对常规内窥镜无法探测的未染色生物组织的实际成像。

提出的方法

• 使用直径200-µm的裸光纤束作为成像探针，无需透镜或复杂光学元件。
• 采用傅里叶全息构型，选择性检测微弱的组织反射信号，提升反射成像中的信噪比。
• 开发一种新型免标定算法用于全息图像重建，即使在光纤弯曲情况下也能实现稳定成像。
• 应用数字全息技术，从光纤输出端面捕捉的干涉图样中重建三维图像。
• 使用相干光源照射样品，并在光纤输出平面记录参考光波与样品光波之间的干涉图样。
• 应用相位恢复和逆散射算法，在无需预先表征光纤特性的情况下恢复样品光场的复振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 柔性、超薄光纤内窥镜是否能在无需预先标定的情况下实现高分辨率无标记成像？
• RQ2 傅里叶全息术是否能有效检测通过弯曲狭窄通道时的微弱组织反射信号？
• RQ3 是否可能在不使用透镜光学系统或标定的情况下，从裸光纤束中重建出高保真度的三维图像？
• RQ4 所提出的方法能否成像常规内窥镜无法探测的未染色生物组织？
• RQ5 免标定算法在不同光纤弯曲条件下性能表现如何？

主要发现

• 内窥镜实现了0.87 µm的空间分辨率，可实现对未染色生物组织的细节可视化。
• 系统成功在反射模式下对未染色大鼠肠道组织进行了成像，这些组织在常规内窥镜下不可见。
• 免标定算法在光纤弯曲时仍能实现稳定图像重建，保持柔性配置下的图像质量。
• 使用直径200-µm的裸光纤束可实现对狭窄弯曲解剖通道的微创访问。
• 傅里叶全息构型有效增强了微弱的组织反射信号，实现高对比度的无标记成像。
• 该方法展示了通过单根柔性光纤束实现三维成像的能力，无需透镜光学系统或预先标定。