生物醫(yī)學(xué)需要微創(chuàng)內(nèi)窺鏡宙暇，纖維內(nèi)窺鏡是微創(chuàng)內(nèi)窺鏡的一種输枯，被廣泛用于體內(nèi)進行醫(yī)學(xué)觀察。常見的柔性內(nèi)窺鏡基于相干光纖束(coherent fiber bundles, CFB占贫，也稱為多芯光纖),它將強度模式從遠端光纖面的隱藏區(qū)域傳輸?shù)浇斯饫w端面的儀器上桃熄。位于光纖遠端的鏡頭縮小或放大芯到芯的距離型奥，并確定系統(tǒng)的分辨率瞳收。相干光纖束的直徑可小至數(shù)百微米，以實現(xiàn)微創(chuàng)的目的厢汹。然而螟深，遠端光學(xué)部件增加了內(nèi)窺鏡的尺寸(通常在毫米范圍)烫葬。此外界弧，傳統(tǒng)的二維內(nèi)窺鏡在沒有機械掃描的情況下無法給出深度信息。
DOE+CFB+U-Net網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)直徑小于0.5mm的超細內(nèi)窺鏡
技術(shù)背景：
生物醫(yī)學(xué)需要微創(chuàng)內(nèi)窺鏡垢箕，纖維內(nèi)窺鏡是微創(chuàng)內(nèi)窺鏡的一種，被廣泛用于體內(nèi)進行醫(yī)學(xué)觀察兑巾。常見的柔性內(nèi)窺鏡基于相干光纖束(coherent fiber bundles, CFB舰讹，也稱為多芯光纖),它將強度模式從遠端光纖面的隱藏區(qū)域傳輸?shù)浇斯饫w端面的儀器上。位于光纖遠端的鏡頭縮小或放大芯到芯的距離闪朱，并確定系統(tǒng)的分辨率月匣。相干光纖束的直徑可小至數(shù)百微米钻洒，以實現(xiàn)微創(chuàng)的目的锄开。然而素标，遠端光學(xué)部件增加了內(nèi)窺鏡的尺寸(通常在毫米范圍)。此外萍悴，傳統(tǒng)的二維內(nèi)窺鏡在沒有機械掃描的情況下無法給出深度信息头遭。
最近癣诱，具有三維成像能力的超細內(nèi)窺鏡已被提出计维，它能進入像視覺皮層、耳蝸和細血管這樣的精細結(jié)構(gòu)撕予■昊蹋基于單模光纖的最細內(nèi)窺鏡，其三維打印的遠端光學(xué)部件用于一維光學(xué)相干層析成像(OCT),直徑可小至100um以下欠母。然而，用于三維成像的OCT系統(tǒng)依賴微機電系統(tǒng)(MEMS)完成掃描動作吆寨，這直接導(dǎo)致了它的尺寸增至1mm以上赏淌。
基于多模光纖的最細成像內(nèi)窺鏡，在其插入目標的遠端不需要大型的光學(xué)元件啄清。具有三維成像能力的多模光纖內(nèi)窺鏡尺寸可至約100um六水。然而，多模光纖展示出了復(fù)雜的光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)辣卒，這歸因于模式混合和模式色散掷贾。要實現(xiàn)成像，多模光纖內(nèi)窺鏡需要依賴傳輸特性的校準添寺。這可以通過依序激發(fā)所有支持的光纖模式懈费，然后使用數(shù)字全息或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來記錄光學(xué)傳遞函數(shù)來實現(xiàn)计露。可編程的光學(xué)元件憎乙，如空間光調(diào)制器(SLM)預(yù)先編碼光纖近端的光場票罐，以在光纖遠端獲得想要的光場分布。這可以在光纖遠端面產(chǎn)生聚焦和其它更復(fù)雜的光場模式泞边。OTF與光纖的彎曲该押、波長漂移、溫度變化強相關(guān)阵谚，這意味著需要實時原位校準蚕礼。但實際上校準很復(fù)雜，很難實現(xiàn)實時奠蹬。
相比之下朝聋，CFB在分離的纖芯中引導(dǎo)不同的模式。當芯間串擾可以忽略的時候囤躁，沒有模式混合產(chǎn)生冀痕。然而，隨機相位變化在鄰近纖芯之間發(fā)生狸演。這可以使用SLM通過數(shù)字光學(xué)相位共軛(digital optical phase conjugation, DOPC)來校準言蛇。CFB可以看作是一個短的相位物體，它具有很強的記憶效應(yīng)宵距，這意味著輸入耦合波前的變化會直接轉(zhuǎn)化為輸出耦合的波前腊尚。這種簡化的傳輸特性使得單面和單次校準技術(shù)消玄，以及使用共振掃描儀進行快速三維成像稱為可能跟伏。然而，這樣的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要包含各種自適應(yīng)或可編程光學(xué)器件的復(fù)雜裝置翩瓜。法國菲涅耳研究所的研究人員最近提出了一種優(yōu)化CFB受扳，它具有彎曲不變的傳輸特性和更大的視場。他們指出彎曲誘導(dǎo)的相位畸變來源于CFB內(nèi)部的光程差勘高，這種光程差取決于離中性軸(neutral axis)的平均距離，可以通過扭曲纖芯的排布來讓其最小化坟桅。然而华望，這樣的光纖難以制造，并且只有數(shù)百纖芯仅乓。
技術(shù)要點：
基于此赖舟，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)(TU Dresden)的Robert Kuschmierz等人提出了一種無需空間光調(diào)制器這樣的大器件完成像差校準，利用衍射光學(xué)元件(DOE)夸楣、相干光纖束宾抓、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，實現(xiàn)直徑小于0.5mm豫喧，分辨率約1um的超細內(nèi)窺鏡。
(1)利用CFB的記憶效應(yīng)紧显，使用靜態(tài)的DOE(雙光子聚合光刻(2-photon polymerization lithography)制造)替代SLM的動態(tài)調(diào)制來補償畸變讲衫。
(2)DOE的隨機pattern將三維物體的信息編碼成二維的散斑pattern，沿著超細的CFB傳輸孵班∩媸蓿基于U-Net的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對散斑pattern解碼招驴，完成三維重建。
a枷畏、DOE-Diffuser內(nèi)窺鏡的方案和原理忽匈。遠端的diffuser將三維目標信息編碼為二維散斑圖案，該圖案通過CFB傳輸?shù)浇丝罅桑褂蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)實時恢復(fù)三維信息。b袋倔、不同距離(從上到下)和垂直位置(從左到右)的PSF雕蔽。水平線表示PSF的垂直位移。c宾娜、隨機和未知距離處的二維目標重建示例批狐。d、以隨機和未知距離重建多層三維目標的示例前塔。
附錄：
a 每根光纖纖芯都具有隨機相位延遲嚣艇，這會增加到耦合波前上并導(dǎo)致光纖輸出處的高空間頻率干擾。b 根據(jù)光記憶效應(yīng)华弓，彎曲光纖會增加一個整體傾斜到傳輸波前上食零。c 使用空間光調(diào)制器進行動態(tài)數(shù)字光學(xué)相位共軛 (DOPC) 補償相位失真寂屏。通過在近端光纖側(cè)的SLM上添加菲涅耳透鏡的相位結(jié)構(gòu)來執(zhí)行遠端光纖側(cè)的聚焦贰谣。d DOE提供聚焦和相位共軛(假設(shè)CFB的靜態(tài)像差并放置在近端光纖面的前面)。e 3D打印的DOE放置在光纖近端面迁霎，用于像差校正和聚焦吱抚。
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)方案考廉。編碼器最后階段使用兩個dropout層來減少過擬合秘豹。總共使用了九個單獨訓(xùn)練的CNN昌粤，每個CNN重建一個相關(guān)的目標平面既绕。
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