レンズレス内視鏡が従来の光学系なしで細胞以下の3D撮像を実現

光学学会、ワシントンDC

研究者たちは、レンズや光学的、電気的、機械的コンポーネントを一切使用せず、単一細胞より小さな物体の3D画像を生成する新しい自己校正型内視鏡を開発しました。内視鏡の先端はわずか200ミクロン幅——人間の髪の毛を数本撚り合わせた幅程度です。生体組織内部の特徴を撮像するための最小侵襲ツールとして、この極めて細い内視鏡は多様な研究と医療用途を可能にする可能性があります。

研究者たちは、レンズや光学的、電気的、機械的コンポーネントを一切使用せず、単一細胞より小さな物体の3D画像を生成する新しい自己校正型内視鏡を開発しました。（クレジット：Czarske、TUドレスデン、ドイツ）

従来の内視鏡はカメラとライトを使用して体内の画像を取得します。近年、研究者たちは光ファイバーを通じて画像を取得する代替手法を開発し、かさばるカメラやその他の大型コンポーネントの必要性を排除し、大幅に薄い内視鏡を可能にしました。しかし、これらの技術は温度変動やファイバーの曲げ・ねじれに耐えられないなどの制約があります。

これらの技術を実用化する大きな障壁は、多くの場合ファイバーが画像を収集している最中に複雑な校正プロセスを必要とすることです。これに対処するため、研究者たちは厚さわずか150ミクロンの薄いガラスプレートを、内視鏡用途で一般的に使用されるコヒーレントファイバーバンドルの先端に追加しました。実験で使用されたコヒーレントファイバーバンドルは約350ミクロン幅で、10,000本のコアで構成されていました。

中央のファイバーコアが照明されると、ファイバーバンドルに反射して戻るビームを放出し、光がどのように伝送されているかを測定するためのバーチャルガイドスターとして機能します。これは光学伝達関数として知られ、システムがオンザフライで自己校正するために使用する重要なデータを提供します。

新しいセットアップの鍵となるコンポーネントは空間光変調器で、光の方向を操作しリモートフォーカシングを可能にします。空間光変調器は光学伝達関数とファイバーバンドル上の画像を補正します。ファイバーバンドルからの後方反射光はカメラで捕捉され、参照波と重ね合わされて光の位相を測定します。バーチャルガイドスターの位置が機器の焦点を決定し、最小焦点直径は約1ミクロンです。研究者たちは適応レンズと2Dガルバノメータミラーを使用して焦点をシフトさせ、異なる深度でのスキャンを可能にしました。

チームは、140ミクロン厚のカバースリップ下の3D標本を撮像することでデバイスをテストしました。4サイクル/秒の画像レートで、400ミクロンを13ステップで画像平面をスキャンし、デバイスは3D標本の上部と下部の粒子を正常に撮像しました。しかし、ガルバノメータミラーの角度が増加すると焦点が悪化しました。研究者たちは今後の作業でこの制限に対処できる可能性があると示唆しています。また、より高いフレームレートのガルバノメータスキャナを使用すれば、より高速な画像取得が可能になります。

このアプローチは、リアルタイム校正と最小侵襲での撮像の両方を可能にし、インシチュ3D撮像、ラボオンチップベースの機械的細胞操作、深部組織インビボオプトジェネティクス、キーホール技術検査にとって重要です。

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