光电学院刘旭、杨青研究团队在Nature Photonics发文报道超细内窥镜动态超分辨成像

发布时间: 2023-07-22 17:40:02 浏览次数 : 770 来源:浙江大学

近日，浙江大学光电科学与工程学院及之江实验室联合团队的刘旭与杨青教授，提出空间频率域编码追踪自适应信标光场编码方法(spatial-frequency tracking adaptive beacon light-field-encoded —STABLE)，实现了多模光纤运动状态下的超分辨成像(λ/3NA)。如何实现光场在复杂介质(动态光纤、云雾、浑浊液体等)的稳定传输与重构，是成像、光通信领域等领域面临的共性问题。研究为该问题的解决提供了一种通用方法，为多模光纤内镜在生命科学，生物学，工业检测以及临床诊断中的应用迈出了实质性的一步。研究成果以“Single multimode fibre for in vivo light-field-encoded endoscopic imaging ”为题于2023年7月3日在线发表在Nature Photonics杂志。

内窥镜医生们一直梦寐以求的目标之一是实现实时高分辨率内窥镜成像，将体内成像与治疗干预相结合，从而实现内窥镜诊断与离体病理诊断的完美匹配。近年来，内窥镜技术领域取得了显著的进展，如细胞内镜、共聚焦激光内窥镜等技术的出现，使得体内细胞级成像成为现实。同时，超分辨率显微镜以其超越亚细胞级别的空间分辨率，也为生物学和生命科学领域带来了革命性的突破。然而，由于繁琐的光学装置，超分辨率显微镜在狭窄通道中的应用面临挑战。一项关键性的技术缺失是如何实现稳健的在体超分辨内窥镜成像。为解决这一问题，一种备受期待的策略是利用发丝般纤细的多模光纤(百微米量级)作为微创探针，并通过波前整形技术实现亚毫米探测。相比传统内窥镜，多模光纤内窥镜具有纤细、高分辨、低成本等特点。但目前该技术仍存在两个关键限制：(1)光纤一旦弯曲之后，光的传播模式会相应发生改变，从而无法在柔性操作下成像;(2)光纤分辨率由数值孔径决定，难以突破衍射极限分辨率。

刘旭、杨青研究团队在前期光纤束共聚焦内窥镜、细胞内镜、移频超分辨调控成像的研究基础上，提出空间频率追踪自适应信标光场编码方法，结合光纤圆柱对称性，融合数据降维计算、双闭环控制等多学科技术，将单状态的追踪速度从分钟量级提升到毫秒量级，解决了多模光纤运动过程模式失稳对成像扰动的世界难题，提出移频与微分混合模式调控方法，实现了世界上最长距离的单根多模光纤的无透镜超分辨动态成像(λ/3NA)。

图1 空间频率追踪自适应信标光场编码成像方法原理及装置图

首先在STABLE中，团队设计了一个全矢量调制的入射波前，将远端菲涅耳反射光聚焦在空间频域(即光纤近端面的傅里叶平面)的单像素探测器上，形成空间频率信标(图1)，使多模光纤状态追踪从空间散斑追踪改变为单像素空间频率信标追踪。其强度反映了当前弯曲状态与预校准传输矩阵之间的相关性。通过分析光在光纤中传播的模式分布，以及反射光与空间频率信标的关系，团队发现单像素探测器检测到的空间频率信标强度与光纤形变引起的无序的相位、偏振和振幅直接相关。团队还利用多模光纤是径向圆柱对称波导的特性，引入数据降维计算，将状态搜素问题压缩到一个低得多的阶。最终实现KHz的传输矩阵搜索。

图2融合探头大视场及超分辨成像

此外，对于临床分析，有必要在复杂场景中定位目标区域。为了弥合宏观和微观形态之间的差距，必须结合大视场和高分辨率3D成像功能。通过将多模光纤置于白光内窥镜的活检通道中，将多模光纤与自主研发的白光内窥镜设计为融合内镜。在大视场导航下，实现3D成像和超分辨成像(图2)。

图3活体小鼠成像

最后，团队使用STABLE内镜，在白光内窥镜的引导下，首次实现了多模光纤对小鼠食道、结肠、胃肠道、皮下肠癌和小肠的体内高分辨率成像(图3)。

该研究通过光学、信息学、材料、物理、医学等多学科融合交叉，使得多模光纤在狭窄管腔内或实体器官组织中的成像更加可靠和准确，为后续的临床科学、生命医学、工业精密检测研究奠定了基础。

论文第一作者为博士生文仲，共同通讯作者为刘旭教授和杨青教授。该工作得到了国家自然科学基金交叉学部重大项目、之江实验室专项资金等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01240-x

上一条：香港邵氏基金会主席陈伟文博士受聘浙江大学校董
下一条：校长杜江峰率团访问香港、澳门