会议观点 | 浙江大学杨青教授：STABLE超分辨内窥成像和多模态内窥成像

创业 2024-11-13 18:03 上海

9月11-13日，第25届中国国际光电博览会在深圳举行，在同期举办的“生物医学光子学与成像技术论坛”上，浙江大学杨青教授向我们介绍了内腔在体超分辨成像技术。

超分辨技术自2014年荣获诺贝尔生理学奖以来，已成为科技领域的焦点。当前，超分辨技术涵盖了四种先进方法：受激辐射损耗、单分子定位、最小荧光强度以及非线性结构光。本次报告中，杨青教授围绕STABLE超分辨内窥成像和多模态内窥成像与我们分享了团队在超分辨技术领域的重大突破与进展。

当前，超分辨技术已显著提升了分辨率，达到了百纳米甚至几纳米的尺度，视场达到百微米级别。在医学和动物学应用中，该技术面临两大挑战：一是是否能够不依赖特殊荧光标记实现超分辨识别，二是能否在狭小的内腔环境下实现高分辨或超分辨成像。

在医学领域，内窥镜的应用广泛，但当前主流内窥镜的成像分辨率仍局限于衍射极限，多在微米到毫米级。医学界一直在寻找具有特异性的解决方法。内腔是一个动态且高度散射的组织，其工作条件为狭长且动态环境。因此，实现超分辨成像不仅是一个光学问题，更是一个涉及光学、医学、材料学等多学科交叉的挑战。

为了应对这一挑战，杨教授团队选择了光纤材料作为关键技术路径。这种材料具备极高效光场能量和信息传输能力，一根百微米光纤可传输数万个模式。然而，多模光纤在成像应用中存在对运动和形变极为敏感的问题。尽管多模光纤在超分辨成像中具有巨大潜力，但如何在其运动状态下实现稳定成像是该领域全世界研究者都面临的问题。

要解决这一难题，杨教授提出需要关注三个核心问题：

如何在在动态和运动状态下的内腔环境中获得稳定的高分辨率成像？
如何在稳定情况下如何进一步提升分辨率，以实现超分辨成像？
内腔超分辨成像能够解决哪些具体的生物/医学问题。

针对这些问题，在顾瑛院士和刘旭教授的支持下，团队利用先前频率调控的知识基础，结合医学的丰富经验，提出了频率域单像素追踪编码内窥成像(STABLE)。该解决方案通过全矢量调控入射光场，在入射端的傅里叶面形成一个频率域聚焦点，这一特定的点能够精确反映光纤的状态。一旦光纤状态发生变化，这一特定点的光强也会相应变化。团队早期建立了数据库，能够迅速匹配传输矩阵，使这一点始终保持在最高强度，从而实现状态的快速追踪。通过这种方式，成功地将状态追踪的速度从分钟级提升到毫秒级。

在分析光纤状态时，团队发现诸如平移、旋转、扭转等状态无需重复测量。这提供了一个关键线索：需对状态进行筛选。在排除掉不需要关注的状态因素后，团队专注于研究不同弯曲半径下的光纤传输矩阵。这一举措将复杂的高维问题简化为低维问题，使得系统能够更高效地工作。这样通过多学科交叉融合，团队成功构建了双闭环系统，从开环控制转变为闭环模式。这一转变使得系统在弯曲状态下仍能保持稳定的成像能力。

从移动光纤的实验来看，如今该系统能够迅速追踪并恢复清晰的投影。这是实现稳定成像的第一步，也是至关重要的一步。通过观察分辨率板的变化可以明显看出，当STABLE系统被应用时，即使发生运动导致的模糊，也能迅速恢复清晰度。而未使用该系统的情况下，图像会变得模糊不清且难以恢复。这充分证明了团队的方法在提高成像质量和速度方面的显著优势。

在稳定成像的基础上，团队将多模光纤用于羊小肠切片成像实验，实验结果表明，此项技术实现了高分辨率的成像效果，其效果与活检切片相媲美。在此之上，通过引入前期移频成像技术，利用单根光纤实现了光斑的精细控制。团队成功地将分辨率提升到了新的水平，从λ/2NA提升到λ/3NA，提升1.5倍。

尽管在分辨率方面取得了显著进展，团队仍面临一些挑战。例如，在运动过程中的速度尚未达到实时标准，仍需进一步提高信噪比和速度。为此，团队尝试将深度学习和压缩感知的方法融入其中，并已经看到了一些积极的效果。

在内腔技术运用中，单靠高分辨内窥无法完全解决实际应用问题。对此，顾院士明确指导，很多时候需要跨尺度、多模态的方法。为响应此策略，杨教授团队与顾院士的团队展开合作，以实现宽场、高维、高分辨的多模态信号处理。通过小空间异构集成和多种方法结合的方式来实现目标。

具体实施方面，团队已经实现了电子内窥镜与多模光纤的结合，并成功应用于小鼠不同内腔的高分辨率成像中。例如，对于健康小鼠的直肠成像，所获得的图像与显微镜下的观察结果极为相似，为医生提供了极有价值的诊断信息。

在技术突破的道路上，团队通过自适应光学技术并调整激发波长，进一步提高克服散射的成像能力，提高深层组织的成像清晰度。同时，团队也正在研究如何融合传感器技术以实现三维未知空间的感知。

关于高分辨技术能解决的问题，杨教授团队正在进行多模态结合的研究工作，特别是在肿瘤边界的识别上。团队计划结合其他技术如光谱技术来分析血氧和血管情况，甚至在细胞层面寻找特定结构如细胞核等。这些信息的充分观察和解读将有助于医生做出更准确的判断。尽管目前已获得一些肿瘤边界的初步信息，但这些信息仍有很大的挖掘潜力。

杨教授表示：浙大光电团队与301医院团队合作，致力于将超分辨和高分辨技术向更多功能领域拓展。我们的目标是实现内腔的超分辨成像和一体式多模态内窥镜的研发。我们期待医工信交叉合作，能够为医疗健康、工业检测等领域做出真正的贡献。

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