美国开发出无透镜微型内窥镜，成像质量更佳
2019-12-14 14:39:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，近日，位于美国马里兰州巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University，JHU）的工程师们开发了一种新型无透镜微型内窥镜，其直径仅为几百纳米，可获取高质量的图像。
据麦姆斯咨询报道，近日，位于美国马里兰州巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University，JHU）的工程师们开发了一种新型无透镜微型内窥镜，其直径仅为几百纳米，可获取高质量的图像。目前该研究结果发表在《科学进展》（Science Advances）上。
约翰·霍普金斯大学电气与计算机工程副教授，该研究的通讯作者Mark Foster表示：“一般来说，很难同时满足微型内窥镜的尺寸和成像质量要求，要么牺牲尺寸，要么牺牲成像质量，但现在我们开发的新型无透镜微型内窥镜则同时实现了这两个目标。”
为了检查小白鼠等动物的大脑中发射的神经元，理想的微型内窥镜的尺寸必须足够小，同时又要有足够的能力产生清晰的图像。
目前，常规的微型内窥镜的直径约为几毫米，并且需要更大、更具侵入性的透镜才能获得更高质量的成像。JHU的研究小组说到，尽管存在无透镜微型内窥镜，但光纤在逐像素扫描大脑区域时经常弯曲，并且在移动时会失去成像能力。
透镜微型内窥镜 vs. 无透镜微型内窥镜
在他们的最新研究中，Foster及其同事们开发了一种无透镜的微型内窥镜，与传统的基于透镜的微型内窥镜相比，增加了可视范围并改善了图像质量。
图1 使用多芯光纤和编码孔径成像原理示意图
（A）使用多芯光纤和透镜的宽场照明成像方法；（B）使用编码孔径的远距无透镜成像方法
研究人员通过使用编码孔径和平面网格来实现这一目标，该网格可随机地阻挡光线，形成一个已知模式的投影，类似于随机戳一块铝箔并使光线穿过所有小孔。这会产生混乱的图像，但可以提供大量关于光线来源的信息，这些信息通过重建算法成更清晰的图像。为了测试他们的设备，他们检查了载玻片上不同图案的成像效果。
图2 实验成像结果
图A至图C：显示了使用体视显微镜获取的载玻片上的物体图像；图D至图F：显示了通过传统的基于透镜的微型内窥镜成像的物体图像；图G至图I：显示了通过新型无透镜微型内窥镜获取的物体图像。这些图像中的原始光线是有目的地散射的，但可提供关于光线来源的信息，通过重建算法以创建更清晰的图像，正如图J至图L所示。
图3 空间分辨率测试
图A至图C：使用体视显微镜获得目标物体的图像分辨率。实验结果显示的视场范围为980μm；图D至图F：使用传统的基于透镜的多芯光纤微型内窥镜的物体成像；图G至图I：通过无透镜的多芯光纤微型内窥镜，使用远距编码孔径对物体成像
“数千年来，我们的目标一直是使图像尽可能清晰。”Foster说道，“现在，通过重建算法，我们可以有目的地捕获看起来很杂乱的东西，而且与直觉相反，我们最终恰恰得到了更清晰的图像。”
此外，Foster团队开发的微型内窥镜不需要移动即可聚焦在不同深度的物体上。他们通过重聚焦算法来确定三维空间中光线的来源。这使他们的内窥镜比传统内窥镜尺寸小很多。
图4 重聚焦算法
图A和图B：测试物体的体视显微镜图像，由两个深度相差1.5mm的平面物体组成；图C：显示由多芯光纤近端的单个图像重建立体图；图D：显示了通过图C中所示的系统响应，用11个深度层进行三维重建，其深度间隔300μm；图E和图F：由三维重建得到的图像，分别对应于物体处于最佳焦距的两个深度
除了重聚焦算法之外，这种无透镜方法还可以在没有任何附加组件的情况下实现彩色成像。相反，基于透镜的系统会出现难以纠正的严重色差。使用无透镜方法，原则上可以通过彩色相机来校准每个颜色通道的传感矩阵，从而不会产生色差。
图5 彩色成像演示
图A和图B：体视显微镜获取的多色物体图像；图C和图D：无透镜微型内窥镜对相同物体进行彩色图像重建
接下来，该研究团队将使用荧光标记程序测试其微型内窥镜，通过对活动的大脑神经元进行标记和照明，以确定内窥镜对神经活动成像方面的准确性。
论文结论
《科学进展》杂志上论文得出的结论是：“我们已经开发出了一种在多芯光纤远距使用编码孔径的无透镜、免扫描微型内窥镜。通过用单个空间掩码技术代替远距透镜，与传统的基于透镜的方法相比，可以以优异的图像质量通过计算恢复具有980μm宽视场的广角图像。”
“此外，该成像系统还能够通过编码孔径响应的单个快照，对深度为1.5mm的物体进行重聚焦计算，而无需移动。同时，本文提出的技术不需要额外的元件来校正色差，只需对每个颜色通道进行校准即可实现彩色成像。”
“因此，这种无透镜远距微型内窥镜能够实现微创成像，其功能和性能是传统基于透镜的微型内窥镜无法实现的。”
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