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皇家墨尔本理工大学(RMIT)利用内窥镜中的光纤束提取立体成像数据

发布:HPLlaser    |    2019-05-06 21:19    阅读:1073
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在显微内窥镜中使用的光纤束成像通常只限于2D成像,这主要是因为尺寸限制了可调谐聚焦光学器件的使用。墨尔本的皇家墨尔本理工大学(RMIT)的一个研究团队现在已经找到了解决这一局限性的方法,并且发现深度信息实际上可以从传统纤维束所携带的光学数据中提取,该方法为微创生物成像开辟了新的途径。这项工作目前已经发表在Science Advances上。

RMIT大学的Antony Orth表示,事实证明,传统内窥镜中的光纤可以自然地从多个视角捕捉信息,为我们提供微观尺度下的深度感知图像。本工作提出的方法可以处理所有这些微观图像,并结合视点提供被检查组织的深度信息,将其可视化为三维图像。

该技术突破依赖于光纤束内芯中光的模式结构,以及由其承载的数据。已有一些研究实现从单芯多模光纤中解码3D信息了,但是信息对光纤弯曲的高度敏感性使得迄今为止在医学成像中的实际应用发展得十分缓慢且不切实际。

RMIT大学的研究团队发现光场的角度信息实际上隐含在光纤束中的内部强度模式中:当反射光进入光纤时,依赖角度的耦合效应产生。传统的研究都忽略了这些模式,但RMIT大学的研究团队已成功将光纤内光的强度模式与光场的角度相关联,并利用相关数据分析来揭示有关被成像物体的深度信息。

Orth 教授说:“最关键的观察结果是光的角度分布信息实际上隐藏在光纤束传输光的细节中。发射端光纤“记住”最初是如何发出光线的,而另一侧的光场模式取决于光线进入光纤的角度。”

最薄的光场成像装置

该项目发表的论文描述了采用该技术生成2微米荧光珠的3D图像,然后对5毫米厚的小鼠脑片进行成像。从得到的立体图像中可观察到细胞核,并且移位视点的动画也可以成功创建。在距离光纤束80微米的样品上,可以10微米的精度实现对表面和深度的成像。根据项目团队的说法,这种深度测量分辨率优于商用裸光纤和定焦显微内窥镜。

虽然这种新方法无法恢复由于样本中的散射或衰减而扰乱的数据,但仍然可以证明它是一个拍摄生物样本深度照片的有效方法。团队在其论文中指出,这是迄今为止报道过最薄的光场成像设备。当光纤内芯减小直到变成单模光纤时,此时无法获得角度信息,从而限制了此方法的使用。但我们的工作设计的光纤束可应用到一类新的光场传感器,微透镜阵列,孔径模版,角度敏感的像素阵列中。本研究的方法可能是使用光纤束进行3D光学活体成像,或用于生物研究中体内3D荧光显微术的一个初步探索。Orth说:“令人兴奋的是,我们的方法与已经临床使用的光纤束完全兼容,因此3D光学活体成像也许很快就会成为现实。”

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