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▎導讀

為了克服傳統內窺鏡成像技術的限制，康涅狄格大學鄭國安教授領導的研究團隊開發了一種新型成像技術---合成孔徑疊層成像內窺鏡（Synthetic Aperture Ptycho-Endoscopy，簡稱SAPE）。

該技術結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，并利用相位恢復算法合成一個大于探頭物理尺寸的虛擬孔徑，成功實現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”為題發表在Light: Science & Applications。

圖1. (a)合成孔徑雷達原理。(b)合成孔徑疊層成像內窺鏡原理。

▎正文

2019年，事件視界望遠鏡捕捉到了銀河系中心黑洞的首張圖像，創造了歷史。這一成就得益于全球射電望遠鏡網絡的協同工作。通過地球的自轉，事件視界望遠鏡合成了一個與地球大小相當的虛擬孔徑，實現了前所未有的空間分辨率。同樣，合成孔徑雷達使用移動天線發射電磁脈沖并收集返回的回波，合成一個大的虛擬孔徑以實現高分辨率遙感成像(如圖1a所示)。事件視界望遠鏡和合成孔徑雷達都依賴于原子鐘的精確計時和相位信息的相干檢測。在這兩個例子中，合成孔徑成像的成功激發了研究人員在其他領域中探索合成孔徑方法的潛力，包括工業和醫學成像。

以內窺鏡成像為例，傳統的內窺鏡成像受限于探頭尺寸，難以實現高分辨率，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主要挑戰。此外，簡化成像過程以適應不同的臨床應用場景也是一個重要的技術難點。

● 利用衍射圖像恢復相位信息

有別于合成孔徑雷達需要直接測量相位信息,SAPE融合了疊層成像技術來避免在光頻段對相位進行相干測量。其關鍵優勢在于能夠僅從衍射強度測量結果中恢復相位信息,無需參考波或相干檢測。這意味著,與事件視界望遠鏡和合成孔徑雷達不同,SAPE不需要參考時鐘進行相干檢測。通過重建衍射圖案的相位信息,SAPE實現了相位恢復及高分辨率成像,簡化了實驗裝置,增強了系統的適應性,使其更適用于各種臨床和工業環境。

● 時空低秩分解

在SAPE中，光纖束的遠端作為散射層對物體的波前進行調制。在實際操作中，由于手部運動和系統擾動等因素，光纖束的調制作用會發生變化，從而影響成像質量。為了解決這個問題，SAPE采用了低秩時空分解技術處理光纖束調制作用的變化。具體來說，SAPE將光纖束的調制作用表示為一個時空信號，并對其進行低秩分解。通過分解后的低秩成分，可以重構出原始的光纖束調制作用，從而校正和補償由手部運動和系統擾動引起的調制變化，提高了成像質量和穩定性(如圖2所示)。這使得系統在實際操作中更加可靠，并能在各種環境中保持高質量的成像性能。

圖2：(a)合成孔徑疊層成像內窺鏡成像模型。（b）光纖束的低秩時空分解。

 ● 高分辨率、擴展景深成像

SAPE的無鏡頭設計允許其對鏡頭難以到達的區域進行成像。憑借其548納米的分辨率和超過2厘米的擴展景深，SAPE能夠對復雜的非平面表面進行高分辨率成像。圖3比較了未經處理的采集圖像以及SAPE的重構結果。

圖3：SAPE原始采集數據及重構結果的對比。

● 前景展望

SAPE有望對醫學診斷和工業檢測產生影響。這種無鏡頭設計的內窺鏡允許對以前鏡頭難以觸及的區域進行高分辨成像。在醫學領域，SAPE技術在胃腸病學、肺病學和腫瘤學等領域顯示出的潛力，可用于疾病檢測和治療。此外，SAPE技術在工業檢測方面也展現出潛力，能夠在狹小空間中進行無損檢測和質量控制。鄭國安教授和他的團隊正字繼續完善和擴展SAPE的能力。其團隊的一個正在努力的方向是將SAPE概念擴展到光學波長的合成孔徑雷達，從而開辟無人機和自動駕駛汽車的遙感應用新途徑。

▎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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