Forskare har utvecklat ett nytt självkalibrerande endoskop som producerar 3D-bilder av föremål som är mindre än en enda cell. Utan objektiv eller något optiskt, elektriska eller mekaniska komponenter, spetsen på endoskopet mäter bara 200 mikron tvärs över, om bredden på några mänskliga hårstrån vridna ihop.

Som ett minimalt invasivt verktyg för avbildning av funktioner inuti levande vävnader, det extremt tunna endoskopet kan möjliggöra en mängd olika forsknings- och medicinska tillämpningar. Forskningen kommer att presenteras vid konferensen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), hölls 15-19 september i Washington, D.C., U.S.A.

Enligt Juergen W. Czarske, Direktör och C4-professor vid TU Dresden, Tyskland och huvudförfattare på tidningen:"Endoskopet av objektivfritt fiber är ungefär lika stort som en nål, låta den få minimalt invasiv åtkomst och högkontrastavbildning samt stimulering med en robust kalibrering mot böjning eller vridning av fibern. "Endoskopet kommer sannolikt att vara särskilt användbart för optogenetik-forskningsmetoder som använder ljus för att stimulera cellulär aktivitet. Det kan också vara användbart för övervakning av celler och vävnader under medicinska ingrepp samt för tekniska inspektioner.

Ett självkalibrerande system

Konventionella endoskop använder kameror och lampor för att fånga bilder inuti kroppen. Under de senaste åren har forskare utvecklat alternativa sätt att ta bilder genom optiska fibrer, eliminera behovet av skrymmande kameror och andra skrymmande komponenter, möjliggör betydligt tunnare endoskop. Trots deras löfte, dock, dessa tekniker lider av begränsningar såsom oförmåga att tolerera temperaturfluktuationer eller böjning och vridning av fibern.

Ett stort hinder för att göra denna teknik praktisk är att de kräver komplicerade kalibreringsprocesser, i många fall medan fibern samlar in bilder. För att ta itu med detta, forskarna lade till en tunn glasplatta, bara 150 mikron tjock, till spetsen av ett sammanhängande fiberknippe, en typ av optisk fiber som vanligtvis används i endoskopiapplikationer. Det koherenta fiberknippet som användes i experimentet var cirka 350 mikron brett och bestod av 10, 000 kärnor.

När den centrala fiberkärnan är upplyst, den avger en stråle som reflekteras tillbaka till fiberknippet och fungerar som en virtuell ledstjärna för att mäta hur ljuset överförs, känd som den optiska överföringsfunktionen. Den optiska överföringsfunktionen tillhandahåller avgörande data som systemet använder för att kalibrera sig själv i farten.

Håller vyn i fokus

En nyckelkomponent i den nya installationen är en rumslig ljusmodulator, som används för att manipulera ljusets riktning och möjliggöra fjärrfokusering. Den rumsliga ljusmodulatorn kompenserar den optiska överföringsfunktionen och bilderna på fiberknippet. Det bakreflekterade ljuset från fiberknippet fångas upp på kameran och överlagras med en referensvåg för att mäta ljusets fas.

Positionen för den virtuella guidestjärnan bestämmer instrumentets fokus, med en minimal fokusdiameter på ungefär en mikron. Forskarna använde en adaptiv lins och en 2-D galvometerspegel för att flytta fokus och möjliggöra skanning på olika djup.

Demonstrera 3D-avbildning

Teamet testade sin enhet genom att använda den för att avbilda ett 3D-prov under en 140-mikron tjock täckglas. Skanna bildplanet i 13 steg över 400 mikron med en bildhastighet på 4 cykler per sekund, enheten avbildade framgångsrikt partiklar på toppen och botten av 3D-exemplaret. Dock, dess fokus försämrades när galvometerspegelns vinkel ökade. Forskarna föreslår att framtida arbete kan hantera denna begränsning. Dessutom, att använda en galvometerscanner med högre bildhastighet kan möjliggöra snabbare bildförvärv.

"Det nya tillvägagångssättet möjliggör både kalibrering i realtid och avbildning med minimal invasivitet, viktigt för in-situ 3D-avbildning, lab-on-a-chip-baserad mekanisk cellmanipulation, djup vävnad in vivo optogenetik, och tekniska inspektioner med nyckelhål, sa Czarske.