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Apr 13, 2023

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Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8071 (2023) Citare questo articolo

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L'imaging compressivo ad alta risoluzione tramite una fibra multimodale flessibile viene dimostrato utilizzando una sorgente laser spazzata e un'illuminazione speckle dipendente dalla lunghezza d'onda. Per esplorare e dimostrare un approccio senza scansione meccanica per l'imaging ad alta risoluzione attraverso una sonda in fibra ultrasottile e flessibile, viene utilizzato uno swept-source costruito internamente che consente il controllo indipendente della larghezza di banda e della portata di scansione. La ricostruzione computazionale dell'immagine viene mostrata utilizzando una larghezza di banda ristretta di \(< 10\) nm mentre il tempo di acquisizione è ridotto del 95% rispetto all'endoscopia a scansione raster convenzionale. L'illuminazione dimostrata a banda stretta nello spettro visibile è vitale per il rilevamento dei biomarcatori di fluorescenza nelle applicazioni di neuroimaging. L'approccio proposto offre semplicità e flessibilità del dispositivo per l'endoscopia minimamente invasiva.

Nello sviluppo di endoscopi più piccoli e minimamente invasivi, le fibre ultrasottili svolgono un ruolo fondamentale. Sono state proposte molte configurazioni endoscopiche basate su fibre: fasci1,2,3, fibre con ottica miniaturizzata4,5, fibre multi-core (MCF)6,7 e fibre multimodali (MMF)8,9,10,11,12 . MCF o MMF forniscono immagini in luoghi difficili da raggiungere creando schemi di luce risolti spazialmente all'estremità distale della fibra e raccogliendo il segnale dal campione. Di solito, un raggio monocromatico viene scansionato in sequenza attraverso la sfaccettatura di ingresso della fibra generando modelli di illuminazione indipendenti sul piano del campione. I modelli illuminano il campione e il segnale viene raccolto e misurato tramite un rilevatore "a secchiello". La configurazione a pixel singolo consente l'esplorazione di algoritmi di rilevamento della compressione, utilizzando un insieme di modelli sub-Nyquist e la ricostruzione computazionale a super risoluzione dell'oggetto13,14,15,16,17,18,19,20.

Tuttavia, la componente cruciale in tutte queste configurazioni è la necessità di un dispositivo di scansione della luce o di modellazione del fronte d'onda per creare i modelli di illuminazione desiderati all'uscita della fibra. Comunemente vengono utilizzati specchi galvanometrici17, un modulatore di luce spaziale (SLM)11,21 o un dispositivo a microspecchi digitale (DMD)22,23. Choudhury et al. hanno riferito dell'utilizzo di una fibra monomodale (SMF) per illuminare in sequenza i nuclei di una MCF, montando l'estremità prossimale della MCF su un palco controllato da computer7. La scansione raster spaziale o la modellazione del fronte d'onda spaziale presentano molti inconvenienti tra cui la complessità della configurazione, la bassa velocità e l'instabilità meccanica. Qui esploriamo un nuovo modo per generare modelli di illuminazione dinamica per l'imaging MMF.

La lunghezza d'onda della luce può essere utilizzata come ulteriore grado di libertà per controllare il profilo spaziale all'uscita della fibra. Diverse lunghezze d'onda (frequenze ottiche) hanno velocità diverse mentre si propagano attraverso la guida d'onda e quindi hanno ritardi di fase diversi tra le modalità guidate dell'MMF sull'uscita24,25. Questa proprietà consente modelli di macchioline unici dipendenti dalla lunghezza d'onda sulla sfaccettatura di uscita. Recentemente è stata dimostrata l'imaging a pixel singolo tramite rilevamento di compressione e diffusione dipendente dalla lunghezza d'onda nello strato \(TiO_{2}\)26. Un concetto simile che utilizza una configurazione interamente in fibra è stato proposto da Kubota et al. in27. Tuttavia, non sono stati riportati dati sulla flessibilità della sonda e sulla robustezza dell'imaging. Inoltre, in questi lavori è stata utilizzata l'illuminazione nel vicino infrarosso (NIR), il che rende i sistemi dimostrati non adatti per future applicazioni nell'imaging fluorescente, poiché la maggior parte dei fluorofori opera nella gamma di lunghezze d'onda visibili.

Qui mostriamo una sonda ultrasottile e flessibile per l'imaging di fibre ad alta risoluzione nel dominio visibile utilizzando una sorgente laser spazzata su misura e una sonda combinata monomodale-multimodale. Diversi campioni sono stati visualizzati e studiati. La robustezza dell'approccio di imaging è stata testata eseguendo misurazioni di calibrazione prima dell'imaging con successivi movimenti delle fibre che imitavano il movimento endoscopico dell'applicazione reale. L'approccio proposto non si basa su alcuna scansione raster spaziale o sistema di modellatura del fronte d'onda e può potenzialmente fornire imaging endoscopico a super risoluzione.