光學內窺鏡廣泛用于對人體內部進行成像腺律，從而實現(xiàn)疾病診斷和手術圖像引導奕短。此外，光纖顯微內窺鏡正成為對活體動物進行結構和功能腦成像的非常有價值的工具匀钧。此類行為研究需要具有高時空分辨率的工具翎碑，在大空間范圍上成像，從而捕捉大腦深處的大規(guī)模神經活動之斯。當前的一種方法是通過單芯光纖的頭端(distal)掃描或使用多芯光纖的近端(proximal)掃描來獲取場景的每個圖像像素日杈。這種設計通常使用機械掃描儀和微透鏡，并以高空間分辨率恢復圖像吊圾，但視野受掃描儀偏轉角的限制。另一種方法為寬場照明翰蠢，使用多芯光纖或光纖束進行檢測项乒，其中纖芯傳輸場景的圖像像素。在這種情況下梁沧，由于纖芯之間的串擾和像素化偽影檀何，圖像質量會下降。此外，減少纖芯的數(shù)量可以縮小體積频鉴，但視野會隨之變小栓辜，同時上述效果(串擾和像素化偽影)變得更加明顯。此外垛孔，基于寬場照明和使用微透鏡成像的手持顯微鏡zui近已被證明用于自由移動小鼠的大腦成像藕甩。但是，不管采用何種不同的方法周荐，大多數(shù)方法使用的頭端透鏡都在成像探頭的小型化與其成像性能之間進行了權衡狭莱。微型化的物理尺寸限制是腦成像的一個特殊問題，因為探針植入不可避免地會破壞此類研究旨在了解的復雜神經回路概作。
博覽：2019 ScienceAdvances 微創(chuàng)無透鏡計算顯微內窺鏡
技術背景：
光學內窺鏡廣泛用于對人體內部進行成像腋妙，從而實現(xiàn)疾病診斷和手術圖像引導。此外讯榕，光纖顯微內窺鏡正成為對活體動物進行結構和功能腦成像的非常有價值的工具骤素。此類行為研究需要具有高時空分辨率的工具，在大空間范圍上成像愚屁，從而捕捉大腦深處的大規(guī)模神經活動济竹。當前的一種方法是通過單芯光纖的頭端(distal)掃描或使用多芯光纖的近端(proximal)掃描來獲取場景的每個圖像像素。這種設計通常使用機械掃描儀和微透鏡集绰，并以高空間分辨率恢復圖像规辱，但視野受掃描儀偏轉角的限制。另一種方法為寬場照明栽燕，使用多芯光纖或光纖束進行檢測罕袋，其中纖芯傳輸場景的圖像像素。在這種情況下碍岔，由于纖芯之間的串擾和像素化偽影浴讯，圖像質量會下降。此外蔼啦，減少纖芯的數(shù)量可以縮小體積榆纽，但視野會隨之變小，同時上述效果(串擾和像素化偽影)變得更加明顯捏肢。此外奈籽，基于寬場照明和使用微透鏡成像的手持顯微鏡zui近已被證明用于自由移動小鼠的大腦成像。但是鸵赫，不管采用何種不同的方法衣屏，大多數(shù)方法使用的頭端透鏡都在成像探頭的小型化與其成像性能之間進行了權衡。微型化的物理尺寸限制是腦成像的一個特殊問題辩棒，因為探針植入不可避免地會破壞此類研究旨在了解的復雜神經回路狼忱。
zui近膨疏，基于編碼孔徑成像的無透鏡相機已被提出用于生物和商業(yè)應用。這些相機外形平坦钻弄，橫向尺寸與裸圖像傳感器芯片接近佃却，成像工作距離可變，可以不接觸對樣品成像窘俺。它的工作原理是在裸傳感器前面附近放置單個空間掩模(spatial mask)饲帅，光通過掩模傳播到圖像傳感器上。正則化的zui二乘zui小化算法使用場景編碼孔徑響應的單個快照來重建場景批销。值得注意的是洒闸，其它基于編碼孔徑的成像系統(tǒng)也展示了光場成像能夠通過計算重新聚焦位于不同深度的物體。
當前不足：
（1）目前已有的幾種使用多模光纖均芽、多芯光纖或套管(cannula)的無透鏡內窺鏡設計丘逸，存在對彎曲敏感、視野受限或無顏色分辨能力等缺點掀宋。
（2）現(xiàn)有無透鏡相機有平坦的外形深纲，但受圖像傳感器陣列和相關電子設備的尺寸限制，導致它們的橫向尺寸很大劲妙。因此湃鹊，這些方法適合在應用于組織表面，不適合植入組織深層成像镣奋。
文章創(chuàng)新點：
基于此币呵，美國約翰霍普金斯大學的Jaewook Shin(第1作者)和Mark A. Foster(通訊作者)等人提出將編碼孔徑成像與多芯光纖相結合，創(chuàng)建了一個頭端(distal)無透鏡的顯微內窺鏡系統(tǒng)侨颈，同時實現(xiàn)了小型化和寬視野余赢。該顯微內窺鏡對彎曲不敏感，能夠實現(xiàn)彩色成像哈垢。視場980um妻柒，使用6000根纖芯，分辨率達14um.
原理解析：
（1）圖像形成及重建耘分。本質上举塔，頭端透鏡被一個簡單的隨機二元空間掩模（即編碼孔徑）取代，它調制從場景傳播到光纖面的光強求泰。與寬場照明方法不同央渣，每個光纖纖芯用作單個測量而不是圖像像素，因為纖芯測量從場景內不同點發(fā)出的光的偽隨機線性組合渴频，從而能夠在沒有像素化偽影的情況下重建圖像芽丹。成像問題可以描述為y=Ax, A是一個大小為M X N的標定矩陣，它的每一列表示系統(tǒng)對點物的響應枉氮。x是大小為N X 1的重建圖像志衍，y是大小為M X 1的系統(tǒng)響應(M是多芯光纖的纖芯數(shù)，N是重建圖像的像素數(shù))聊替。圖像重建可以看作為一個zui小化的約束優(yōu)化問題來求解楼肪。
（2）標定矩陣標定。對于二維圖像惹悄，重建的圖像是60*60個像素春叫，在980um的視場上標定60*60=3600個物方點源的圖像。對于三維圖像泣港，設立11個深度層暂殖，層間間隔為300um，標定11*60*60=39600個點源圖像当纱。對于彩色成像呛每，還需要單獨標定每一個顏色通道。
視頻1：三維成像效果
附錄：
（2）無透鏡與有透鏡性能對比：
（3）實驗裝置
參考文獻：J. Shin, D. N. Tran, J. R. Stroud, S. Chin, T. D. Tran, M. A. Foster, A minimally invasive lens-free computational microendoscope. Sci. Adv. 5, eaaw5595 (2019).
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw5595#F3
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