Neues linsenloses Endoskop liefert 3D-Bilder subzellulärer Strukturen ohne traditionelle Optik

The Optical Society, Washington, DC

Forscher haben ein neues selbstkalibrierendes Endoskop entwickelt, das 3D-Bilder von Objekten kleiner als eine einzelne Zelle erzeugt – ohne Linse oder jegliche optische, elektrische oder mechanische Komponenten. Die Spitze des Endoskops misst nur 200 Mikrometer – etwa die Breite weniger menschlicher Haare, die zusammen gedreht sind. Als minimalinvasives Werkzeug für die Bildgebung von Merkmalen in lebendem Gewebe könnte das extrem dünne Endoskop vielfältige Forschungs- und medizinische Anwendungen ermöglichen.

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

Konventionelle Endoskope nutzen Kameras und Lichter, um Bilder im Körper aufzunehmen. In jüngster Zeit haben Forscher alternative Wege entwickelt, Bilder durch Lichtwellenleiter aufzunehmen – was den Bedarf an sperrigen Kameras und anderen Komponenten eliminiert und deutlich dünnere Endoskope ermöglicht. Trotz ihres Potenzials leiden diese Technologien unter Einschränkungen wie Unfähigkeit, Temperaturschwankungen oder Biegen und Drehen der Faser zu tolerieren.

Ein großes Hindernis für die Praktikabilität dieser Technologien ist die Notwendigkeit komplizierter Kalibrierprozesse – oft während die Faser Bilder aufnimmt. Um dies zu adressieren, fügten die Forscher eine dünne Glasplatte, nur 150 Mikrometer dick, an die Spitze eines kohärenten Faserbündels hinzu – einer Art Lichtwellenleiter, der häufig in Endoskopieanwendungen verwendet wird. Das verwendete kohärente Faserbündel war etwa 350 Mikrometer breit und bestand aus 10.000 Kernen.

Wenn der zentrale Faser-Kern beleuchtet wird, sendet er einen Strahl aus, der zurück in das Faserbündel reflektiert wird und als virtueller Leitstern dient, um zu messen, wie das Licht übertragen wird. Dies ist als optische Transferfunktion bekannt, die entscheidende Daten liefert, die das System nutzt, um sich im Flug selbst zu kalibrieren.

Ein Schlüsselkomponente des neuen Aufbaus ist ein räumlicher Lichtmodulator, der die Richtung des Lichts manipuliert und Fernfokussierung ermöglicht. Der räumliche Lichtmodulator kompensiert die optische Transferfunktion und Bilder auf dem Faserbündel. Das rückreflektierte Licht vom Faserbündel wird auf der Kamera erfasst und mit einer Referenzwelle überlagert, um die Lichtphase zu messen. Die Position des virtuellen Leitsterns bestimmt den Fokus des Instruments, mit einem minimalen Fokusdurchmesser von ca. einem Mikrometer. Die Forscher nutzten eine adaptive Linse und einen 2D-Galvanometerspiegel, um den Fokus zu verschieben und Scans in verschiedenen Tiefen zu ermöglichen.

Das Team testete ihr Gerät, indem es ein 3D-Präparat unter einem 140-Mikrometer-dicken Deckglas abbildete. Scannen der Bildebene in 13 Schritten über 400 Mikrometer bei einer Bildrate von 4 Zyklen pro Sekunde – das Gerät bildete Partikel an der Ober- und Unterseite des 3D-Präparats erfolgreich ab. Allerdings verschlechterte sich der Fokus, je mehr der Winkel des Galvanometerspiegels zunahm. Die Forscher schlagen vor, dass zukünftige Arbeiten diese Einschränkung adressieren könnten. Zudem könnte ein Galvanometerscanner mit höherer Bildrate schnellere Bildaufnahme ermöglichen.

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

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