一种远场成像的多模光纤全息内窥镜

图1 研究人员开发了一种用于远场成像的多模光纤全息内窥镜

全息内窥镜由许多头发丝一样细的多模光纤组成，有望用于微创生物医学成像中。研究人员表示，全息内窥镜的应用前景远超普通内窥镜，其使用已在活体动物实验中得到了验证，在动物体内研究拍摄到了与阿尔茨海默病等神经退行性疾病有关的活神经元和神经元回路等。

如今，在一个甜椒和一台机械时钟的帮助下，德国莱布尼兹光子技术研究所的一组研究人员开展了一项概念验证实验，能将现有商用全息内窥镜扩展到远距离目标成像（即远场成像）应用中（文章见：APL Photon。doi: 10.1063/5.0038367）。该团队表示，其研究表明，远场成像能够将内窥镜的占用空间进一步减少到到0.1毫米以下，同时可在前所未有的组织深度达到显微分辨率。

远距离成像

研究人员说，只需按下内窥镜上的一个按钮，就能够在远场成像和显微成像模式之间切换。远距离成像能够大大扩展内窥镜在动物疾病研究和潜在的临床/诊断应用方面的应用。

德国莱布尼兹光子技术研究所研究团队包括ivo T. Leite、Sergey Turtaev、Dirk E. Boonzajer Flaes和Tomáš Cizmár，他们将研究重点放在距离仪器远端200到400毫米的成像目标上，并在此基础上解决了功率效率和波前控制准确度等问题。

研究结果显示：全息内窥镜实现了对距离光纤很远物体的成像。文章共同作者、捷克科学院复合光子学实验室的负责人Cizmár解释道：“按下按钮就能把内窥镜的工作距离从一个切换到另一个，因此远场成像功能将变得非常有用。例如，可以首先通过胃肠道或肺等天然孔道导航到可疑组织，再将内窥镜切换成在光纤端面附近成像的高分辨率显微镜状态。”他补充说。

全息波前成像

图2 数字微镜器件显示的一组全息图，通过远场聚焦扫描远场视野的方式，改变了耦合到多模光纤中的波阵面

Cizmár解释说，全息波前成像技术需要用到两根光纤，一根光纤用于目标照明，另一根用于收集后向散射或返回的光子。这两根光纤的结合在一起成为一种无透镜成像设备，能够传递比普通内窥镜更多的信息。然而，他说，为了能够使这项技术在临床中发挥作用，重要的是了解返回到接收光纤轴的光子较少等问题对图像质量的影响，以及确保仪器满足动态环境的成像要求。

这就是研究为什么要用到“甜椒”和“钟表”。研究小组写道：“通过对复杂的三维场景进行成像，展示了该仪器的多功能性，尤其是对模拟生物医学相关环境的甜椒内部、以及作为具有动态复杂性物体例证的正常工作的钟表机械成像。”

高成像标准

更为重要的是，该团队实现了10万像素图像的传输，已经达到了现代视频内窥镜的标准。此项研究还证实了内窥镜的视场、分辨率和最小成像距离仅取决于照明光纤的数值孔径和纤芯尺寸。

Cizmár说，全息内窥镜在人类医学中最有前途的应用，在于那些人体难以接近的部位（卵巢及胰腺等）的诊断。“通常对可疑组织进行诊断时，需要对已死的组织进行化学染色。而全息内窥镜作为一种纯光学的实时诊断方法，有很大潜力取代这种传统诊断手段。”

同时他也强调，在动物上的应用也非常重要。“如果全息内窥镜能在痴呆症成因等动物研究上发挥作用，以帮助对应药物的开发的话，这种愿景本身就是对此项实验的巨大激励，证明它值得我们的付出和汗水。”

面临的挑战

Cizmár说，全息内窥镜技术进一步发展仍然面临一些挑战。例如，在神经学中，如何才能对完全清醒的动物模型进行研究。

他还说：“这将能够把我们在微观层面在动物大脑中看到的、与动物所遭受的联系起来——比如空间方向的感知，对情感，视觉、肌肉运动刺激的反应，以及神经疾病病变过程中这些过程的变化。

Cizmár说，研究活体动物本身就具有相当大的挑战性，因为光纤会随着运动弯曲、成环或扭曲。他说：“光纤的形变改变了光的传输，进而影响了成像的质量。”他补充说，该团队正在努力寻找一个切实可行的解决方案。

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