[论文解读] Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope

Jiawei Sun, Jiachen Wu+7 more|Figshare|Dec 22, 2021

Digital Holography and Microscopy参考文献 60被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于多芯光纤（MCF）的无透镜光纤内窥镜，实现亚微米横向分辨率和纳米级轴向分辨率的定量相位成像（QPI）。通过从单一远场斑点图案中重建复振幅光场，系统在无需机械运动的情况下实现数字对焦和三维体积分辨，成功实现了通过超细探针对人癌细胞的三维成像。

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.

研究动机与目标

• 为克服现有多芯光纤（MCF）成像技术仅限于振幅成像的局限，实现在体内的定量相位成像（QPI）。
• 开发一种基于裸露MCF的超细无透镜内窥镜，实现高分辨率、无标记的生物医学成像。
• 通过复振幅光场的计算重建，实现无需机械运动的数字对焦和三维体积分辨。
• 利用校准相位靶和水凝胶微球验证相位重建的准确性。
• 通过超细光纤探针实现人癌细胞的三维定量相位成像，展示潜在的临床应用价值。

提出的方法

• 系统使用裸露多芯光纤（MCF）作为成像探针，将样品的光传输至探测端。
• 在探测端捕获单次曝光的远场斑点图案，编码了光场的复振幅信息。
• 通过相位恢复算法计算重建入射复振幅光场，实现数字对焦和三维重建。
• 重建过程利用MCF已知的几何结构和模式分布，求解光纤纤芯阵列上的相位与振幅分布。
• 该方法无需任何机械扫描或基于透镜的光学元件，即可实现定量相位成像。
• 通过精确的波前重建，系统实现了高达1 μm的横向分辨率和纳米级轴向分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过无透镜、超细多芯光纤内窥镜实现定量相位成像，且无需机械对焦？
• RQ2 利用单次曝光斑点图案测量，重建相位图像的横向和轴向分辨率能达到多高？
• RQ3 该系统对水凝胶微球和癌细胞等生物样品的相位重建精度如何？
• RQ4 是否能够通过计算实现无活动部件的三维体积分辨相位重建？
• RQ5 该系统能否通过超细光纤对活体人癌细胞实现三维亚微米分辨率成像？

主要发现

• 系统通过超细MCF实现了高达1 μm的横向分辨率和纳米级轴向分辨率的定量相位成像。
• 利用校准相位靶和水凝胶微球验证了相位重建的准确性，证实了测量结果的可靠性。
• 成功实现了无需机械运动的人癌细胞三维体积分辨，通过光纤内窥镜完成。
• 单次曝光斑点图案实现了全视场数字对焦和相位重建，消除了对扫描或透镜的需求。
• 该方法实现了活细胞的无标记、高分辨率成像，具有潜在的体内临床诊断应用价值。
• 通过单次远场测量计算重建复振幅光场，实现了鲁棒且高保真度的相位成像。