Neues linsenloses Endoskop ermöglicht 3D-Bildgebung subzellulärer Strukturen ohne herkömmliche Optik

The Optical Society, Washington, D.C.

Forscher haben ein neues selbstkalibrierendes Endoskop entwickelt, das 3D-Bilder von Objekten erzeugt, die kleiner als eine einzelne Zelle sind, ohne eine Linse oder optische, elektrische oder mechanische Komponenten. Die Spitze des Endoskops hat einen Durchmesser von nur 200 Mikrometern – etwa so breit wie ein paar zusammengedrehte menschliche Haare. Als minimalinvasives Werkzeug zur Bildgebung von Merkmalen im Inneren lebender Gewebe könnte das extrem dünne Endoskop eine Vielzahl von Forschungs- und medizinischen Anwendungen ermöglichen.

Forscher haben ein neues selbstkalibrierendes Endoskop entwickelt, das 3D-Bilder von Objekten erzeugt, die kleiner als eine einzelne Zelle sind. (Quelle:Czarske, TU Dresden, Deutschland)

Herkömmliche Endoskope verwenden Kameras und Lichter, um Bilder im Körperinneren aufzunehmen. In den letzten Jahren haben Forscher alternative Methoden zur Bilderfassung über optische Fasern entwickelt, wodurch sperrige Kameras und andere sperrige Komponenten überflüssig werden und deutlich dünnere Endoskope möglich sind. Obwohl sie vielversprechend sind, weisen diese Technologien jedoch Einschränkungen auf, wie z. B. die Unfähigkeit, Temperaturschwankungen oder Biegungen und Verdrehungen der Faser zu tolerieren.

Eine große Hürde für die praktische Umsetzung dieser Technologien besteht darin, dass sie komplizierte Kalibrierungsprozesse erfordern – in vielen Fällen während die Faser Bilder sammelt. Um dieses Problem anzugehen, fügten die Forscher eine dünne Glasplatte mit einer Dicke von nur 150 Mikrometern an der Spitze eines kohärenten Faserbündels hinzu, einer Art optischer Faser, die häufig in Endoskopieanwendungen verwendet wird. Das im Experiment verwendete kohärente Faserbündel war etwa 350 Mikrometer breit und bestand aus 10.000 Kernen.

Wenn der zentrale Faserkern beleuchtet wird, sendet er einen Strahl aus, der in das Faserbündel zurückreflektiert wird und als virtueller Leitstern zur Messung der Lichtübertragung dient. Dies ist als optische Übertragungsfunktion bekannt, die wichtige Daten liefert, die das System verwendet, um sich im laufenden Betrieb zu kalibrieren.

Eine Schlüsselkomponente des neuen Aufbaus ist ein räumlicher Lichtmodulator, mit dem die Richtung des Lichts manipuliert und eine Fernfokussierung ermöglicht wird. Der räumliche Lichtmodulator kompensiert die optische Übertragungsfunktion und Bilder auf dem Faserbündel. Das vom Faserbündel zurückreflektierte Licht wird von der Kamera erfasst und mit einer Referenzwelle überlagert, um die Phase des Lichts zu messen. Die Position des virtuellen Leitsterns bestimmt den Fokus des Instruments mit einem minimalen Fokusdurchmesser von etwa einem Mikrometer. Die Forscher verwendeten eine adaptive Linse und einen 2D-Galvometerspiegel, um den Fokus zu verschieben und das Scannen in verschiedenen Tiefen zu ermöglichen.

Das Team testete sein Gerät, indem es damit eine 3D-Probe unter einem 140 Mikrometer dicken Deckglas abbildete. Das Gerät scannte die Bildebene in 13 Schritten über 400 Mikrometer mit einer Bildrate von 4 Zyklen pro Sekunde und bildete erfolgreich Partikel an der Ober- und Unterseite der 3D-Probe ab. Allerdings verschlechterte sich seine Fokussierung mit zunehmendem Winkel des Galvometerspiegels. Die Forscher schlagen vor, dass zukünftige Arbeiten diese Einschränkung beheben könnten. Darüber hinaus könnte die Verwendung eines Galvometerscanners mit einer höheren Bildrate eine schnellere Bilderfassung ermöglichen.

Dieser Ansatz ermöglicht sowohl Echtzeitkalibrierung als auch Bildgebung mit minimaler Invasivität, was wichtig für In-situ-3D-Bildgebung, Lab-on-a-Chip-basierte mechanische Zellmanipulation, tiefe Gewebe-In-vivo-Optogenetik und technische Schlüssellochinspektionen ist.

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