自校准内窥镜提供改进的细胞3D成像

用于医学成像的内窥镜通常基于包含数千个光纤芯的相干光纤束（CFB），以及在探头尖端处的合适形式的透镜系统。但是这些设计可能与实际临床使用不合适，尤其是因为由镜片元件引起的远端处的尺寸和侵入性增加。因此，无镜片设计将是优选的，并且研究人员已经研究了许多基于波前成形或相位共轭的解决方案。然而，至今研发的方案获得视野小且视觉信息有限。

的一个项目开发了一个可能的方案，其中监测背反射光的差分相位测量允许实时补偿由光纤弯曲引起的相位失真，而无需实际的透镜组件。该项目最新的设计研究将于2019年9月在Frontiers In Optics展出。

正在开发的新设计

“无透镜光纤内窥镜的大小与针头大小相当，使其具有微创通路和高对比度成像以及对光纤弯曲或扭曲的强大校准的刺激，” 德累斯顿工业大学的Juergen Czarske说。 “内窥镜对光遗传学特别有用，并且可用于在医疗程序和技术检查期间监测细胞和组织。”传统上，内窥镜的校准是两阶段操作：首先测量仪器远端的平均相位畸变，然后在不同应用期间在近端进行后续调整。

德累斯顿工业大学的新设计在CFB的尖端采用了150微米厚的玻璃板，作为部分反射器。该板返回的光作为可编程虚拟导星用于校准目的。在正向初始校准之后，背反射光的差分相位测量允许在内窥镜弯曲和弯曲使用时进行跟踪和补偿。根据该团队在2018年的初步研究，这是首次使用基于引导星的校准，提供了一种通过数字全息术直接测量相位失真而无需远端访问的方法。空间光调制器用于操纵光的方向并实现远程聚焦，来自光纤束的后向反射光在相机上捕获并与参考波叠加以测量光的相位。这种设置允许分辨率接近衍射极限，而自适应镜头和2-D检流计镜可以移动焦点，以便在不同深度扫描。

光遗传学和脑成像

“现有的无透镜内窥镜很小，能够进行三维成像，但抗扭曲，弯曲和温度变化的坚固性是一项挑战，”Czarske评论道。 “我们校准相干光纤束的方法是基于原位实时校准，并且只能通过单向访问来完成。”

在试验中，德累斯顿工业大学的设计部署在直径在200到500微米之间的内窥镜中，并且证明能够提供大约1微米的空间分辨率，足以进行亚细胞成像。聚焦质量受到纤维芯的数值孔径，以及所采用的纤维孔的影响。但该团队表示，叠加校准可能会提高的整体焦点质量。

在Frontiers In Optics上的演示将概述该项目的后续步骤和进一步计划的应用，包括可能在体内受试者中使用新的内窥镜设计。“我们在实验室中展示了这种新技术并测量了荧光珠，证明了在现实世界中应用的成像可以完成，”Szarske说。“现在我们计划检查生物细胞的旋转和拉伸，这可以用作机械生物标记物，例如用于血细胞癌症诊断的弹性测量。还将研究使用该装置进行光遗传学研究中的神经退行性疾病研究，以及正在计划应用于患者，诸如大脑成像。“