Endoscopie à éclairage structuré Speckle avec résolution améliorée à large champ de vision et profondeur de champ

11 mai 2023

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par Compuscript Ltd

L'imagerie à super résolution est un sujet brûlant depuis quelques décennies dans la communauté de l'imagerie, en particulier dans le domaine de la microscopie. Bien que plusieurs exploits intéressants aient été réalisés dans la communauté de l'imagerie microscopique, il reste un grand écart à combler entre l'imagerie microscopique et la communauté de l'imagerie endoscopique.

Deux des principaux paramètres d'imagerie qui comblent l'écart antérieur sont l'acquisition et le traitement d'images à un large champ de vision (FOV) et à une grande profondeur de champ (DOF), ce qui est généralement un goulot d'étranglement qu'il faut contourner lorsqu'on tente d'atteindre une super résolution dans images. En microscopie, une méthode capable d'atteindre un large champ de vision avec une résolution temporelle élevée et une faible phototoxicité est appelée microscopie à illumination structurée (SIM). Un SIM standard peut améliorer la résolution spatiale à environ deux fois la limite de diffraction d'un système optique.

Parce que SIM vise à atteindre une résolution spatiale très élevée, le DOF est généralement très petit. Cela signifie que SIM nécessite un niveau élevé de contrôle de la distance de mise au point, ce qui est une limitation pratique pour les applications de microscopie. En revanche, dans l'imagerie endoscopique, le FOV exceptionnellement large et le grand DOF sont essentiels en raison de la nature même de l'imagerie endoscopique et des échantillons qu'ils imagent et explorent. Par conséquent, explorer la possibilité d'obtenir une super résolution dans des images endoscopiques à large FOV et grand DOF est d'un grand intérêt.

Une nouvelle technique appelée endoscopie par illumination structurée de speckle (SSIE) est explorée dans ce travail. Dans l'étude, publiée dans Opto-Electronic Advances, les auteurs introduisent deux fibres dans un endoscope à lumière blanche standard (WLE) pour fournir des mouchetures haute résolution pour éclairer l'objet. Les motifs de chatoiement aléatoires sont générés à partir de l'interférence entre la lumière laser des deux fibres. Un certain nombre d'images avec une résolution standard sont collectées par la caméra WLE, puis soumises à un algorithme de reconstruction d'image pour produire une seule image à super résolution.

Le large FOV et le grand DOF sont obtenus dans cette étude avec une super résolution en façonnant les sources de lumière optique, à savoir les fibres multimodes transportant les motifs d'éclairage aléatoires du laser dans une orientation non seulement pour couvrir un large FOV et DOF mais aussi donner lieu à des interférences à grand angle entre les faisceaux d'éclairage, ce qui contribue à obtenir une super résolution en imagerie. L'étude est examinée à la fois sur des surfaces planes et non planes, attestant de l'objectif du SSIE d'imagerie à grand DOF.

De plus, d'un point de vue théorique qui est également exploré dans cette étude, le FOV et le DOF peuvent être étendus aussi loin qu'un WLE peut le permettre. De plus, le SSIE ne nécessite pas un contrôle rigoureux des modèles d'éclairage, des protocoles d'étalonnage ou de celui de l'optique de focalisation comme dans le cas du SIM, simplifiant ainsi considérablement la configuration expérimentale.

Une démonstration de 2 à 4,5 fois l'amélioration de la résolution à large FOV et DOF au-dessus de la limite systémique d'un WLE standard est démontrée dans cette étude. Les résultats expérimentaux de l'étude indiquent le potentiel du SSIE à présenter une voie unique vers la super résolution dans l'imagerie endoscopique à large FOV et DOF qui peut être bénéfique pour la pratique de l'endoscopie clinique. Dans une perspective plus large, cette technique d'imagerie peut également être adoptée dans d'autres domaines similaires des systèmes biomédicaux, médicaux et basés sur des caméras où une haute résolution à large FOV et DOF est préférée ou critique.

Les auteurs de cet article proposent et démontrent une nouvelle méthode appelée endoscopie à illumination structurée speckle utilisée pour obtenir une super résolution dans les images acquises au cours du processus d'endoscopie. L'éclairage structuré par chatoiement ne fait référence à rien de plus que l'utilisation et la direction de motifs d'éclairage optique aléatoires provenant d'une source de lumière cohérente telle qu'un laser, sur l'échantillon à l'étude.

L'importance de ce travail réside principalement dans l'amélioration de la résolution de l'image à des paramètres d'imagerie optimaux d'un large champ de vision et d'une grande profondeur de champ, aussi large et large qu'un endoscope à lumière blanche typique peut le permettre par rapport à l'état endoscopique à haute résolution existant de l'art qui a un champ de vision et une profondeur de champ très limités dans son examen et son acquisition d'image. La haute résolution s'accompagne toujours d'un compromis dans le champ de vision ou la profondeur de champ car ils sont généralement inversement liés les uns aux autres.

Par conséquent, dans cette étude, le principal goulot d'étranglement qui est abordé est la capacité d'obtenir une super résolution dans les images endoscopiques avec les paramètres d'imagerie autrement inversement liés d'un large champ de vision et d'une grande profondeur de champ. De plus, le système de cette étude ne repose sur aucune propriété spécifique du spécimen ou de l'échantillon, par conséquent, tout échantillon peut être utilisé pour l'imagerie, élargissant encore son impact et son influence potentiels. Cette étude peut potentiellement bénéficier à la communauté d'imagerie endoscopique dans les cliniques et les centres de santé. Du point de vue de l'imagerie et de l'appareil, aucun équipement sophistiqué ou contrôle d'imagerie rigoureux n'est nécessaire pour l'acquisition et le traitement des données d'image.

Cela rend le système endoscopique d'éclairage structuré speckle assez facile à traduire et à adopter dans des domaines d'imagerie plus larges que la simple endoscopie. La méthode sera plus réalisable si et quand elle est potentiellement traduite en champs d'imagerie similaires qui mettent en œuvre une modalité d'imagerie incohérente, généralement, des méthodes qui utilisent des colorants fluorescents qui tachent l'échantillon à l'étude. De plus, les démonstrations d'illumination endoscopique structurée par chatoiement sont indépendantes de la structure interne, du type ou des spécifications de l'endoscope ou de la sonde utilisée. Par conséquent, la technique d'imagerie peut être traduite dans n'importe quelle modalité endoscopique à lumière blanche avec des facteurs d'amélioration de la résolution similaires, que son application soit clinique ou industrielle, puisque le principe de fonctionnement reste le même.

De plus, dans un scénario d'imagerie réaliste, l'échantillon à l'étude serait peut-être non planaire. Dans cette étude, puisque nous explorons la possibilité d'imager des surfaces non planes tridimensionnelles par des illuminations optiques aléatoires, une traduction directe du concept d'imagerie adopté dans cette étude à d'autres domaines d'imagerie tels que les systèmes d'imagerie biomédicale, médicale ou à base de caméra est possible, ce qui rend c'est assez simple.

Dans un sens plus large, tout système d'imagerie doté d'une caméra pour acquérir des images et pouvant utiliser l'installation et l'acheminement d'illuminations optiques basées sur des motifs aléatoires sur l'échantillon d'une manière telle que démontrée dans cette étude sera en mesure d'atteindre une super résolution à une imagerie optimale. paramètres tels qu'explorés dans ce travail, en particulier dans les systèmes qui pourraient bénéficier d'une grande profondeur de champ d'imagerie, comme l'endoscopie, l'imagerie basée sur la profondeur dans les systèmes de caméra, la microscopie et des domaines similaires.

Plus d'information: Elizabeth Abraham et al, endoscopie à éclairage structuré Speckle avec une résolution améliorée à large champ de vision et profondeur de champ, Opto-Electronic Advances (2023). DOI : 10.29026/oea.2023.220163

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