西北工大研发光纤显微内窥镜，实现1微米分辨率和纳米级三维重建
“我预计今年年底提前博士毕业，虽然我的德国导师希望我继续留下做博后，但我更希望能回到老家江苏做科研。
而在最近发表的论文里，我和所在团队首次将定量相位成像技术，用于超细光纤显微内窥镜中，实现了最高 1 微米的分辨率、以及纳米级的三维重建。 并通过光纤实现无透镜光场成像，借此制备出一款新型无透镜光纤显微内窥镜。”德累斯顿工业大学生物医学计算激光系统能力中心博士生孙佳伟表示。
▲图 | 孙佳伟（来源：孙佳伟）
此次提出的无透镜光纤显微内窥镜，具备 1000 倍的放大倍率，可通过图像重建让医生“看清”脑部神经元或是组织表面的细胞。
（来源：Light: Science & Applications）
研究中，他和同事使用无透镜光纤显微内窥镜，对无标记的癌细胞进行高对比度成像，让光纤内窥镜能进一步对体内癌症组织表面进行细胞级的高分辨率成像。这意味着，人们可通过此内窥镜尽早找出病变的癌细胞，实现癌症的早期预警。
同时，鉴于光纤内窥镜探针只有头发丝量级，因此可在极大降低创口大小的同时，深入体内的狭小部位，如细微血管、肺泡、耳蜗等进行显微成像。另外，其所搭载的系统基于量产的多芯光纤，可做一次性的内窥镜探头，用完后可以轻松换上新的光纤以作为探头，从而彻底消除交叉感染的风险。
据介绍，内窥镜成像（endoscopy）作为临床常用的体内成像方法之一，其常规直径至少在几十毫米以上，且图像放大倍率只有大约 50 倍，只能看清组织大概的形貌。
而孙佳伟的无透镜光纤显微内窥镜的探测端，没有使用任何透镜，探针的直径只有 0.35 毫米，大约在头发丝量级，能大大减轻创口的大小。
对于神经外科手术来说，常常需要在大脑或脊柱开非常小的切口，进而通过内窥镜和特殊器械，进行复杂精密的手术。而内窥镜的尺寸越小，手术对患者造成的额外损伤就越小，患者术后恢复得也就越快。
▲图 | 新型无透镜光纤显微内窥镜，探针直径仅为 0.35 毫米（来源：孙佳伟）
多年来，荧光显微成像已成为生物医学中广泛使用的成像方法，通过对样品进行荧光标记、激发和检测，可对荧光标记的样品做以选择性成像，从而提升成像的对比度。
此前市面上最新的光纤显微内窥镜，是通过共聚焦扫描来实现体内荧光显微成像，但其需要昂贵的光学系统和复杂的校准流程，同时还得预先对体内组织进行特殊荧光染色。
然而，某些情况下荧光剂会影响组织正常功能，用后也不易去除。因此，无标记成像技术对内窥镜尤为重要。
定量相位成像，是一种无标记显微成像技术。其原理是通过组织中不同成分的微小相位差，来实现生物医学样品的高对比度成像。
从技术手段来讲，进一步重建光场的相位信息，还能实现纳米级轴向分辨率的三维成像，这让定量相位成像也常被用于芯片表面检测。
但是，此次提出的光纤内窥镜系统，使用量产化的多芯光纤束作为体内成像探针。虽然多芯光纤束只有三根头发丝那样粗，里面却包含着一万根单模的光纤芯，每一根光纤芯都能独立传播光学信号，而把这一万根光纤芯的光学信号组合起来，就相当于有了一万个能成像的像素。
但是，光在每一根纤芯中的传播距离有着微小的差别，而光波的相位又非常敏感，即使是 10 纳米以下的光传播距离差，也会引起可观的相位变化。
由于光在这一万根光纤芯中的传播距离各不相同，这会带来非常严重的相位失真，就像把样品的光学信息进行了“加密”，故在多芯光纤束中实现定量相位成像，是一个颇具挑战性的难题。
（来源：Light: Science & Applications）
找到“解码”光场的“钥匙”
那么，如何从“加密”光场信息中恢复样品信息呢？孙佳伟等人提出一种名为远场散斑转换的算法，可从光纤输出端的散斑中，重建出光纤中的固有相位差，这就相当于拿到了“解码”光场的“钥匙”。
这样一来，当使用无透镜光纤显微内窥镜去探测样品时，用这把“钥匙”来“解码”样品的光场信息，就能得到样品的相位信息。
另外，鉴于可通过光纤显微内窥镜重建完整的光场信息，这时只用一张散斑图像重建出不同深度的图像，即可实现数字重新对焦，并能把无透镜光纤显微内窥镜的工作距离从 10 微米提到 10 毫米。
得益于这样的数字对焦，以后医生们再也不用手动调整焦距，通过程序即可实现实时数字对焦，让无透镜光纤显微内窥镜的易用性得到极大提升。
近日，相关论文以《通过超薄无透镜光纤内窥镜进行定量相位成像》（Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope）为题发表在 Light: Science & Applications 上。
▲图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）
孙佳伟担任一作兼通讯，德累斯顿工业大学测量和传感器系统技术实验室于尔根·W·查斯克（Juergen W. Czarske）教授、以及同一实验室的内克塔里奥斯·库库拉基斯（Nektarios Koukourakis）博士担任共同通讯作者。该工作还得到清华大学精密仪器系曹良才教授和马克思普朗克光科学研究所约亨·顾克（Jochen Guck）教授的指导。
其中一位审稿人评价称，“论文中的实验结果令人信服，清楚地标明该方法能够对样品进行定量相位成像，并验证了三维成像的可能性。该项新技术开辟了在超细内窥镜进行相位成像的广阔前景。”
另一个审稿人表示，“作者使用一种全新的计算重建算法，以便远场强度图像获得相位信息，实现了基于光纤的定量相位成像。”
（来源：Light: Science & Applications）
据悉，该研究主要由德国科学基金会支持，旨在通过自适应控制多芯光纤的输出光场，精准控制癌细胞的旋转。与此同时，对细胞进行全息成像，最终得到癌细胞完整的三维重建图。
为了实现在纳米级精度下，用光精准地去控制癌细胞，孙佳伟耗时一年搭建出一个非常复杂且昂贵的光学系统，单单研发实验器件的控制程序，他就写了近一万行代码。
后来，又泡在实验室几个月，终于通过光纤光场调控，对细胞多轴旋转做以实时控制。这项成果的实现也是世界首次，相关论文在更早之前已发表在 Biomedical Optics Express 上 [1]。
▲图 | 利用光纤输出光场，癌细胞进行光学无接触操控，实时控制细胞旋转轴（来源：孙佳伟）
他说：“当时有一个误区，觉得越复杂的系统越高级，固然系统越复杂，需要解决的技术难题也就越多，其中的技术含量也就越高，但是繁杂的系统也就意味着高成本、高投入，难以获得广泛的应用。很多经典的研究，后人看起来其实只是解决了一个很小的问题，但最难的是从零到一的突破过程。”
舍弃复杂昂贵的光学器件，只用一根光纤、一个相机和一些基本光学元件，在有限的成本内，通过程序提升成像性能。所以他一直在思考，如何把光学系统化繁为简？于是就有了关于此次论文的初步想法[2]。
正好那时，清华大学精密仪器系曹良才教授课题组的吴佳琛博士来德国交流，曹教授团队在计算光学领域有着很深的造诣。
“在和佳琛沟通了我的想法之后，他也对此特别感兴趣。因为光纤输出端的散斑太过复杂，一开始的算法效果并不理想。后来我们不断改进算法，终于在有天深夜，佳琛激动地跟我说算法成功了。我连忙从床上蹦下来打开电脑，把他的算法和我的代码整合起来，那天晚上兴奋地没怎么睡着。第二天一大早就立马赶去实验室验证算法，结果发现真的能在实验中完美重建出相位图像。”孙佳伟说。
（来源：Light: Science & Applications）
计划将光纤显微内窥镜用于临床研究
另据悉，因为光学仪器大多都非常精密，外界的微弱干扰都有可能对实验结果产生影响。因此为了减小外部震动，孙佳伟所在的实验室专门建在地下一层。
但是，他的实验室离马路比较近，每次有大型车辆经过的时候，都能在仪器数据上观测到微纳级的抖动。
为了得到最佳的实验数据，那几周他每天等到半夜路上没有车的时候，一个人在漆黑的实验室里做实验。功夫不负有心人，最后的实验结果也非常稳定。
家庭，也给他提供了软动力支持。他说：“我老婆虽然没有直接参与此次研究，但每次我的实验没有进展、焦头烂额的时候，她总能耐心地安慰我、鼓励我，等我焦躁的心安静下来后，理性地帮我梳理思绪找到问题所在。”
▲图 | 孙佳伟和家属万文君（来源：孙佳伟）
据介绍，孙佳伟是江苏南通人。本科就读于西北工业大学信息对抗技术专业。读研时，他来到德国留学，在波鸿大学读激光与光子学专业。那时，他开始接触到光学实验，并开始从事数字全息成像方面的研究。
其说道：“一开始只是单纯觉得激光特别酷，但在实验室待久了之后，我深刻体会到光学实验是一个慢工出细活的过程，慢慢地也喜欢上泡在实验室的感觉。我的硕士论文获得了接近满分的成绩，导师把我推荐到现在的课题组继续攻读博士，我也得以继续从事光学成像的研究。”
（来源：Light: Science & Applications）
在德国读博更像是工作，他作为一名博士生的同时也是学校雇员，目前其还担任助理研究员一职，要承担一定的教学任务，以及指导本科生和硕士生的毕业论文。
为此，孙佳伟还开设了一门叫做“数字全息技术”的实验课程。疫情期间，他把实验课搬到线上，通过视频给学生呈现光学实验的过程，同时也在线上辅导学生处理数据。
当下，他的重心依然是科研。目前的图像重建算法对电脑的硬件要求比较高，后续他计划使用人工智能提升算法效率，让图像重建程序在普通笔记本电脑上也能轻松运行，并能实时重建三维图像。
同时，他和导师也申请了与所在大学的附属医院的合作项目，计划进一步将光纤显微内窥镜用于临床研究。
参考资料： 1.Sun J, Koukourakis N, Guck J, et al. Rapid computational cell-rotation around arbitrary axes in 3D with multi-core fiber[J]. Biomedical Optics Express, 2021, 12（6）: 3423-3437.https://doi.org/10.1364/BOE.4230352.Sun J, Wu J, Wu S, et al. Quantitative phase imaging through an ultra-thin lensless fiber endoscope[J]. Light: Science & Applications, 2022, 11（1）: 1-10.https://doi.org/10.1038/s41377-022-00898-2
消化道里的“侦察兵”——胶囊内镜
"胶囊内镜"全称为"智能胶囊消化道内镜系统"，又称"医用无线内镜"。
NO.1胶囊内镜的由来？
1981年，以色列国防部的机械工程师伊丹听一位内科医生聊起内窥镜检查的过程，他联想起自己熟悉的智能导弹上的遥控摄像装置，并由此产生了研制无线内窥镜的最初设想。此后，在伊丹的率领下，以色列专家开始大力开展对无线内窥镜的研究工作，并于上世纪90年代获得了该技术领域最早的专利。2001年，以色列的Given Imaging公司采用伊丹的专利技术，生产了名为M2A的世界上第一个胶囊式内窥镜，并率先进入临床使用，这一产品在全世界引起了巨大的反响。胶囊式内镜的诞生开辟了内镜技术医学应用的新领域，且与胃镜和肠镜具有良好的互补性，是消化学科发展史上的一个重要里程碑。
NO.2胶囊内镜的适应症及优势
由于传统内镜的局限性，小肠疾病一直成为消化系疾病临床诊断的"盲区"。此外，不少患者难以耐受或因惧怕不愿意接受传统的人工插入式内镜检查，从而耽误疾病的早期诊断和及时治疗。
聊城市二院消化内科引进的国产OMOM胶囊内镜作为全球第二、国内第一自主研制的医用无线内镜，它在技术上达到了国际先进水平，新型磁控胶囊内镜可以调整胶囊在胃内的角度及位置，能够反复观察胃部的病变部位，减少盲区的漏诊现象发生。
与插入式的消化道内镜相比，胶囊内镜最大的优点是无痛、无创、安全、便捷，尤其是对小肠的检查具有独到之处。胶囊内镜具有检查方便、无创伤、无导线、无痛苦、无交叉感染、不影响患者的正常工作等优点，扩展了消化道检查的视野，克服了传统的插入式内镜所具有的耐受性差、不适用于年老体弱和病情危重等缺陷，可作为消化道疾病尤其是小肠疾病诊断的首选方法，被医学界称为21世纪内镜发展的革命与方向。不需任何麻醉，患者只要服下一粒小小的"胶囊"，就能代替胃镜进行检查，并可检查胃部、小肠、大肠，清晰地拍到七八万张人体胃肠道病变情况的照片。
NO.3胶囊内镜的原理
胶囊内镜前端为透明的球状，里面是一个微型数码摄像机和6盏闪光灯。可以在漆黑的消化道内拍出清晰的照片，胶囊内镜检查前，被检查者须先禁食，病人服下该"智能胶囊"后，胶囊因胃肠动力自行在体内穿行，并摄下胃和大肠、小肠的图像，图像通过传感器以数字的形式传输到病人随身携带的一个比香烟盒子略大的记录装置上。整个过程大概需要8至10小时，期间病人可离开医院正常工作、生活。时间到了以后，病人只需送回数据记录仪，医生根据记录仪内的近8万张照片，查看食道、胃、小肠、大肠的病变情况，最后，智能胶囊将自动排出体外。
NO.4胶囊内镜检查的四大特点
扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大提高了消化道疾病诊断检出率。安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染，且检查过程无痛无创;其外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性，能够安全排出体外。舒适自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。(只是注意检查当天不从事重体力劳动和剧烈运动即可)。操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个过程。医生只需在回放过程中，通过拍摄到的图片即可对病情做出准确判断。
NO.5检查准备事项
A、检查前两日吃少渣半流质食物(如粥，牛奶)，忌蔬菜，水果，油腻食物。如有长期便秘者需要提前清肠。B、检查前24小时内及检查期间，不允许抽烟。C、检查当日，早餐禁食。D、检查前2个小时，禁服用任何药物。E、检查前晚上10:00，喝清肠剂+饮水2000ml。F、检查当天早5:00，喝清肠剂+饮水2000ml，检查当天1小时停止饮水。G、大便排出清水样时来医院检查，检查前15min-20min左右服用去泡剂及祛粘液剂。
NO.6胶囊内镜检查适应症 （1）不明原因消化道出血，经上下消化道内镜检查无阳性发现者;（2）其它影像学检查怀疑小肠病变者;（3）各种炎症性肠病，但不含肠梗阻者及肠狭窄者;（4）不明原因缺铁性贫血;（5）不明原因慢性腹痛、腹泻、消瘦者;（6）临床疑为炎症性肠病、肠结核、小肠肿瘤者;（7）经济情况良好的中年以上体检者。
NO.7胶囊内镜检查禁忌症
（1）明确或怀疑有胃肠梗阻、消化道畸形、消化道穿孔、狭窄及瘘管者，因为摄像胶囊有不能顺利通过肠道的危险;
（2）严重吞咽困难，不能顺利吞入摄像胶囊者;
（3）体内植入心脏起搏器或其他电子仪器者，因为电子仪器会干扰胶囊内镜的正常工作。
NO.8注意事项
A、检查结束前要始终穿戴记录仪背心，待胶囊在实时监视进入十二指肠后，方可离开医生的视线。B、检查过程中要远离较强的磁场，电场环境。C、避免剧烈活动等可能导致图像记录仪发生移动的活动。D、在检查8小时内尽量不要喝水，吃食物；如有特殊需要，可在胶囊进小肠2小时后进食干性食物，如饼干，面包等，尽量不要喝水。E、8小时后，如果看到记录仪上的ACT指示灯不再闪烁，长按中间黑色开关3秒以上，当所有灯都熄灭时，脱下记录仪，小心保管，不要重压，按照要求时间送回医院。F、检查结束后注意胶囊是不是从大便内排出，一般当天或4天内排出，如果没有排出，请及时回医院检查。
专家简介
张贵志 ，消化内科副主任，副主任医师，医学硕士，山东省抗癌协会肿瘤内镜学分会常委，山东省医学会消化介入诊疗委员会胆胰学组委员，聊城市消化内镜委员会委员，聊城市消化身心联盟委员会委员。擅长胃肠道疾病和胰胆系统疾病的诊治以及消化内镜下的微创治疗，尤其擅长消化道早癌的诊治和胆总管结石、胆管癌等胆道疾病的ERCP诊疗技术。在专业杂志上以发表SCI论文2篇，中华医学会及核心期刊论文4篇。参与省级科研课题1项，主持市级科研课题2项。多次荣获医院“先进工作者”、“优秀带教老师”等称号，获院科技进步奖二等奖2次，2015及2018年当选医院院“十佳青年医师”。2019年获得鲁渝健康扶贫协作“支医先进个人”。联系方式：19953858028
商西丹 ，消化内科副主任，副主任医师，消化内科专业，2003年毕业于滨州医学院，硕士。中国中西医结合消化系统疾病专业委员会第一届炎症性肠病专家委员会委员。山东省中西医结合学会肝病专业委员会委员。内镜医师协会肝胆管内镜中国协会山东分会委员。擅长胃肠及肝胆疾病的诊断及治疗，尤其擅长于难治性、复发性溃疡性结肠炎的治疗；擅长胶囊内镜检查、内镜下的微创及介入治疗，尤其十二指肠镜下的检查及治疗。联系方式：3561452277
相关问答
医院感染的预防与控制 论文 ?同时对监测资料进行汇总、分析、统计并及时反馈到科室。对监测不合格的科室协助查找原因,提出整改措施,使医院感染管理工作更具有可行性,有的放矢。使监测工作...
快速发表医学 论文 办法[回答]不是,山东医药才是.中文核心期刊要目如下:第五编医药卫生R综合性医药卫生类核心期刊表1中华医学杂志2第四军医大学学报3北京大学学报.医学版4...
人工智能在医疗产业如何实现创意发展?这种利用人体自身的分子来医治类似于糖尿病和癌症等疑难杂症,要比研究新药的时间成本与资金少一半。”国外最早将人工智能应用于医疗诊断的是MYCIN专家系统。我...
川北医学院临床医学系怎么样?设有哪些专业? 申请方[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们川北医学院的临床医学系开设的专业以及研究情况专业设置:临床医学川北医学院位于四川省历史文化名城、三国文化发...
长治医学院第二临床学院怎么样?设有哪些专业? 申请方[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们长治医学院的第二临床学院开设的专业以及研究情况专业设置:临床医学长治医学院附属和济医院即长治医学院第二临床...
学术 论文 要不要被免费查阅是政策性辩题吗?学术论文是对某个科学领域中的学术问题进行研究后表述科学研究成果的理论文章。学术论文的写作是非常重要的,它是衡量一个人学术水平和科研能力的重要标志。在...
刘海峰有多少人?刘海峰,男,主任医师,医学博士,现上海市儿童内镜中心主任。从事小儿消化相关信息听说吃一次方便面真的要一个月才能消化吗?...吃完火锅肠胃不消化可以吃青稞...
医院的坐诊医生到底起到什么作用?门诊坐诊医师负责接诊,询问检查(含委托各种化验CT核磁共振B超各种内窥镜检拍片心脑电图等检查报告单)初步确诊病情,需住院的接收住院,否则作出门诊处置(如门诊...
上海市第七人民医院有哪些科室?内科共有医师31名,其中主任医师2名、副主任医师7名、主治医师10名、住院医师12名,医学硕士4名。共有床位111张,下设心血管内科、呼吸内科、消化内科、普通内科...
"间质组织"和中医里的经络很像，不知道这个新组织是否和经络有关联?"间质组织"和中医里的经络很像,不知道这个新组织是否和经络有关联?这两天,全世界都被上面这张间质组织(粘膜下间质组织)新的显微结构的模式图刷屏。在国内..."...
