Инженеры из Стэнфорда продемонстрировали эндоскоп с высоким разрешением, который является таким же тонким, как человеческий волос с разрешением в четыре раза лучше, чем предыдущие устройства аналогичного дизайна. Так называемый микроэндоскоп является значительным шагом вперед в области высокоинтенсивного, минимально инвазивного биоизображения, с потенциальными применениями в исследованиях и клинической практике. Микроэндоскопия может позволить новые методы в различных областях, начиная от изучения мозга до раннего выявления рака.
Новый эндоскоп был разработан командой под руководством профессора электротехники в Стэнфордской инженерной школе Джозефа Кана. Результаты были опубликованы недавно в журнале Optics Express и представлены в Оптическое общество Америки «Spotlight on Optics».
Их прототип может разрешать объекты размером около 2,5 микрон, а разрешение 0,3 мкм легко находится в пределах досягаемости. Микрон – одна тысячная миллиметра. Для сравнения, современные эндоскопы с высоким разрешением могут разрешать объекты только до 10 микрон. Невооруженным глазом можно увидеть предметы размером около 125 микрон.
Световые пути
Кан наиболее известен своей работой в области волоконно-оптических коммуникаций – сверхбыстрым каналом передачи данных, необходимым для Интернета и крупномасштабных центров обработки данных. Его работа по эндоскопии началась два года назад, когда он и его коллега-электрик Стэнфорд, Олав Солгаард, обсуждали биофотонику – поле светлых технологий, используемых при изучении биологических систем.
«Олав хотел узнать, можно ли посылать свет через одно волосообразное волокно, сформировать яркое пятно внутри тела и сканировать его, чтобы записывать изображения живых тканей», – сказал Кан.
Возможность и вызов, как знал Кан и Солгаард, лежали в многомодовых волокнах, в которых свет проходит через множество разных путей, известных в оптике как моды; следовательно, имя, многомодовое волокно. Свет очень хорош в передаче сложной информации через такие волокна – будь то компьютерные данные или изображения, – но на пути он становится заведомо недосягаемым.
Кан разработал способ отменить скремблирование информации, используя миниатюрный жидкокристаллический дисплей, называемый пространственным модулем света. Чтобы сделать это возможным, Кан и его аспирант Реза Насири Махалати разработали адаптивный алгоритм – специализированную компьютерную программу, с помощью которой пространственный модулятор света научился развязывать свет. Несколько лет назад Кан установил мировые рекорды для скоростей передачи, используя подобный трюк для разборки компьютерных данных, передаваемых через многомодовые волокна.
Исследование микроэндоскопа вызвало неожиданный и удачный поворот, когда Насири Махалати упомянул о семенной работе в области магнитно-резонансной томографии (МРТ), выполненной Джоном Паули, другим инженером-электриком в Стэнфорде. Паули использовал случайную выборку, чтобы значительно ускорить запись изображений в МРТ.
«Насири Махалати сказал:« Почему бы не использовать случайные шаблоны света для ускорения обработки изображений через многомодовое волокно? »И это все. Мы были в пути, – сказал Кан. «Установлен рекордный микроэндоскоп».
Противостояние законам физики
В микроэндоскопе Кан, пространственный модулятор света проецирует случайные световые паттерны через волокно в тело, чтобы освещать объект под наблюдением. Свет, отражающийся от объекта, возвращается через волокно к компьютеру. Компьютер, в свою очередь, измеряет отраженную силу света и использует алгоритмы, разработанные Насири Махалати и его коллегой-выпускником Руо Ю Гу, для восстановления изображения.
Кан и его ученики были ошеломлены, обнаружив, что их эндоскоп может разрешить в четыре раза больше функций изображения, чем количество режимов в волокне.
«Предыдущие одноволоконные эндоскопы были ограничены в разрешении на количество режимов в волокне», – сказал Кан. «Таким образом, это четырехкратное улучшение».
Результат, однако, поднял научную загадку для команды.
«Это означало, что каким-то образом мы собирали больше информации, чем законы физики говорили нам, что мы можем пройти через волокно», – сказал Кан. «Это казалось невозможным».
Команда боролась с парадоксом в течение нескольких недель, прежде чем они придумали объяснение. Случайные диаграммы интенсивности смешивают режимы, которые могут распространяться через волокно, увеличивая количество режимов в четыре раза и увеличивая в четыре раза больше деталей изображения.
«Предыдущие исследования не учитывали смешение. Необычный алгоритм, который мы использовали для реконструкции изображения, был ключом к выявлению скрытой детали изображения », – сказал Кан.
Конечный эндоскоп
Кан и команда создали рабочий прототип. Основным ограничивающим фактором на этом этапе является то, что волокно должно оставаться жестким. Изгиб многомодового волокна скремблирует изображение до неузнаваемости. Вместо этого волокно помещают в тонкую иглу, чтобы держать ее жесткой для введения.
Жесткие эндоскопы – те, которые часто используются для хирургических операций – являются общими, но они часто используют относительно толстые стержнеобразные линзы для получения хороших изображений. Гибкие эндоскопы, с другой стороны – вид, используемый в колоноскопии и уретероскопии – обычно используют пучки из десятков тысяч отдельных волокон, каждый из которых передает один пиксель изображения. Оба типа эндоскопов громоздки и имеют ограниченное разрешение.
Одноволоконный эндоскоп, такой как Kahn’s, был бы наименее инвазивной системой визуализации и был в центре внимания интенсивных исследований в области оптической инженерии за последние несколько лет.
Кан не первый разработал одноволоконный эндоскоп, но, повышая разрешение, теперь можно представить себе волоконный эндоскоп около двух десятых миллиметра в диаметре – просто толще человеческого волоса, – который может разрешить около 80 000 пикселей с разрешением около трех десятых микрон. Современные гибкие оптоволоконные эндоскопы для сравнения составляют около полумиллиметра в диаметре и могут разрешать примерно 10 000 пикселей с разрешением около 3 микрон.
Будущее
Жесткий одноволоконный микроэндоскоп может включать множество новых процедур для микроскопической визуализации внутри живых организмов. Они варьируются от анализа нейронной клеточной биологии в ткани мозга до изучения мышечной физиологии и болезни до раннего выявления различных форм рака.
Забегая вперед, Кан в восторге от возможности работать с биомедицинскими исследователями, чтобы пионером этих приложений, но будучи физиком и инженером в глубине души, он больше всего увлечен техническими проблемами создания гибкого одноволоконного эндоскопа.
«Никто не знает, возможен ли только гибкий одноволоконный эндоскоп, но мы попытаемся», – сказал Кан.