Nieuwe lensloze endoscoop levert 3D-beeldvorming van subcellulaire structuren zonder traditionele optica

De Optical Society, Washington, DC

Onderzoekers hebben een nieuwe zelfkalibrerende endoscoop ontwikkeld die 3D-beelden produceert van objecten die kleiner zijn dan een enkele cel, zonder lens of optische, elektrische of mechanische componenten. De punt van de endoscoop meet slechts 200 micron in doorsnede – ongeveer de breedte van een paar in elkaar gedraaide menselijke haren. Als minimaal invasief hulpmiddel voor het in beeld brengen van kenmerken in levend weefsel, zou de extreem dunne endoscoop een verscheidenheid aan onderzoeks- en medische toepassingen mogelijk kunnen maken.

Onderzoekers hebben een nieuwe zelfkalibrerende endoscoop ontwikkeld die 3D-beelden produceert van objecten die kleiner zijn dan een enkele cel. (Credit:Czarske, TU Dresden, Duitsland)

Conventionele endoscopen maken gebruik van camera's en lampen om beelden in het lichaam vast te leggen. De afgelopen jaren hebben onderzoekers alternatieve manieren ontwikkeld om beelden vast te leggen via optische vezels, waardoor de noodzaak voor omvangrijke camera's en andere omvangrijke componenten wordt geëlimineerd, waardoor aanzienlijk dunnere endoscopen mogelijk zijn. Ondanks hun belofte hebben deze technologieën echter te kampen met beperkingen, zoals het onvermogen om temperatuurschommelingen of het buigen en draaien van de vezel te tolereren.

Een belangrijk obstakel bij het praktisch maken van deze technologieën is dat er ingewikkelde kalibratieprocessen voor nodig zijn – in veel gevallen terwijl de glasvezel beelden verzamelt. Om dit aan te pakken, voegden de onderzoekers een dunne glasplaat van slechts 150 micron dik toe aan de punt van een coherente vezelbundel, een type optische vezel dat vaak wordt gebruikt in endoscopietoepassingen. De coherente vezelbundel die in het experiment werd gebruikt, was ongeveer 350 micron breed en bestond uit 10.000 kernen.

Wanneer de centrale vezelkern wordt verlicht, zendt deze een straal uit die wordt teruggekaatst in de vezelbundel en dient als een virtuele gidsster om te meten hoe het licht wordt doorgelaten. Dit staat bekend als de optische overdrachtsfunctie, die cruciale gegevens levert die het systeem gebruikt om zichzelf direct te kalibreren.

Een belangrijk onderdeel van de nieuwe opstelling is een ruimtelijke lichtmodulator, die wordt gebruikt om de richting van het licht te manipuleren en scherpstelling op afstand mogelijk te maken. De ruimtelijke lichtmodulator compenseert de optische overdrachtsfunctie en beelden op de vezelbundel. Het teruggereflecteerde licht van de vezelbundel wordt opgevangen op de camera en gesuperponeerd op een referentiegolf om de fase van het licht te meten. De positie van de virtuele gidsster bepaalt de focus van het instrument, met een minimale focusdiameter van ongeveer één micron. De onderzoekers gebruikten een adaptieve lens en een 2D-galvometerspiegel om de focus te verschuiven en scannen op verschillende diepten mogelijk te maken.

Het team testte hun apparaat door er een 3D-monster mee af te beelden onder een dekglaasje van 140 micron dik. Door het beeldvlak in 13 stappen van meer dan 400 micron te scannen met een beeldsnelheid van 4 cycli per seconde, bracht het apparaat met succes deeltjes aan de boven- en onderkant van het 3D-monster in beeld. De focus verslechterde echter naarmate de hoek van de galvometerspiegel groter werd. De onderzoekers suggereren dat toekomstig werk deze beperking zou kunnen aanpakken. Bovendien zou het gebruik van een galvometerscanner met een hogere framesnelheid een snellere beeldopname mogelijk kunnen maken.

Deze aanpak maakt zowel realtime kalibratie als beeldvorming mogelijk met minimale invasiviteit, wat belangrijk is voor in-situ 3D-beeldvorming, mechanische celmanipulatie op basis van een laboratorium op een chip, in vivo optogenetica in diep weefsel en technische inspecties van sleutelgaten.

Neem voor meer informatie contact op met Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..