斯坦福大学的工程师们展示了一种高分辨率内窥镜，它只有人的头发那么细，分辨率比以前类似设计的设备高出四倍。所谓的微内窥镜是高分辨率、微创生物成像的重要一步，在研究和临床实践中具有潜在的应用价值。显微内窥镜可以在从大脑研究到早期癌症检测等不同领域提供新的方法。
这种新型内窥镜是由一个研究小组在约瑟夫·卡恩他是斯坦福大学工程学院(Stanford School of engineering)电气工程教授。结果是最近发表在杂志上光学表达和在美国光学学会展出关注光学．
他们的原型可以分辨2.5微米大小的物体，0.3微米的分辨率很容易达到。一微米是一毫米的千分之一。相比之下，如今的高分辨率内窥镜只能分辨大约10微米的物体。肉眼可以看到125微米以下的物体。
光路径
卡恩最著名的作品是他在光纤通信方面的工作-对互联网和大型数据中心至关重要的超高速数据管道。他的内窥镜研究始于两年前，当时他和斯坦福大学的一位电子工程师，康Solgaard他们讨论的是生物光子学——一种用于研究生物系统的基于光的技术领域。
卡恩说:“奥拉夫想知道是否有可能将光通过一根头发般细的纤维，在体内形成一个亮点，并扫描它以记录活体组织的图像。”
卡恩和索尔加德知道，机遇和挑战在于多模光纤，在多模光纤中，光通过许多不同的路径传播，在光学中称为模式;因此得名“多模光纤”。光非常擅长通过这种光纤传输复杂的信息——无论是计算机数据还是图像——但在传输过程中，它可能会被打乱，无法识别。
卡恩设计了一种方法，通过使用一种称为空间光调制器的微型液晶显示器来消除信息的混乱。为了实现这一目标，卡恩和他的研究生雷扎·纳西里·马哈拉蒂开发了一种自适应算法——一种专门的计算机程序——通过这种算法，空间光调制器学会了如何解读光线。几年前，卡恩曾用类似的方法解读通过多模光纤传输的计算机数据，创下了传输速度的世界纪录。
当Nasiri Mahalati提到磁共振成像(MRI)的开创性工作时，微型内窥镜的研究发生了意想不到的幸运的转变约翰·保利他是斯坦福大学的另一位电气工程师。保利曾使用随机取样来大大加快核磁共振成像的图像记录。
“Nasiri Mahalati说，‘为什么不使用随机的光模式来加速通过多模光纤的成像呢?就这样。我们在路上，”卡恩回忆道。“创记录的微型内窥镜诞生了。”
直面物理定律
在卡恩的微内窥镜中，空间光调制器通过光纤投射出随机的光模式到人体中，照亮被观察的物体。物体反射的光通过光纤返回到计算机。反过来，计算机测量光的反射功率，并使用Nasiri Mahalati和他的研究生Ruo Yu Gu开发的算法来重建图像。
卡恩和他的学生惊讶地发现，他们的内窥镜可以分辨纤维中模式数量的四倍的图像特征。
“以前的单纤维内窥镜的分辨率仅限于纤维中的模式数量，”卡恩说，“所以这是一个四倍的改进。”
然而，这一结果给该团队带来了一个科学难题。
“这意味着，在某种程度上，我们捕获的信息比物理定律告诉我们的通过光纤的信息要多，”卡恩说。“这似乎是不可能的。”
这个团队花了几个星期的时间来研究这个悖论，最后才找到一个解释。随机强度模式混合了可以在光纤中传播的模式，使模式数量增加了四倍，在图像中产生了四倍的细节。
“之前的研究忽视了这种混合。我们用于图像重建的非传统算法是揭示隐藏图像细节的关键，”卡恩说。
最终的内窥镜
Kahn和他的团队创造了一个工作原型。在这一点上主要的限制因素是纤维必须保持刚性。弯曲多模光纤会使图像变得无法识别。取而代之的是，纤维被放置在一根细针中，以保持它的刚性以便插入。
经常用于外科手术的刚性内窥镜很常见，但它们通常使用相对较厚的杆状透镜来产生良好的图像。另一方面，柔性内窥镜——用于结肠镜和输尿管镜的那种——通常使用数万根独立的纤维束，每根纤维传递一个像素的图像。两种类型的内窥镜都体积庞大，分辨率有限。
像卡恩的单纤维内窥镜将是最终的微创成像系统，并且在过去的几年里一直是光学工程密集研究的焦点。
卡恩不是第一个开发一个单纤维内窥镜,但在提高分辨率,它现在是可能怀孕的纤维内窥镜2/10毫米直径厚比人类的头发可以解决80000像素的分辨率大约3/10微米。相比之下，目前最好的柔性纤维内窥镜直径约为半毫米，可分辨约10,000个像素，分辨率约为3微米。
未来
一种坚硬的单纤维显微内窥镜可以实现生物体内显微成像的无数新程序。从分析脑组织中的神经细胞生物学，到研究肌肉生理学和疾病，再到早期发现各种形式的癌症。
展望未来，卡恩对与生物医学研究人员合作开创这些应用的潜力感到兴奋，但作为一名物理学家和工程师，他最着迷的是创造一种灵活的单纤维内窥镜的技术挑战。
“没有人知道柔性单纤维内窥镜是否可行，但我们会尝试，”卡恩说。
如需更多信息，请访问www.standford.edu．
了下:快速原型
