Onderzoekers hebben een nieuwe zelfkalibrerende endoscoop ontwikkeld die 3D-beelden maakt van objecten die kleiner zijn dan een enkele cel. Zonder lens of optische, elektrische of mechanische onderdelen, de punt van de endoscoop meet slechts 200 micron breed, ongeveer de breedte van een paar in elkaar gedraaide menselijke haren.

Als een minimaal invasief hulpmiddel voor het in beeld brengen van kenmerken in levende weefsels, de extreem dunne endoscoop zou een verscheidenheid aan onderzoeks- en medische toepassingen mogelijk maken. Het onderzoek zal worden gepresenteerd op de conferentie Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), gehouden van 15-19 september in Washington, gelijkstroom, VS.

Volgens Jürgen W. Czarske, Directeur en C4-hoogleraar TU Dresden, Duitsland en hoofdauteur van het artikel:"De lensloze vezelendoscoop heeft ongeveer de grootte van een naald, waardoor het minimaal invasieve toegang en contrastrijke beeldvorming heeft, evenals stimulatie met een robuuste kalibratie tegen buigen of draaien van de vezel." De endoscoop is waarschijnlijk vooral nuttig voor optogenetica-onderzoeksbenaderingen die licht gebruiken om cellulaire activiteit te stimuleren. Het zou ook nuttig kunnen zijn voor het bewaken van cellen en weefsels tijdens medische procedures en voor technische inspecties.

Een zelfkalibrerend systeem

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

Een grote hindernis om deze technologieën praktisch te maken, is dat ze ingewikkelde kalibratieprocessen vereisen, in veel gevallen terwijl de vezel beelden verzamelt. Dit behandelen, de onderzoekers voegden een dunne glasplaat toe, slechts 150 micron dik, aan het uiteinde van een coherente vezelbundel, een type optische vezel dat veel 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 verlicht is, het zendt een straal uit die wordt teruggekaatst in de vezelbundel en dient als een virtuele gidsster om te meten hoe het licht wordt doorgelaten, bekend als de optische overdrachtsfunctie. De optische overdrachtsfunctie levert cruciale gegevens die het systeem gebruikt om zichzelf on-the-fly te kalibreren.

Het zicht scherp houden

Een belangrijk onderdeel van de nieuwe opstelling is een ruimtelijke lichtmodulator, die wordt gebruikt om de richting van het licht te manipuleren en op afstand scherpstellen mogelijk te maken. De ruimtelijke lichtmodulator compenseert de optische overdrachtsfunctie en beelden op de vezelbundel. Het teruggereflecteerde licht van de vezelbundel wordt vastgelegd op de camera en gesuperponeerd met 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 een micron. De onderzoekers gebruikten een adaptieve lens en een 2D-galvometerspiegel om de focus te verschuiven en scannen op verschillende diepten mogelijk te maken.

3D-beeldvorming demonstreren

Het team testte hun apparaat door het te gebruiken om een ​​3D-monster af te beelden onder een 140 micron dik dekglaasje. Scannen van het beeldvlak in 13 stappen over 400 micron met een beeldsnelheid van 4 cycli per seconde, het apparaat bracht met succes deeltjes in beeld aan de boven- en onderkant van het 3D-monster. Echter, de focus verslechterde naarmate de hoek van de galvometerspiegel groter werd. De onderzoekers suggereren dat toekomstig werk deze beperking zou kunnen aanpakken. In aanvulling, het gebruik van een galvometerscanner met een hogere framesnelheid kan een snellere beeldacquisitie mogelijk maken.

"De nieuwe aanpak maakt zowel realtime kalibratie als beeldvorming mogelijk met minimale invasiviteit, belangrijk voor in-situ 3D-beeldvorming, lab-on-a-chip-gebaseerde mechanische celmanipulatie, diep weefsel in vivo optogenetica, en sleutelgat technische inspecties, ’ zei Czarske.