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微型显微内窥镜对生物医学至关重要，光纤微内窥镜被广泛用于对人体内部成像，从而实现疾病诊断和手术图像引导。但一般来说，显微内窥镜的尺寸和成像质量是矛盾的，你要么牺牲尺寸要么牺牲成像质量。日前，约翰斯·霍普金斯大学的工程师们开发了一种新型的无透镜超小型内窥镜，尺寸只有几根头发丝大小，但可以产生更高质量的图像。
为了检查大鼠、小鼠等动物大脑中的神经元，一个理想的显微内窥镜不仅要很小，以减少脑组织损伤，同时又要有足够的能力产生清晰的图像。
目前，常规的显微内窥镜的直径约为半毫米到几毫米，并且需要更大、更具侵入性的透镜才能获得更好的成像。尽管存在无透镜显微内窥镜，但光纤在扫描一个区域时经常弯曲，并且在移动时会失去成像能力。
新研究中，Foster和同事们创造了一种无透镜的超小型显微内窥镜，与传统的显微内窥镜相比，增加了可视范围，并改善了图像质量。
图1 传统光纤微内窥镜与新型无透镜微型内窥镜成像原理示意图
研究人员通过一个编码孔或一个平面网格来实现这一目标，这个网格随机阻挡光线，形成一个已知模式的投影。这就产生了一个混乱的图像，但它提供了大量关于光线来源的信息，这些信息可以通过计算重建成更清晰的图像。
在他们的实验中，Foster团队对比了不同设备，载玻片上不同图案的成像效果。
图2：不同设为成像效果对比
图2，A到C是用体视显微镜的成像效果。D到F是传统的基于镜头的多芯光纤微内窥镜的成像效果。G到I是研究小组最新的超小型化无透镜显微内窥镜的原始图像。J到L是G到I经过计算重构后的图像
图3 不同设备的成像空间分辨率对比
图3：A到C是使用体视显微镜获取的目标物体分辨率图像。整个实验结果显示的视野范围为980μm。D到F是使用传统的多芯光纤微内窥镜成像图。G至I使用新型无透镜内窥镜经过计算重构后的成像图。A，D和G线宽分别为44、40和33μm。B，E和H线宽分别为32、29、26和22μm。C，F和I线宽分别为21、19、17和14μm。
此外，Foster团队开发的微型内窥镜不需要移动即可聚焦在不同深度的物体上，他们使用计算重聚焦来确定三维空间中光线的来源。这使得这种新型内窥镜比传统的需要移动来聚焦的内窥镜要小得多。
图4 通过计算重聚焦来确定三维空间中光线的来源
接下来，研究团队将使用荧光标记程序测试其微型内窥镜，通过对活动的大脑神经元进行标记和照明，以确定内窥镜对神经活动成像的准确性。
他们的研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。
论文链接："A minimally invasive lens-free computational microendoscope" Science Advances （2019）。 DOI: 10.1126/sciadv.aaw5595 , https://advances.sciencemag.org/content/5/12/eaaw5595