Light | 光纤显微内窥镜：癌细胞三维成像

注：本文由课题组供稿

| 导读 |

世界卫生组织预估数据显示2020年全球因癌症死亡病例近一千万例，其中我国约占300万例。研究显示，癌症早发现、早治疗能显著提高患者的生存率。然而，因为癌症早期病灶太小，准确对癌症进行早诊断并定位病变位置常常比较困难。

内窥镜成像是癌症临床诊断的常见方法之一，但常规内窥镜的放大倍率只有大约50倍，只能看清组织大概的形貌。经常需要先对“疑似病变”组织进行穿刺取样，再对组织染色，最后由病理医生使用显微镜判断组织是否癌变，流程繁琐且不利于早期治疗。

图1. 常规内窥镜直径至少几十毫米，且放大倍率只有大约50倍。（图源：Light新媒体/VEER）

近日，德国德累斯顿工业大学电子信息学院测量和传感器系统技术实验室联合清华大学、德国马克斯·普朗克光科学研究所的研究团队合作提出一种新型无透镜光纤显微内窥镜成像技术。这种新型内窥镜只有绣花针般大小，却有着1000倍的超高放大倍率，可以让医生“看清”组织表面细胞的同时，极大减轻患者的痛苦。

该文章近日发表在Light: Science & Applications，题为“Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope”。

来自德国德累斯顿工业大学的助理研究员孙佳伟为论文的第一作者和共同通讯作者，Juergen Czarske教授和Nektarios Koukourakis博士为论文的共同通讯作者。该工作得到清华大学曹良才教授、德国马克斯·普朗克光科学研究所Jochen Guck教授的指导。

在目前临床实践中，常规内窥镜可以实时对患者体内的组织进行成像观察，辅助医生进行诊断，在缩短诊断周期的同时，还能避免因采样造成的器官损伤。常规的内窥镜直径从几十毫米到几厘米不等，但放大倍率通常只有50倍，只能看清组织大概的形貌特征，而且将如此粗的常规内窥镜伸进患者体内往往会带来痛苦的体验。

而最新的光纤显微内窥镜的确可以通过共聚焦扫描实现体内显微成像，但需要昂贵的光学系统和复杂的校准流程。且为了提升图像的分辨率，需要对体内组织进行特殊荧光染色，但荧光剂对人体有一定的毒性，而且不易去除，因此无需染色的高对比度成像技术对内窥镜尤其重要。

定量相位成像（Quantitative phase imaging）技术常被用于对未染色的生物医学样品进行高对比度成像，而且通过重建光场的相位信息还能实现三维成像。由于定量相位成像能达到纳米级的轴向分辨率，还常常还被用于芯片表面检测。最新的研究还发现使用定量相位成像能动态检测出血液中的新冠病毒，有望提升实验室病毒检测的速度。

然而，目前的定量相位成像技术大多基于庞大笨重的显微镜平台。在癌症的临床诊断中，经常需要一系列复杂的手续来判断组织是否发生癌变。因此，如果能将定量相位成像技术应用到内窥镜中，将能极大地简化诊断流程，而且还能避免荧光剂对人体带来的损害。

为解决传统内窥镜系统带来的弊端，该组研究人员发明了一种新型的无透镜光纤显微内窥镜系统，并首次通过无透镜光纤内窥镜实现定量相位成像。

该系统使用多芯光纤（Multi-core fiber）作为超细体内成像探针，而多芯光纤是一种约三根头发丝粗的光线束，由一万根单模光纤芯组成。由于没有在探测端使用任何透镜和光学元件，整个探针最粗的地方也只有0.35毫米（见图2），能够极大地减少因常规内窥镜成像给患者带来的痛苦和创伤。

图2.  新型无透镜光纤显微内窥镜与1欧元硬币对比，直径仅为0.35毫米。（图源：Light: Science & Applications (2022) 11:204 Fig. 1）

然而，目前的无透镜内窥镜只能对光纤表面进行成像，就算物体距离光纤表面只有1毫米，成像的质量也会大幅降低。另外，由于一万根单模光纤芯的相位差各不相同，相当于把测量物体的相位信息进行了“加密”，想要完整地通过无透镜内窥镜实现相位成像非常具有挑战性。

为了解决上述问题，研究人员提出了一种新的重建算法，通过把测量物体的相位信息从接收端远场的散斑中“解码”出来，从而进一步获得光纤另外一端的光场信息。实现了利用一张图像进行数字重聚焦，把无透镜光纤显微内窥镜的工作距离从10微米以内显著提升到了10毫米，并首次通过无透镜光纤内窥镜实现定量相位成像。这种全新显微内窥镜的放大倍率可以达到1000倍，最小可以“看清”1微米的物体，并实现纳米级的三维重建。

图3. 新型无透镜光纤显微内窥镜成像原理，通过重建远场散斑实现数字对焦和三维成像。（图源：论文作者）

●数字重聚焦（Digital refocusing）

数字重聚焦是指利用算法，将一张含有光场信息的二维图片，后期重建出不同深度的二位切片，从而实现对物体重新对焦。而光场信息由幅度和相位信息组成，包含了空间的三维信息。在这项研究中，研究人员利用光纤接收端远场的散斑重建出光纤测量端的幅度和相位信息，进而组合为光场信息，借助算法便可进一步重建出不同深度上的幅度和相位图像。有了这项技术，医生便不再需要手动调整内窥镜的焦距，通过算法便可实现实时数字对焦，提升了光纤显微内窥镜的易用性，拓宽了其应用场景。

而定量相位成像作为一项纳米级精密成像技术，对相位重建的准确性有非常高的要求。为了验证相位重建的准确性，研究人员使用光纤显微内窥镜对一个最小光程差只有80纳米的测试板进行定量相位成像。实验很好地重建出了样品的纳米级三维结构，即使是轴向上80纳米光程差的结构也能很准确地重建出来。

为了进一步测试该新型光纤显微内窥镜对生物样品的成像能力，研究人员对未染色的宫颈癌细胞进行了体外成像测试。由于该类癌细胞大多无色透明，所以通常会先对要观察的细胞进行荧光染色，以增加显微镜图像的对比度。然而，荧光剂对人体有一定的毒性，而且不易去除，所以临床上在使用内窥镜进行体内成像的时候，一般不会对体内组织进行荧光染色。既然不能给体内组织染色，而癌细胞又无色透明，那如何提升光纤显微内窥镜的对比度呢？

研究人员利用定量相位成像来提升图像的对比度，并模拟出荧光染色成像效果，使癌细胞可以从复杂的背景中被清晰地分辨出来。图4为通过无透镜光纤显微内窥镜观察到的正在分裂中的宫颈癌细胞。另外值得注意的是，细胞体积、折射率、干质量等重要物理参数也可以从定量相位重建图中计算出来，用以辅助临床诊断和研究。

图4. 由无透镜光纤显微内窥镜拍摄的定量相位图。图中为正在分裂中的宫颈癌细胞（HeLa cell），比例尺为30微米。（Light: Science & Applications (2022) 11:204 Fig. 6）

上述实验成功实现对体外癌细胞的成像，这就意味着这种新型无透镜光纤显微内窥镜有望进一步对体内组织进行高分辨率成像，将在癌症的预警和早期诊断与研究中发挥重要作用。与此同时，这种只有绣花针大小的内窥镜，在极大减轻患者痛苦和创伤的同时，还能深入体内非常狭窄的部位进行显微成像，如耳蜗、微血管、肺泡等。

未来通过提升重建算法的效率，可以进一步提升成像速度，甚至有望实现实时高分辨率成像。作为一种高分辨率且低成本的微型内窥镜成像技术，无透镜光纤显微内窥镜或将在未来的临床诊断中大显身手。

| 论文信息 |

Sun, J., Wu, J., Wu, S. et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope. Light Sci Appl 11, 204 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2

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监制：赵阳

编辑：赵唯