New ultra-miniaturized microendoscope produces higher-quality images at a fraction of the size

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约翰·霍普金斯大学的工程师们发明了一种新型的无透镜、超小型化的内窥镜,其宽度只有几根头发丝那么宽,能够产生高质量的图像。

他们的发现发表在今天的《科学进展》杂志上。

“通常情况下,你要么牺牲尺寸要么牺牲图像质量。这项研究的通讯作者、约翰霍普金斯大学电子和计算机工程副教授马克·福斯特说:“我们已经能够通过我们的微内窥镜实现这两个目标。”

显微内窥镜被设计用来检测动物实验对象大脑中的神经元,因此它的尺寸必须很小,但却有足够的能力产生清晰的图像。大多数标准的显微内窥镜的直径大约在半毫米到几毫米之间,需要更大、更具侵入性的镜片来实现高质量的成像。尽管存在无透镜显微内窥镜,但逐像素扫描大脑某个区域的光纤在移动时经常弯曲并丧失成像能力。

在他们的新研究中,福斯特和同事们发明了一种无透镜、超小型化的显微内窥镜,与传统的基于透镜的显微内窥镜相比,它增加了研究人员的视野,并改善了图像质量。为了测试他们的设备,他们检查了载玻片上不同图案的珠子。

Composite shows 12 images captured by microscopes and microendoscopes to compare clarity

图像说明:上图显示了研究的成像结果。从A到C的图像显示了通过体积显微镜看到的载玻片上的珠子。D和F通过传统的基于透镜的显微内窥镜观察珠子。我通过新的无透镜显微内窥镜看到了这些珠子。这些原始图像是有意分散的,但提供了有关光的重要信息,可用于计算重建,以创建更清晰的图像,如J到L所示。

图片来源:马克·福斯特提供

研究人员使用
2a编码光阑实现了这一目标。光阑是一个平面网格,随机阻挡光线,形成一个已知的投影模式,类似于随机拨开一块铝箔,让光线通过所有的小孔。这就产生了一个混乱的图像,但它提供了大量关于光线来源的信息,这些信息可以通过计算重建成更清晰的图像。

福斯特说:“几千年来,我们的目标一直是使图像尽可能清晰。”“现在,多亏了计算重建,我们可以有目的地捕捉到一些看起来很糟糕的东西,并以反直觉的方式得到更清晰的最终图像。”

此外,福斯特团队的显微内窥镜不需要移动来聚焦不同深度的物体;他们利用计算重聚焦来确定三维空间中光线的来源。这使得他们的内窥镜比传统的要小得多。

展望未来,研究团队将用荧光标记程序测试他们的微内窥镜,在其中,活跃的大脑神经元被标记和照明,以确定内窥镜成像神经活动的准确性。

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新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://hub.jhu.edu/2019/12/06/smaller-more-powerful-microendoscope/

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