[论文解读] Single multimode fiber for in vivo light-field encoded nano-imaging

Wen Zhong, Zhenyu Dong+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2022

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用 4

一句话总结

该论文提出STABLE纳米内窥镜，一种单个多模光纤内窥镜，可在250 µm光纤中实现250 nm的亚衍射极限分辨率，实现活体三维亚细胞成像。通过结合空间频率跟踪以补偿无序效应，以及利用荧光发射差分法进行全矢量调制，该系统在长达200 m的距离上实现了1000 Hz的成像稳定性，从而实现了活体组织中的跨尺度光场纳米成像。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统超分辨率显微镜在狭窄、活体环境中的局限性。
• 实现在单根细如发丝的多模光纤（小于250 µm）中高分辨率、三维活体成像。
• 开发一种能够在生物动态环境中实现长距离传输（长达200 m）的鲁棒成像系统。
• 将光场编码纳米成像与白光内窥镜相结合，实现活体组织中的跨尺度可视化。

提出的方法

• 采用空间频率跟踪技术，动态补偿多模光纤中的模式无序，实现实时稳定，最高达1000 Hz。
• 使用激发光的全矢量调制以提高信噪比，并实现超越衍射极限的分辨率。
• 将荧光发射差分法与光场编码相结合，进一步抑制背景噪声并增强对比度。
• 采用混合成像系统，将STABLE纳米内窥镜与白光内窥镜（WLE）集成，实现宏观与纳米尺度的同步可视化。
• 系统使用单个多模光纤作为光传输与收集路径，最大限度降低侵入性。
• 采用自适应信标反馈技术，实时追踪并校正长距离成像过程中的动态环境扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个多模光纤是否能够在强模式混合和环境波动下，实现稳定、高分辨率的三维活体纳米成像？
• RQ2 空间频率跟踪如何实现在长距离多模光纤中模式无序的实时、高带宽补偿？
• RQ3 全矢量调制与荧光发射差分法在光纤内窥镜中能在多大程度上提升信噪比与分辨率？
• RQ4 STABLE纳米内窥镜是否可与白光内窥镜集成，实现活体组织中跨尺度的活体成像？
• RQ5 在微创、单光纤内窥镜平台中，活体应用的可实现分辨率与帧率是多少？

主要发现

• 该系统在通过单根250 µm多模光纤进行活体三维成像时，实现了250 nm的亚衍射极限分辨率，对应λ/(3NA)。
• 空间频率跟踪技术实现了最高达1000 Hz的实时无序补偿，确保在200 m长多模光纤中成像稳定。
• 全矢量调制与荧光发射差分法的结合使信噪比提高了两倍。
• 通过将STABLE纳米内窥镜与白光内窥镜（WLE）集成，实现了跨尺度成像，实现宏观与纳米尺度的同步可视化。
• 在活体组织中实现了高稳定性与高分辨率的成像，验证了该平台的鲁棒性与临床潜力。
• 该方法发表于《自然光子学》（Nature Photonics，2023年），DOI为10.1038/s41566-023-01240-x。