I ricercatori hanno sviluppato un nuovo endoscopio autocalibrante che produce immagini 3D di oggetti più piccoli di una singola cellula. Senza un obiettivo o qualsiasi ottica, componenti elettrici o meccanici, la punta dell'endoscopio misura solo 200 micron di diametro, circa la larghezza di alcuni capelli umani attorcigliati insieme.

Come strumento minimamente invasivo per l'imaging delle caratteristiche all'interno dei tessuti viventi, l'endoscopio estremamente sottile potrebbe consentire una varietà di applicazioni mediche e di ricerca. La ricerca sarà presentata alla conferenza Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), tenutasi dal 15 al 19 settembre a Washington, DC, STATI UNITI D'AMERICA.

Secondo Juergen W. Czarske, Direttore e Professore C4 alla TU Dresda, Germania e autore principale dell'articolo:"L'endoscopio a fibra senza lenti ha approssimativamente le dimensioni di un ago, consentendogli di avere un accesso minimamente invasivo e immagini ad alto contrasto, nonché una stimolazione con una robusta calibrazione contro la flessione o la torsione della fibra." È probabile che l'endoscopio sia particolarmente utile per gli approcci di ricerca optogenetica che utilizzano la luce per stimolare l'attività cellulare. Potrebbe anche rivelarsi utile per il monitoraggio di cellule e tessuti durante le procedure mediche e per le ispezioni tecniche.

Un sistema autocalibrante

Gli endoscopi convenzionali utilizzano fotocamere e luci per catturare immagini all'interno del corpo. Negli ultimi anni i ricercatori hanno sviluppato modi alternativi per catturare immagini attraverso fibre ottiche, eliminando la necessità di fotocamere ingombranti e altri componenti ingombranti, consentendo endoscopi significativamente più sottili. Nonostante la loro promessa, però, queste tecnologie soffrono di limitazioni come l'incapacità di tollerare le fluttuazioni di temperatura o la flessione e la torsione della fibra.

Un grosso ostacolo per rendere pratiche queste tecnologie è che richiedono complicati processi di calibrazione, in molti casi mentre la fibra raccoglie immagini. Per affrontare questo, i ricercatori hanno aggiunto una lastra di vetro sottile, solo 150 micron di spessore, alla punta di un fascio di fibre coerente, un tipo di fibra ottica comunemente utilizzata nelle applicazioni di endoscopia. Il fascio di fibre coerente utilizzato nell'esperimento era largo circa 350 micron e consisteva di 10, 000 core.

Quando il nucleo centrale in fibra è illuminato, emette un raggio che viene riflesso nel fascio di fibre e funge da stella guida virtuale per misurare la trasmissione della luce, nota come funzione di trasferimento ottico. La funzione di trasferimento ottico fornisce dati cruciali che il sistema utilizza per calibrarsi al volo.

Mantenere la vista a fuoco

Un componente chiave della nuova configurazione è un modulatore di luce spaziale, che viene utilizzato per manipolare la direzione della luce e consentire la messa a fuoco remota. Il modulatore di luce spaziale compensa la funzione di trasferimento ottico e le immagini sul fascio di fibre. La luce retroriflessa dal fascio di fibre viene catturata sulla fotocamera e sovrapposta a un'onda di riferimento per misurare la fase della luce.

La posizione della stella guida virtuale determina la messa a fuoco dello strumento, con un diametro minimo di messa a fuoco di circa un micron. I ricercatori hanno utilizzato una lente adattiva e uno specchio galvometrico 2-D per spostare la messa a fuoco e consentire la scansione a diverse profondità.

Dimostrazione dell'imaging 3D

Il team ha testato il dispositivo utilizzandolo per l'immagine di un campione 3D sotto un coprioggetto spesso 140 micron. Scansione del piano dell'immagine in 13 passaggi su 400 micron con una frequenza dell'immagine di 4 cicli al secondo, il dispositivo ha ripreso con successo le particelle nella parte superiore e inferiore del campione 3-D. Però, la sua messa a fuoco si deteriorò all'aumentare dell'angolo dello specchio del galvometro. I ricercatori suggeriscono che il lavoro futuro potrebbe affrontare questa limitazione. Inoltre, l'utilizzo di uno scanner galvometrico con un frame rate più elevato potrebbe consentire un'acquisizione delle immagini più rapida.

"Il nuovo approccio consente sia la calibrazione in tempo reale che l'imaging con invasività minima, importante per l'imaging 3D in situ, manipolazione meccanica delle cellule basata su lab-on-a-chip, optogenetica in vivo dei tessuti profondi, e le ispezioni tecniche del buco della serratura, ", ha detto Czarske.