Speckle-Endoskopie mit strukturierter Beleuchtung mit verbesserter Auflösung bei großem Sichtfeld und Tiefenschärfe

11. Mai 2023

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Hochauflösende Bildgebung war in den letzten Jahrzehnten ein heißes Thema in der Bildgebungsbranche, insbesondere im Bereich der Mikroskopie. Obwohl im Bereich der mikroskopischen Bildgebung einige interessante Erfolge erzielt wurden, besteht nach wie vor eine große Lücke, die zwischen der mikroskopischen Bildgebung und der endoskopischen Bildgebung geschlossen werden muss.

Zwei der wichtigsten Bildgebungsparameter, die die bisherige Lücke schließen, sind die Bilderfassung und -verarbeitung mit einem weiten Sichtfeld (FOV) und einer großen Schärfentiefe (DOF), was typischerweise einen Engpass darstellt, den man umgehen muss, wenn man versucht, eine Superauflösung zu erreichen Bilder. In der Mikroskopie wird eine Methode, die ein großes Sichtfeld mit hoher zeitlicher Auflösung und geringer Phototoxizität erreichen kann, als strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) bezeichnet. Ein Standard-SIM kann die räumliche Auflösung auf etwa das Doppelte der Beugungsgrenze eines optischen Systems verbessern.

Da SIM eine sehr hohe räumliche Auflösung anstrebt, ist der DOF typischerweise sehr klein. Dies bedeutet, dass SIM ein hohes Maß an Fokussierungsabstandskontrolle erfordert, was eine praktische Einschränkung für Mikroskopieanwendungen darstellt. Im Gegensatz dazu sind bei der endoskopischen Bildgebung das außergewöhnlich weite FOV und der große DOF aufgrund der Natur der endoskopischen Bildgebung und der Proben, die sie abbilden und untersuchen, von entscheidender Bedeutung. Daher ist es von großem Interesse, die Möglichkeit zu untersuchen, eine Superauflösung in endoskopischen Bildern bei großem FOV und großem DOF zu erreichen.

In dieser Arbeit wird eine neue Technik namens Speckle Structured Illumination Endoscopy (SSIE) untersucht. In der in Opto-Electronic Advances veröffentlichten Studie führen die Autoren zwei Fasern in ein Standard-Weißlicht-Endoskop (WLE) ein, um hochauflösende Flecken zur Beleuchtung des Objekts zu liefern. Die zufälligen Speckle-Muster werden durch die Interferenz zwischen dem Laserlicht der beiden Fasern erzeugt. Eine Reihe von Bildern mit Standardauflösung wird von der WLE-Kamera gesammelt und dann einem Bildrekonstruktionsalgorithmus unterzogen, um ein einziges Bild mit hoher Auflösung zu erhalten.

Das weite FOV und der große DOF werden in dieser Studie zusammen mit der Superauflösung durch die Gestaltung der optischen Lichtquellen erreicht, nämlich der Multimode-Fasern, die die zufälligen Beleuchtungsmuster vom Laser in einer Ausrichtung übertragen, die nicht nur ein weites FOV und DOF abdeckt, sondern auch führen zu großen Interferenzen zwischen den Beleuchtungsstrahlen, was zur Erzielung einer hohen Auflösung bei der Bildgebung beiträgt. Die Studie wird sowohl auf planaren als auch auf nichtplanaren Oberflächen untersucht und bestätigt das Ziel des SSIE, Bilder mit großem Freiheitsgrad abzubilden.

Darüber hinaus können aus einer theoretischen Perspektive, die auch in dieser Studie untersucht wird, das FOV und der DOF so weit erweitert werden, wie es ein WLE zulässt. Darüber hinaus erfordert das SSIE keine strenge Kontrolle der Beleuchtungsmuster, Kalibrierungsprotokolle oder der Fokussieroptik wie im Fall von SIM, wodurch der Versuchsaufbau erheblich vereinfacht wird.

In dieser Studie wird eine 2- bis 4,5-fache Verbesserung der Auflösung bei großem FOV und DOF gegenüber der systemischen Grenze eines Standard-WLE demonstriert. Die experimentellen Ergebnisse der Studie zeigen das Potenzial des SSIE, einen einzigartigen Weg zur Superauflösung in der endoskopischen Bildgebung bei großem FOV und DOF aufzuzeigen, der für die Praxis der klinischen Endoskopie von Vorteil sein könnte. Im weiteren Sinne kann diese Bildgebungstechnik auch in andere ähnliche Bereiche biomedizinischer, medizinischer und kamerabasierter Systeme übernommen werden, in denen eine hohe Auflösung bei großem FOV und DOF bevorzugt oder entscheidend ist.

Die Autoren dieses Artikels schlagen eine neuartige Methode namens Speckle-Structured-Illumination-Endoskopie vor und demonstrieren sie, um eine Superauflösung in Bildern zu erreichen, die während des Endoskopievorgangs aufgenommen wurden. Die Speckle-Strukturbeleuchtung bezieht sich auf nichts anderes als die Verwendung und Richtung zufälliger optischer Beleuchtungsmuster, die von einer kohärenten Lichtquelle wie einem Laser ausgehen, auf die zu untersuchende Probe.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt hauptsächlich in der Verbesserung der Bildauflösung bei optimalen Bildgebungsparametern eines weiten Sichtfelds und einer großen Schärfentiefe, so breit und groß, wie es ein typisches Weißlicht-Endoskop im Vergleich zum bestehenden hochauflösenden endoskopischen Zustand zulässt die Kunst, die bei der Bilduntersuchung und -erfassung ein sehr begrenztes Sichtfeld und eine sehr begrenzte Schärfentiefe aufweist. Eine hohe Auflösung geht immer mit einem Kompromiss beim Sichtfeld oder der Schärfentiefe einher, da diese normalerweise in einem umgekehrten Verhältnis zueinander stehen.

Der größte Engpass, der in dieser Studie angegangen wird, ist daher die Fähigkeit, in endoskopischen Bildern eine Superauflösung zu erreichen, zusammen mit den ansonsten umgekehrt verbundenen Bildgebungsparametern eines weiten Sichtfelds und einer großen Schärfentiefe. Darüber hinaus ist das System in dieser Studie nicht auf bestimmte Eigenschaften der Probe oder Probe angewiesen, sodass jede Probe für die Bildgebung verwendet werden kann, was ihre potenzielle Wirkung und ihren Einfluss noch weiter ausweitet. Diese Studie kann möglicherweise der Gemeinschaft der endoskopischen Bildgebung in Kliniken und Gesundheitszentren zugute kommen. Sowohl aus bildgebender als auch aus gerätebasierter Sicht ist für die Erfassung und Verarbeitung von Bilddaten keine aufwändige Ausrüstung oder strenge Bildsteuerung erforderlich.

Dadurch lässt sich das endoskopische System mit Speckle-Strukturbeleuchtung relativ einfach in Bildgebungsbereiche übertragen und übernehmen, die über die reine Endoskopie hinausgehen. Die Methode wird am besten anwendbar sein, wenn sie möglicherweise auf ähnliche Bildgebungsbereiche übertragen wird, die eine inkohärente Bildgebungsmodalität implementieren, typischerweise Methoden, die Fluoreszenzfarbstoffe verwenden, die die untersuchte Probe anfärben. Darüber hinaus sind die Demonstrationen der endoskopischen Beleuchtung mit Speckle-Struktur unabhängig von der internen Struktur, dem Typ oder den Spezifikationen des verwendeten Endoskops oder der verwendeten Sonde. Daher kann die Bildgebungstechnik in jede endoskopische Weißlichtmodalität mit ähnlichen Auflösungsverbesserungsfaktoren übertragen werden, unabhängig davon, ob es sich um eine klinische oder industrielle Anwendung handelt, da das Funktionsprinzip das gleiche bleibt.

Darüber hinaus wäre die untersuchte Probe in einem realistischen Bildgebungsszenario möglicherweise nicht planar. Da wir in dieser Studie die Möglichkeit der Abbildung dreidimensionaler nichtplanarer Oberflächen durch zufällige optische Beleuchtung untersuchen, ist eine direkte Übertragung des in dieser Studie verwendeten Bildgebungskonzepts auf andere Bildgebungsbereiche wie biomedizinische, medizinische oder kamerabasierte Bildgebungssysteme möglich es ist ziemlich einfach.

Im weiteren Sinne kann jedes Bildgebungssystem, das über eine Kamera zum Erfassen von Bildern verfügt und die Möglichkeit und Führung zufälliger, musterbasierter optischer Beleuchtungen auf die Probe nutzen kann, wie in dieser Studie gezeigt, eine hohe Auflösung bei optimaler Bildgebung erreichen Parameter, wie sie in dieser Arbeit untersucht werden, insbesondere in Systemen, die von einer großen Bildschärfentiefe profitieren könnten, wie z. B. in der Endoskopie, der tiefenbasierten Bildgebung in Kamerasystemen, der Mikroskopie und ähnlichen Bereichen.

Mehr Informationen: Elizabeth Abraham et al., Speckle-Endoskopie mit strukturierter Beleuchtung und verbesserter Auflösung bei weitem Sichtfeld und Tiefenschärfe, Opto-Electronic Advances (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220163

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