広い視野と被写界深度で解像度が向上したスペックル構造照明内視鏡検査

2023 年 5 月 11 日

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Compuscript Ltd 著

超解像度イメージングは​​、イメージング界、特に顕微鏡分野で過去数十年にわたりホットな話題となってきました。 顕微鏡画像処理コミュニティではいくつかの興味深い偉業が達成されていますが、顕微鏡画像処理コミュニティと内視鏡画像処理コミュニティの間には大きな溝が残っています。

従来のギャップを埋める 2 つの主なイメージング パラメータは、広い視野 (FOV) と深い被写界深度 (DOF) での画像取得と処理です。これは通常、超解像度を達成しようとするときに回避する必要があるボトルネックです。画像。 顕微鏡において、高い時間分解能と低い光毒性で広い視野を達成できる方法は、構造化照明顕微鏡（SIM）と呼ばれます。 標準 SIM では、空間分解能を光学系の回折限界の約 2 倍に向上させることができます。

SIM は非常に高い空間解像度を達成することを目的としているため、通常、DOF は非常に小さいです。 これは、SIM には高レベルの焦点距離制御が必要であることを意味し、これが顕微鏡アプリケーションの実際的な制限の 1 つとなっています。 対照的に、内視鏡イメージングでは、内視鏡イメージングとそのイメージングと探索の対象となるサンプルの性質上、非常に広い FOV と大きな DOF が非常に重要です。 したがって、広い FOV と大きな DOF で内視鏡画像の超解像を達成する可能性を探ることは、非常に興味深いことです。

この研究では、スペックル構造照明内視鏡 (SSIE) と呼ばれる新しい技術が検討されています。 Opto-Electronic Advances に掲載されたこの研究では、著者らは標準的な白色光内視鏡 (WLE) に 2 本のファイバーを導入し、高解像度のスペックルを照射して対象物を照明します。 ランダムなスペックル パターンは、2 本のファイバーからのレーザー光間の干渉から生成されます。 標準解像度の多数の画像が WLE カメラによって収集され、画像再構成アルゴリズムの対象となって 1 つの超解像度画像が生成されます。

この研究では、光源、つまりレーザーからのランダムな照明パターンを搬送するマルチモードファイバーを、広い視野と自由度をカバーするだけでなく、照明ビーム間に大きな角度の干渉が発生し、イメージングにおける超解像の達成に貢献します。 この研究は平面と非平面の両方で検査されており、大きな DOF でのイメージングという SSIE の目的を証明しています。

さらに、この研究でも検討されている理論的な観点から、FOV と DOF は WLE が許す限り大きく拡張できます。 さらに、SSIE は、SIM の場合のように照明パターン、校正プロトコル、または集束光学系の厳密な制御を必要としないため、実験セットアップが大幅に簡素化されます。

この研究では、標準的な WLE の全身限界を超えて、広い FOV および DOF で解像度が 2 ～ 4.5 倍向上することが実証されています。 研究の実験結果は、臨床内視鏡検査の実践に有益となる可能性のある、広い視野と自由度での内視鏡イメージングにおける超解像への独自の道を提示するSSIEの可能性を示しています。 より広い観点から見ると、このイメージング技術は、広い FOV および DOF での高解像度が優先または重要である生物医学、医療、およびカメラベースのシステムの他の同様の領域にも採用できます。

この記事の著者らは、内視鏡検査のプロセス中に取得された画像の超解像度を達成するために利用されるスペックル構造照明内視鏡と呼ばれる新しい方法を提案し、実証します。 スペックル構造照明とは、レーザーなどのコヒーレント光源から発生するランダムな光照明パターンを研究対象のサンプル上で使用および方向付けること以外の何ものでもありません。

この研究の重要性は主に、既存の高解像度内視鏡の状態と比較して、一般的な白色光内視鏡で可能な広さと大きさである広い視野と深い被写界深度の最適なイメージングパラメータで画像解像度を向上させることにあります。この技術では、画像の検査と取得における視野と被写界深度が非常に限られています。 高解像度には、視野や被写界深度が通常互いに反比例の関係にあるため、常に妥協が伴います。

したがって、この研究で対処されている主なボトルネックは、内視鏡画像で超解像度を達成する能力と、逆に関連する広い視野と深い被写界深度の画像パラメータです。 さらに、この研究のシステムは標本やサンプルの特定の特性に依存しないため、あらゆるサンプルをイメージングに使用でき、その潜在的な影響と影響をさらに拡大できます。 この研究は、診療所や保健センターの内視鏡画像処理コミュニティに利益をもたらす可能性があります。 イメージングとデバイスベースの両方の観点から見て、画像データの取得と処理に豪華な機器や厳格なイメージング制御は必要ありません。

これにより、スペックル構造照明内視鏡システムは、内視鏡検査だけでなく幅広いイメージング分野への応用と採用が非常に容易になります。 この方法は、インコヒーレントイメージングモダリティを実装する同様のイメージング分野、通常は研究対象のサンプルを染色する蛍光色素を使用する方法に潜在的に応用される場合に最も実現可能です。 さらに、スペックル構造の内視鏡照明のデモンストレーションは、使用されるスコープやプローブの内部構造、種類、仕様とは無関係です。 したがって、動作原理が同じであるため、イメージング技術は、応用が臨床であれ産業であれ、同様の解像度向上要素を備えたあらゆる白色光内視鏡モダリティに応用できます。

さらに、現実的なイメージング シナリオでは、研究対象のサンプルは非平面である可能性があります。 この研究では、ランダムな光学照明によって三次元非平面表面をイメージングする可能性を探求しているため、この研究で採用されたイメージング概念を生物医学、医療、またはカメラベースのイメージング システムなどの他のイメージング分野に直接翻訳することが可能です。それはかなり簡単です。

より広い意味では、画像を取得するカメラを備え、この研究で実証された方法でサンプル上にランダム パターン ベースの光学照明を配置およびルーティングできるイメージング システムは、最適なイメージングで超解像を達成できます。特に、内視鏡検査、カメラシステムの深度ベースのイメージング、顕微鏡検査、および同様の分野など、深いイメージング被写界深度を持つことで恩恵を受ける可能性のあるシステムにおいて、この研究で検討されているパラメータが重要です。

詳しくは： Elizabeth Abraham 他、広い視野と被写界深度で解像度が向上したスペックル構造化照明内視鏡、Opto-Electronic Advances (2023)。 DOI: 10.29026/oea.2023.220163

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