Novo endoscópio sem lente oferece imagens 3D de estruturas subcelulares sem óptica tradicional

A Sociedade Óptica, Washington, DC

Os pesquisadores desenvolveram um novo endoscópio autocalibrado que produz imagens 3D de objetos menores do que uma única célula, sem lente ou quaisquer componentes ópticos, elétricos ou mecânicos. A ponta do endoscópio mede apenas 200 mícrons de diâmetro – aproximadamente a largura de alguns fios de cabelo humanos torcidos juntos. Como uma ferramenta minimamente invasiva para recursos de imagem dentro de tecidos vivos, o endoscópio extremamente fino poderia permitir uma variedade de pesquisas e aplicações médicas.
Os pesquisadores desenvolveram um novo endoscópio autocalibrável que produz imagens 3D de objetos menores que uma única célula. (Crédito:Czarske, TU Dresden, Alemanha)
Os endoscópios convencionais usam câmeras e luzes para capturar imagens dentro do corpo. Nos últimos anos, os pesquisadores desenvolveram formas alternativas de capturar imagens através de fibras ópticas, eliminando a necessidade de câmeras volumosas e outros componentes volumosos, permitindo endoscópios significativamente mais finos. Apesar de serem promissoras, no entanto, estas tecnologias sofrem de limitações, tais como a incapacidade de tolerar flutuações de temperatura ou flexão e torção da fibra.

Um grande obstáculo para tornar essas tecnologias práticas é que elas exigem processos de calibração complicados – em muitos casos, enquanto a fibra coleta imagens. Para resolver isso, os pesquisadores adicionaram uma placa de vidro fina, com apenas 150 mícrons de espessura, à ponta de um feixe de fibras coerente, um tipo de fibra óptica comumente usada em aplicações de endoscopia. O feixe de fibras coerente usado no experimento tinha cerca de 350 mícrons de largura e consistia em 10.000 núcleos.

Quando o núcleo central da fibra é iluminado, ele emite um feixe que é refletido de volta para o feixe de fibras e serve como uma estrela guia virtual para medir como a luz está sendo transmitida. Isso é conhecido como função de transferência óptica, que fornece dados cruciais que o sistema usa para se calibrar em tempo real.

Um componente chave da nova configuração é um modulador de luz espacial, que é usado para manipular a direção da luz e permitir o foco remoto. O modulador de luz espacial compensa a função de transferência óptica e as imagens no feixe de fibras. A luz refletida pelo feixe de fibras é capturada na câmera e sobreposta a uma onda de referência para medir a fase da luz. A posição da estrela guia virtual determina o foco do instrumento, com um diâmetro de foco mínimo de aproximadamente um mícron. Os pesquisadores usaram uma lente adaptativa e um espelho galvômetro 2D para mudar o foco e permitir a digitalização em diferentes profundidades.

A equipe testou seu dispositivo usando-o para criar imagens de uma amostra 3D sob uma lamínula de 140 mícrons de espessura. Digitalizando o plano da imagem em 13 etapas ao longo de 400 mícrons com uma taxa de imagem de 4 ciclos por segundo, o dispositivo obteve imagens de partículas na parte superior e inferior da amostra 3D. No entanto, o seu foco deteriorou-se à medida que o ângulo do espelho do galvômetro aumentou. Os pesquisadores sugerem que trabalhos futuros poderiam resolver essa limitação. Além disso, o uso de um scanner galvômetro com taxa de quadros mais alta poderia permitir uma aquisição de imagem mais rápida.

Essa abordagem permite calibração e geração de imagens em tempo real com invasividade mínima, importante para imagens 3D in-situ, manipulação mecânica de células baseadas em laboratório em um chip, optogenética in vivo de tecidos profundos e inspeções técnicas de buraco de fechadura.

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