기존 광학 장치 없이 세포 이하 구조 3D 이미징 구현하는 새로운 렌즈리스 내시경

광학 학회, 워싱턴 DC

연구자들은 렌즈나 광학, 전기, 기계 구성 요소 없이 단일 세포보다 작은 물체의 3D 이미지를 생성하는 새로운 자가 보정 내시경을 개발했습니다. 내시경 팁의 직경은 200미크론에 불과합니다. 이는 사람의 머리카락 몇 가닥을 꼬아 놓은 너비 정도입니다. 살아있는 조직 내부의 특징을 이미징하기 위한 최소 침습 도구로서, 이 극도로 얇은 내시경은 다양한 연구 및 의료 응용 분야를 가능하게 할 수 있습니다.

연구자들은 렌즈나 광학, 전기, 기계 구성 요소 없이 단일 세포보다 작은 물체의 3D 이미지를 생성하는 새로운 자가 보정 내시경을 개발했습니다. (출처: Czarske, TU Dresden, Germany)

기존 내시경은 카메라와 조명을 사용하여 신체 내부 이미지를 캡처합니다. 최근 몇 년간 연구자들은 광섬유를 통해 이미지를 캡처하는 대체 방법을 개발하여 거대한 카메라와 기타 거대한 구성 요소의 필요성을 없애고, 훨씬 더 얇은 내시경을 가능하게 했습니다. 그러나 이러한 기술들은 온도 변동이나 섬유의 굽힘과 비틀림을 견디지 못하는 등의 한계가 있습니다.

이러한 기술을 실용화하는 주요 장애물은 복잡한 보정 프로세스가 필요하다는 것입니다. 많은 경우 섬유가 이미지를 수집하는 동안 보정이 필요합니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 일관된 광섬유 다발(내시경 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 광섬유 유형)의 팁에 두께 150미크론의 얇은 유리판을 추가했습니다. 실험에 사용된 일관된 광섬유 다발은 약 350미크론 너비로 10,000개의 코어로 구성되었습니다.

중앙 광섬유 코어가 조명되면, 광섬유 다발로 다시 반사되는 빔을 방출하여 빛이 어떻게 전송되는지 측정하는 가상 가이드 스타 역할을 합니다. 이는 광학 전달 함수로 알려져 있으며, 시스템이 실시간으로 스스로 보정하는 데 사용하는 중요한 데이터를 제공합니다.

새 설정의 핵심 구성 요소는 빛의 방향을 조작하고 원격 초점을 가능하게 하는 공간 광 변조기입니다. 공간 광 변조기는 광학 전달 함수를 보상하고 광섬유 다발의 이미지를 보정합니다. 광섬유 다발에서 후방 반사된 빛은 카메라에서 포착되어 참조 파동과 중첩되어 빛의 위상을 측정합니다. 가상 가이드 스타의 위치는 기기의 초점을 결정하며, 최소 초점 직경은 약 1미크론입니다. 연구자들은 적응형 렌즈와 2D 갈보미터 미러를 사용하여 초점을 이동하고 다른 깊이에서 스캔을 가능하게 했습니다.

팀은 140미크론 두께의 커버 슬립 아래 3D 시편을 이미징하여 장치를 테스트했습니다. 400미크론 범위에서 13단계로 이미지 평면을 스캔하고 초당 4사이클의 이미지 속도로, 장치는 3D 시편의 상단과 하단에 있는 입자를 성공적으로 이미징했습니다. 그러나 갈보미터 미러의 각도가 증가함에 따라 초점이 저하되었습니다. 연구자들은 향후 작업으로 이 한계를 해결할 수 있다고 제안합니다. 또한 더 높은 프레임 속도의 갈보미터 스캐너를 사용하면 더 빠른 이미지 획득이 가능할 수 있습니다.

이 접근 방식은 실시간 보정과 최소 침습적 이미징을 모두 가능하게 하여, 현장 3D 이미징, 랩온어칩 기반 기계적 세포 조작, 심층 조직 생체 내 광유전학, 열쇠구멍 기술 검사에 중요합니다.

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