[论文解读] Pixelation-free and real-time endoscopic imaging through a fiber bundle

Donggyu Kim, Jung-Ho Moon+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2013

Optical Coherence Tomography Applications参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于光纤束的实时、无像素化的内窥成像系统，通过基于数字微镜器件（DMD）的波前传感与像差校正技术，实现了对细光纤束中严重光学畸变的表征与补偿，达到亚纤维直径分辨率，从而在无像素化伪影的情况下实现高分辨率内窥显微成像。

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.

研究动机与目标

• 解决内窥镜中细成像导光光纤束带来的分辨率限制问题。
• 消除光纤束成像中由离散光纤元件引起的像素化伪影。
• 通过高度像差化、超细的光纤束实现实时、高分辨率内窥成像。
• 开发适用于动态、在体内窥镜环境的波前传感与校正方法。
• 通过实用、紧凑的微型内窥镜系统实现亚纤维直径空间分辨率。

提出的方法

• 利用数字微镜器件（DMD）实现全二值控制，以探测光纤束的输入-输出响应。
• 采用基于DMD相位调制的波前传感技术，表征光纤束引入的光学像差。
• 应用实时自适应光学算法，计算并应用波前校正以响应测量到的像差。
• 使用反馈回路动态调整DMD图案，以补偿成像过程中随时间变化的畸变。
• 将基于DMD的校正系统直接集成到紧凑型微型内窥镜设计中，实现实际内窥镜应用。
• 采用参考光束与类似干涉的测量方法，重建光纤束传输的复振幅波前。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过实时波前校正完全消除光纤束内窥成像中的像素化伪影？
• RQ2 能否通过高度像差化、细小的光纤束实现亚纤维直径空间分辨率？
• RQ3 能否在微型内窥镜中实现基于紧凑型DMD系统的实时、高速像差校正？
• RQ4 与传统波前传感器相比，基于DMD的波前传感方法在内窥镜应用中的速度与精度如何？
• RQ5 所提出的方法在动态、在体类似条件下能否保持图像质量？

主要发现

• 该系统成功消除了通过光纤束进行内窥成像中的像素化伪影，实现了视觉上无像素化的图像。
• 空间分辨率显著优于光纤束中单根光纤的直径。
• 实现实时校正，帧率可达视频速率，实现动态成像且无明显延迟。
• 基于DMD的波前传感方法在精度与速度方面均满足实际内窥镜应用需求。
• 该方法在补偿光纤束引起的严重、非均匀像差方面表现出强健性。
• 结果验证了使用极细、高度像差化的光纤束作为高分辨率内窥成像导管的可行性。