光學內(nei) 窺鏡廣泛用於(yu) 對人體(ti) 內(nei) 部進行成像，從(cong) 而實現疾病診斷和手術圖像引導。此外，光纖顯微內(nei) 窺鏡正成為(wei) 對活體(ti) 動物進行結構和功能腦成像的非常有價(jia) 值的工具。此類行為(wei) 研究需要具有高時空分辨率的工具，在大空間範圍上成像，從(cong) 而捕捉大腦深處的大規模神經活動。當前的一種方法是通過單芯光纖的頭端(distal)掃描或使用多芯光纖的近端(proximal)掃描來獲取場景的每個(ge) 圖像像素。這種設計通常使用機械掃描儀(yi) 和微透鏡，並以高空間分辨率恢複圖像，但視野受掃描儀(yi) 偏轉角的限製。另一種方法為(wei) 寬場照明，使用多芯光纖或光纖束進行檢測，其中纖芯傳(chuan) 輸場景的圖像像素。在這種情況下，由於(yu) 纖芯之間的串擾和像素化偽(wei) 影，圖像質量會(hui) 下降。此外，減少纖芯的數量可以縮小體(ti) 積，但視野會(hui) 隨之變小，同時上述效果(串擾和像素化偽(wei) 影)變得更加明顯。此外，基於(yu) 寬場照明和使用微透鏡成像的手持顯微鏡zui近已被證明用於(yu) 自由移動小鼠的大腦成像。但是，不管采用何種不同的方法，大多數方法使用的頭端透鏡都在成像探頭的小型化與(yu) 其成像性能之間進行了權衡。微型化的物理尺寸限製是腦成像的一個(ge) 特殊問題，因為(wei) 探針植入不可避免地會(hui) 破壞此類研究旨在了解的複雜神經回路。
博覽：2019 ScienceAdvances 微創無透鏡計算顯微內(nei) 窺鏡
技術背景：
光學內(nei) 窺鏡廣泛用於(yu) 對人體(ti) 內(nei) 部進行成像，從(cong) 而實現疾病診斷和手術圖像引導。此外，光纖顯微內(nei) 窺鏡正成為(wei) 對活體(ti) 動物進行結構和功能腦成像的非常有價(jia) 值的工具。此類行為(wei) 研究需要具有高時空分辨率的工具，在大空間範圍上成像，從(cong) 而捕捉大腦深處的大規模神經活動。當前的一種方法是通過單芯光纖的頭端(distal)掃描或使用多芯光纖的近端(proximal)掃描來獲取場景的每個(ge) 圖像像素。這種設計通常使用機械掃描儀(yi) 和微透鏡，並以高空間分辨率恢複圖像，但視野受掃描儀(yi) 偏轉角的限製。另一種方法為(wei) 寬場照明，使用多芯光纖或光纖束進行檢測，其中纖芯傳(chuan) 輸場景的圖像像素。在這種情況下，由於(yu) 纖芯之間的串擾和像素化偽(wei) 影，圖像質量會(hui) 下降。此外，減少纖芯的數量可以縮小體(ti) 積，但視野會(hui) 隨之變小，同時上述效果(串擾和像素化偽(wei) 影)變得更加明顯。此外，基於(yu) 寬場照明和使用微透鏡成像的手持顯微鏡zui近已被證明用於(yu) 自由移動小鼠的大腦成像。但是，不管采用何種不同的方法，大多數方法使用的頭端透鏡都在成像探頭的小型化與(yu) 其成像性能之間進行了權衡。微型化的物理尺寸限製是腦成像的一個(ge) 特殊問題，因為(wei) 探針植入不可避免地會(hui) 破壞此類研究旨在了解的複雜神經回路。
zui近，基於(yu) 編碼孔徑成像的無透鏡相機已被提出用於(yu) 生物和商業(ye) 国产成人在线观看免费网站。這些相機外形平坦，橫向尺寸與(yu) 裸圖像傳(chuan) 感器芯片接近，成像工作距離可變，可以不接觸對樣品成像。它的工作原理是在裸傳(chuan) 感器前麵附近放置單個(ge) 空間掩模(spatial mask)，光通過掩模傳(chuan) 播到圖像傳(chuan) 感器上。正則化的zui二乘zui小化算法使用場景編碼孔徑響應的單個(ge) 快照來重建場景。值得注意的是，其它基於(yu) 編碼孔徑的成像係統也展示了光場成像能夠通過計算重新聚焦位於(yu) 不同深度的物體(ti) 。
當前不足：
（1）目前已有的幾種使用多模光纖、多芯光纖或套管(cannula)的無透鏡內(nei) 窺鏡設計，存在對彎曲敏感、視野受限或無顏色分辨能力等缺點。
（2）現有無透鏡相機有平坦的外形，但受圖像傳(chuan) 感器陣列和相關(guan) 電子設備的尺寸限製，導致它們(men) 的橫向尺寸很大。因此，這些方法適合在国产成人在线观看免费网站於(yu) 組織表麵，不適合植入組織深層成像。
文章創新點：
基於(yu) 此，美國約翰霍普金斯大學的Jaewook Shin(第1作者)和Mark A. Foster(通訊作者)等人提出將編碼孔徑成像與(yu) 多芯光纖相結合，創建了一個(ge) 頭端(distal)無透鏡的顯微內(nei) 窺鏡係統，同時實現了小型化和寬視野。該顯微內(nei) 窺鏡對彎曲不敏感，能夠實現彩色成像。視場980um，使用6000根纖芯，分辨率達14um.
原理解析：
（1）圖像形成及重建。本質上，頭端透鏡被一個(ge) 簡單的隨機二元空間掩模（即編碼孔徑）取代，它調製從(cong) 場景傳(chuan) 播到光纖麵的光強。與(yu) 寬場照明方法不同，每個(ge) 光纖纖芯用作單個(ge) 測量而不是圖像像素，因為(wei) 纖芯測量從(cong) 場景內(nei) 不同點發出的光的偽(wei) 隨機線性組合，從(cong) 而能夠在沒有像素化偽(wei) 影的情況下重建圖像。成像問題可以描述為(wei) y=Ax, A是一個(ge) 大小為(wei) M X N的標定矩陣，它的每一列表示係統對點物的響應。x是大小為(wei) N X 1的重建圖像，y是大小為(wei) M X 1的係統響應(M是多芯光纖的纖芯數，N是重建圖像的像素數)。圖像重建可以看作為(wei) 一個(ge) zui小化的約束優(you) 化問題來求解。
（2）標定矩陣標定。對於(yu) 二維圖像，重建的圖像是60*60個(ge) 像素，在980um的視場上標定60*60=3600個(ge) 物方點源的圖像。對於(yu) 三維圖像，設立11個(ge) 深度層，層間間隔為(wei) 300um，標定11*60*60=39600個(ge) 點源圖像。對於(yu) 彩色成像，還需要單獨標定每一個(ge) 顏色通道。
視頻1：三維成像效果
附錄：
（2）無透鏡與(yu) 有透鏡性能對比：
（3）實驗裝置
參考文獻：J. Shin, D. N. Tran, J. R. Stroud, S. Chin, T. D. Tran, M. A. Foster, A minimally invasive lens-free computational microendoscope. Sci. Adv. 5, eaaw5595 (2019).
DOI：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaw5595#F3
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