Light | 从望远镜到内窥镜的孔径合成

本文由论文作者团队投稿

▎导读

为了克服传统内窥镜成像技术的限制，康涅狄格大学郑国安教授领导的研究团队开发了一种新型成像技术---合成孔径叠层成像内窥镜（Synthetic Aperture Ptycho-Endoscopy，简称SAPE）。

该技术结合了无透镜叠层成像和合成孔径的原理，通过手部操作引入位置偏移，获取样本不同位置的衍射图像，并利用相位恢复算法合成一个大于探头物理尺寸的虚拟孔径，成功实现了超越探头尺寸衍射极限的高分辨率成像(如图1b所示)。

该工作以“Ptycho-endoscopy on a lensless ultrathin fiber bundle tip”为题发表在Light: Science & Applications。

图1. (a)合成孔径雷达原理。(b)合成孔径叠层成像内窥镜原理。

▎正文

2019年，事件视界望远镜捕捉到了银河系中心黑洞的首张图像，创造了历史。这一成就得益于全球射电望远镜网络的协同工作。通过地球的自转，事件视界望远镜合成了一个与地球大小相当的虚拟孔径，实现了前所未有的空间分辨率。同样，合成孔径雷达使用移动天线发射电磁脉冲并收集返回的回波，合成一个大的虚拟孔径以实现高分辨率遥感成像(如图1a所示)。事件视界望远镜和合成孔径雷达都依赖于原子钟的精确计时和相位信息的相干检测。在这两个例子中，合成孔径成像的成功激发了研究人员在其他领域中探索合成孔径方法的潜力，包括工业和医学成像。

以内窥镜成像为例，传统的内窥镜成像受限于探头尺寸，难以实现高分辨率，宽景深成像。因此，如何在不增加探头尺寸的情况下提高成像分辨率是一个主要挑战。此外，简化成像过程以适应不同的临床应用场景也是一个重要的技术难点。

● 利用衍射图像恢复相位信息

有别于合成孔径雷达需要直接测量相位信息,SAPE融合了叠层成像技术来避免在光频段对相位进行相干测量。其关键优势在于能够仅从衍射强度测量结果中恢复相位信息,无需参考波或相干检测。这意味着,与事件视界望远镜和合成孔径雷达不同,SAPE不需要参考时钟进行相干检测。通过重建衍射图案的相位信息,SAPE实现了相位恢复及高分辨率成像,简化了实验装置,增强了系统的适应性,使其更适用于各种临床和工业环境。

● 时空低秩分解

在SAPE中，光纤束的远端作为散射层对物体的波前进行调制。在实际操作中，由于手部运动和系统扰动等因素，光纤束的调制作用会发生变化，从而影响成像质量。为了解决这个问题，SAPE采用了低秩时空分解技术处理光纤束调制作用的变化。具体来说，SAPE将光纤束的调制作用表示为一个时空信号，并对其进行低秩分解。通过分解后的低秩成分，可以重构出原始的光纤束调制作用，从而校正和补偿由手部运动和系统扰动引起的调制变化，提高了成像质量和稳定性(如图2所示)。这使得系统在实际操作中更加可靠，并能在各种环境中保持高质量的成像性能。

图2：(a)合成孔径叠层成像内窥镜成像模型。（b）光纤束的低秩时空分解。

 ● 高分辨率、扩展景深成像

SAPE的无镜头设计允许其对镜头难以到达的区域进行成像。凭借其548纳米的分辨率和超过2厘米的扩展景深，SAPE能够对复杂的非平面表面进行高分辨率成像。图3比较了未经处理的采集图像以及SAPE的重构结果。

图3：SAPE原始采集数据及重构结果的对比。

● 前景展望

SAPE有望对医学诊断和工业检测产生影响。这种无镜头设计的内窥镜允许对以前镜头难以触及的区域进行高分辨成像。在医学领域，SAPE技术在胃肠病学、肺病学和肿瘤学等领域显示出的潜力，可用于疾病检测和治疗。此外，SAPE技术在工业检测方面也展现出潜力，能够在狭小空间中进行无损检测和质量控制。郑国安教授和他的团队正字继续完善和扩展SAPE的能力。其团队的一个正在努力的方向是将SAPE概念扩展到光学波长的合成孔径雷达，从而开辟无人机和自动驾驶汽车的遥感应用新途径。

▎论文信息

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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