西北工大研发光纤显微内窥镜，实现1微米分辨率和纳米级三维重建

芷亦止兮

“我预计今年年底提前博士毕业，虽然我的德国导师希望我继续留下做博后，但我更希望能回到老家江苏做科研。


而在最近发表的论文里，我和所在团队首次将定量相位成像技术，用于超细光纤显微内窥镜中，实现了最高 1 微米的分辨率、以及纳米级的三维重建。并通过光纤实现无透镜光场成像，借此制备出一款新型无透镜光纤显微内窥镜。”德累斯顿工业大学生物医学计算激光系统能力中心博士生孙佳伟表示。

▲图 | 孙佳伟（来源：孙佳伟）



此次提出的无透镜光纤显微内窥镜，具备 1000 倍的放大倍率，可通过图像重建让医生“看清”脑部神经元或是组织表面的细胞。

（来源：Light: Science & Applications）



研究中，他和同事使用无透镜光纤显微内窥镜，对无标记的癌细胞进行高对比度成像，让光纤内窥镜能进一步对体内癌症组织表面进行细胞级的高分辨率成像。这意味着，人们可通过此内窥镜尽早找出病变的癌细胞，实现癌症的早期预警。

同时，鉴于光纤内窥镜探针只有头发丝量级，因此可在极大降低创口大小的同时，深入体内的狭小部位，如细微血管、肺泡、耳蜗等进行显微成像。另外，其所搭载的系统基于量产的多芯光纤，可做一次性的内窥镜探头，用完后可以轻松换上新的光纤以作为探头，从而彻底消除交叉感染的风险。

据介绍，内窥镜成像（endoscopy）作为临床常用的体内成像方法之一，其常规直径至少在几十毫米以上，且图像放大倍率只有大约 50 倍，只能看清组织大概的形貌。

而孙佳伟的无透镜光纤显微内窥镜的探测端，没有使用任何透镜，探针的直径只有 0.35 毫米，大约在头发丝量级，能大大减轻创口的大小。

对于神经外科手术来说，常常需要在大脑或脊柱开非常小的切口，进而通过内窥镜和特殊器械，进行复杂精密的手术。而内窥镜的尺寸越小，手术对患者造成的额外损伤就越小，患者术后恢复得也就越快。

▲图 | 新型无透镜光纤显微内窥镜，探针直径仅为 0.35 毫米（来源：孙佳伟）



多年来，荧光显微成像已成为生物医学中广泛使用的成像方法，通过对样品进行荧光标记、激发和检测，可对荧光标记的样品做以选择性成像，从而提升成像的对比度。

此前市面上最新的光纤显微内窥镜，是通过共聚焦扫描来实现体内荧光显微成像，但其需要昂贵的光学系统和复杂的校准流程，同时还得预先对体内组织进行特殊荧光染色。

然而，某些情况下荧光剂会影响组织正常功能，用后也不易去除。因此，无标记成像技术对内窥镜尤为重要。

定量相位成像，是一种无标记显微成像技术。其原理是通过组织中不同成分的微小相位差，来实现生物医学样品的高对比度成像。

从技术手段来讲，进一步重建光场的相位信息，还能实现纳米级轴向分辨率的三维成像，这让定量相位成像也常被用于芯片表面检测。

但是，此次提出的光纤内窥镜系统，使用量产化的多芯光纤束作为体内成像探针。虽然多芯光纤束只有三根头发丝那样粗，里面却包含着一万根单模的光纤芯，每一根光纤芯都能独立传播光学信号，而把这一万根光纤芯的光学信号组合起来，就相当于有了一万个能成像的像素。

但是，光在每一根纤芯中的传播距离有着微小的差别，而光波的相位又非常敏感，即使是 10 纳米以下的光传播距离差，也会引起可观的相位变化。

由于光在这一万根光纤芯中的传播距离各不相同，这会带来非常严重的相位失真，就像把样品的光学信息进行了“加密”，故在多芯光纤束中实现定量相位成像，是一个颇具挑战性的难题。

（来源：Light: Science & Applications）

找到“解码”光场的“钥匙”

那么，如何从“加密”光场信息中恢复样品信息呢？孙佳伟等人提出一种名为远场散斑转换的算法，可从光纤输出端的散斑中，重建出光纤中的固有相位差，这就相当于拿到了“解码”光场的“钥匙”。

这样一来，当使用无透镜光纤显微内窥镜去探测样品时，用这把“钥匙”来“解码”样品的光场信息，就能得到样品的相位信息。

另外，鉴于可通过光纤显微内窥镜重建完整的光场信息，这时只用一张散斑图像重建出不同深度的图像，即可实现数字重新对焦，并能把无透镜光纤显微内窥镜的工作距离从 10 微米提到 10 毫米。

得益于这样的数字对焦，以后医生们再也不用手动调整焦距，通过程序即可实现实时数字对焦，让无透镜光纤显微内窥镜的易用性得到极大提升。

近日，相关论文以《通过超薄无透镜光纤内窥镜进行定量相位成像》（Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope）为题发表在 Light: Science & Applications 上。

▲图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）



孙佳伟担任一作兼通讯，德累斯顿工业大学测量和传感器系统技术实验室于尔根·W·查斯克（Juergen W. Czarske）教授、以及同一实验室的内克塔里奥斯·库库拉基斯（Nektarios Koukourakis）博士担任共同通讯作者。该工作还得到清华大学精密仪器系曹良才教授和马克思普朗克光科学研究所约亨·顾克（Jochen Guck）教授的指导。

其中一位审稿人评价称，“论文中的实验结果令人信服，清楚地标明该方法能够对样品进行定量相位成像，并验证了三维成像的可能性。该项新技术开辟了在超细内窥镜进行相位成像的广阔前景。”

另一个审稿人表示，“作者使用一种全新的计算重建算法，以便远场强度图像获得相位信息，实现了基于光纤的定量相位成像。”

（来源：Light: Science & Applications）



据悉，该研究主要由德国科学基金会支持，旨在通过自适应控制多芯光纤的输出光场，精准控制癌细胞的旋转。与此同时，对细胞进行全息成像，最终得到癌细胞完整的三维重建图。

为了实现在纳米级精度下，用光精准地去控制癌细胞，孙佳伟耗时一年搭建出一个非常复杂且昂贵的光学系统，单单研发实验器件的控制程序，他就写了近一万行代码。

后来，又泡在实验室几个月，终于通过光纤光场调控，对细胞多轴旋转做以实时控制。这项成果的实现也是世界首次，相关论文在更早之前已发表在 Biomedical Optics Express 上 [1]。

▲图 | 利用光纤输出光场，癌细胞进行光学无接触操控，实时控制细胞旋转轴（来源：孙佳伟）



他说：“当时有一个误区，觉得越复杂的系统越高级，固然系统越复杂，需要解决的技术难题也就越多，其中的技术含量也就越高，但是繁杂的系统也就意味着高成本、高投入，难以获得广泛的应用。很多经典的研究，后人看起来其实只是解决了一个很小的问题，但最难的是从零到一的突破过程。”

舍弃复杂昂贵的光学器件，只用一根光纤、一个相机和一些基本光学元件，在有限的成本内，通过程序提升成像性能。所以他一直在思考，如何把光学系统化繁为简？于是就有了关于此次论文的初步想法[2]。

正好那时，清华大学精密仪器系曹良才教授课题组的吴佳琛博士来德国交流，曹教授团队在计算光学领域有着很深的造诣。

“在和佳琛沟通了我的想法之后，他也对此特别感兴趣。因为光纤输出端的散斑太过复杂，一开始的算法效果并不理想。后来我们不断改进算法，终于在有天深夜，佳琛激动地跟我说算法成功了。我连忙从床上蹦下来打开电脑，把他的算法和我的代码整合起来，那天晚上兴奋地没怎么睡着。第二天一大早就立马赶去实验室验证算法，结果发现真的能在实验中完美重建出相位图像。”孙佳伟说。

（来源：Light: Science & Applications）

计划将光纤显微内窥镜用于临床研究


另据悉，因为光学仪器大多都非常精密，外界的微弱干扰都有可能对实验结果产生影响。因此为了减小外部震动，孙佳伟所在的实验室专门建在地下一层。

但是，他的实验室离马路比较近，每次有大型车辆经过的时候，都能在仪器数据上观测到微纳级的抖动。

为了得到最佳的实验数据，那几周他每天等到半夜路上没有车的时候，一个人在漆黑的实验室里做实验。功夫不负有心人，最后的实验结果也非常稳定。

家庭，也给他提供了软动力支持。他说：“我老婆虽然没有直接参与此次研究，但每次我的实验没有进展、焦头烂额的时候，她总能耐心地安慰我、鼓励我，等我焦躁的心安静下来后，理性地帮我梳理思绪找到问题所在。”

▲图 | 孙佳伟和家属万文君（来源：孙佳伟）



据介绍，孙佳伟是江苏南通人。本科就读于西北工业大学信息对抗技术专业。读研时，他来到德国留学，在波鸿大学读激光与光子学专业。那时，他开始接触到光学实验，并开始从事数字全息成像方面的研究。

其说道：“一开始只是单纯觉得激光特别酷，但在实验室待久了之后，我深刻体会到光学实验是一个慢工出细活的过程，慢慢地也喜欢上泡在实验室的感觉。我的硕士论文获得了接近满分的成绩，导师把我推荐到现在的课题组继续攻读博士，我也得以继续从事光学成像的研究。”

（来源：Light: Science & Applications）



在德国读博更像是工作，他作为一名博士生的同时也是学校雇员，目前其还担任助理研究员一职，要承担一定的教学任务，以及指导本科生和硕士生的毕业论文。

为此，孙佳伟还开设了一门叫做“数字全息技术”的实验课程。疫情期间，他把实验课搬到线上，通过视频给学生呈现光学实验的过程，同时也在线上辅导学生处理数据。

当下，他的重心依然是科研。目前的图像重建算法对电脑的硬件要求比较高，后续他计划使用人工智能提升算法效率，让图像重建程序在普通笔记本电脑上也能轻松运行，并能实时重建三维图像。


同时，他和导师也申请了与所在大学的附属医院的合作项目，计划进一步将光纤显微内窥镜用于临床研究。

参考资料：
1.Sun J, Koukourakis N, Guck J, et al. Rapid computational cell-rotation around arbitrary axes in 3D with multi-core fiber[J]. Biomedical Optics Express, 2021, 12（6）: 3423-3437.https://doi.org/10.1364/BOE.423035
2.Sun J, Wu J, Wu S, et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11（1）: 1-10.https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2

来源：https://www.toutiao.com/article/7127944977627513379
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