本文由論文作者團(tuán)隊(duì)投稿

▎導(dǎo)讀

為了克服傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡成像技術(shù)的限制，康涅狄格大學(xué)鄭國安教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型成像技術(shù)---合成孔徑疊層成像內(nèi)窺鏡（Synthetic Aperture Ptycho-Endoscopy，簡(jiǎn)稱SAPE）。

該技術(shù)結(jié)合了無透鏡疊層成像和合成孔徑的原理，通過手部操作引入位置偏移，獲取樣本不同位置的衍射圖像，并利用相位恢復(fù)算法合成一個(gè)大于探頭物理尺寸的虛擬孔徑，成功實(shí)現(xiàn)了超越探頭尺寸衍射極限的高分辨率成像(如圖1b所示)。

該工作以“Ptycho-endoscopy on a lensless ultrathin fiber bundle tip”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

圖1. (a)合成孔徑雷達(dá)原理。(b)合成孔徑疊層成像內(nèi)窺鏡原理。

▎正文

2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡捕捉到了銀河系中心黑洞的首張圖像，創(chuàng)造了歷史。這一成就得益于全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作。通過地球的自轉(zhuǎn)，事件視界望遠(yuǎn)鏡合成了一個(gè)與地球大小相當(dāng)?shù)奶摂M孔徑，實(shí)現(xiàn)了前所未有的空間分辨率。同樣，合成孔徑雷達(dá)使用移動(dòng)天線發(fā)射電磁脈沖并收集返回的回波，合成一個(gè)大的虛擬孔徑以實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感成像(如圖1a所示)。事件視界望遠(yuǎn)鏡和合成孔徑雷達(dá)都依賴于原子鐘的精確計(jì)時(shí)和相位信息的相干檢測(cè)。在這兩個(gè)例子中，合成孔徑成像的成功激發(fā)了研究人員在其他領(lǐng)域中探索合成孔徑方法的潛力，包括工業(yè)和醫(yī)學(xué)成像。

以內(nèi)窺鏡成像為例，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡成像受限于探頭尺寸，難以實(shí)現(xiàn)高分辨率，寬景深成像。因此，如何在不增加探頭尺寸的情況下提高成像分辨率是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。此外，簡(jiǎn)化成像過程以適應(yīng)不同的臨床應(yīng)用場(chǎng)景也是一個(gè)重要的技術(shù)難點(diǎn)。

● 利用衍射圖像恢復(fù)相位信息

有別于合成孔徑雷達(dá)需要直接測(cè)量相位信息,SAPE融合了疊層成像技術(shù)來避免在光頻段對(duì)相位進(jìn)行相干測(cè)量。其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能夠僅從衍射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果中恢復(fù)相位信息,無需參考波或相干檢測(cè)。這意味著,與事件視界望遠(yuǎn)鏡和合成孔徑雷達(dá)不同,SAPE不需要參考時(shí)鐘進(jìn)行相干檢測(cè)。通過重建衍射圖案的相位信息,SAPE實(shí)現(xiàn)了相位恢復(fù)及高分辨率成像,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置,增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性,使其更適用于各種臨床和工業(yè)環(huán)境。

● 時(shí)空低秩分解

在SAPE中，光纖束的遠(yuǎn)端作為散射層對(duì)物體的波前進(jìn)行調(diào)制。在實(shí)際操作中，由于手部運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)擾動(dòng)等因素，光纖束的調(diào)制作用會(huì)發(fā)生變化，從而影響成像質(zhì)量。為了解決這個(gè)問題，SAPE采用了低秩時(shí)空分解技術(shù)處理光纖束調(diào)制作用的變化。具體來說，SAPE將光纖束的調(diào)制作用表示為一個(gè)時(shí)空信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行低秩分解。通過分解后的低秩成分，可以重構(gòu)出原始的光纖束調(diào)制作用，從而校正和補(bǔ)償由手部運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)擾動(dòng)引起的調(diào)制變化，提高了成像質(zhì)量和穩(wěn)定性(如圖2所示)。這使得系統(tǒng)在實(shí)際操作中更加可靠，并能在各種環(huán)境中保持高質(zhì)量的成像性能。

圖2：(a)合成孔徑疊層成像內(nèi)窺鏡成像模型。（b）光纖束的低秩時(shí)空分解。

 ● 高分辨率、擴(kuò)展景深成像

SAPE的無鏡頭設(shè)計(jì)允許其對(duì)鏡頭難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行成像。憑借其548納米的分辨率和超過2厘米的擴(kuò)展景深，SAPE能夠?qū)?fù)雜的非平面表面進(jìn)行高分辨率成像。圖3比較了未經(jīng)處理的采集圖像以及SAPE的重構(gòu)結(jié)果。

圖3：SAPE原始采集數(shù)據(jù)及重構(gòu)結(jié)果的對(duì)比。

● 前景展望

SAPE有望對(duì)醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測(cè)產(chǎn)生影響。這種無鏡頭設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡允許對(duì)以前鏡頭難以觸及的區(qū)域進(jìn)行高分辨成像。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SAPE技術(shù)在胃腸病學(xué)、肺病學(xué)和腫瘤學(xué)等領(lǐng)域顯示出的潛力，可用于疾病檢測(cè)和治療。此外，SAPE技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)方面也展現(xiàn)出潛力，能夠在狹小空間中進(jìn)行無損檢測(cè)和質(zhì)量控制。鄭國安教授和他的團(tuán)隊(duì)正字繼續(xù)完善和擴(kuò)展SAPE的能力。其團(tuán)隊(duì)的一個(gè)正在努力的方向是將SAPE概念擴(kuò)展到光學(xué)波長的合成孔徑雷達(dá)，從而開辟無人機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車的遙感應(yīng)用新途徑。

▎論文信息

Song, P., Wang, R., Loetgering, L. et al. Ptycho-endoscopy on a lensless ultrathin fiber bundle tip. Light Sci Appl 13, 168 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01510-5

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