(Experimental setup of ultrathin holographic endomicroscope. (a) The output beam from a laser is divided into sample and reference beams. The sample beam is delivered to the sample through the fiber bundle. The backscattering signal from the sample, indicated as yellow for clarity although its wavelength is identical to the incident wave, is captured by the fiber bundle and delivered to the camera. The reference beam generates an interferogram together with the signal beam at the camera. (b) Image formation principle. The angular spectrum of the sample is obtained under Fresnel conditions by separating the distance between the object and the optical fiber. Credit: Institute for Basic Science)
(Endomicroscopic imaging through a narrow and curved passage, and 3D imaging capability. (a) and (b) show front and top views of the experimental configuration, respectively. (c) and (d) show the conventional endoscopic image and the reconstructed image with the newly developed endoscope, respectively. Scale bars: 20μm. (e) shows endoscopic imaging of stacked targets. Two resolution targets were placed at two different depths, 1 and. Groundtruth images of the targets in depths 1 and 2 taken by conventional brightfield microscope were shown next to the schematic. (f) and (g) display endoscopic images for the depths of 1 and 2, respectively, reconstructed using a single reflection matrix recording. Credit: Institute for Basic Science)
(Microscopic imaging of villi in a rat intestine. (a) shows conventional reflectance endoscope image taken when the fiber bundle was in contact with the villi. (b) shows transmission image obtained through the fiber bundle. The LED illumination was sent from the villi to the fiber bundle. (c)-(f) display label-free reflectance images obtained using the newly developed holographic endoscope. (g) shows a reconstructed image of two villi by stitching multiple images taken over a wide region of interest. The 350-μm-diameter fiber bundle was used for image acquisition. Scale bar: 100 μm. Credit: Institute for Basic Science)
현재 내시경은 위암이나 대장암 같은 소화기 암의 진단 및 치료에 매우 중요하게 사용되고 있습니다. 수술 없이 내부 장기를 직접 확인하고 병변을 치료할 수 있다는 점은 과거에는 상상하기 어려운 기술적 진보입니다.
따라서 내시경의 활용 범위는 점점 넓어지고 있지만, 한계도 있습니다. 가장 큰 문제는 이미지 센서와 렌즈를 장착한 케이블 형태의 내시경은 크기를 작게 만드는 데 한계가 있다는 것입니다. 대인으로 생각할 수 있는 광섬유 번들을 이용하능 전통적인 내시경은 해상도가 낮다는 단점이 있습니다.
한국 기초과학 연구원 (IBS)의 최원식 분자 분광학 및 동력학 연구단 부연구단장과 최영운 고려대학교 바이오의공학과 부교수 공동연구팀은 별도의 장치가 없는 바늘 두께보다 얇은 광섬유 다발을 이용해 3D 홀로그램 이미징이 가능한 내시경 기술을 개발했습니다.
기존의 광섬유 번들 내시경은 모든 광섬유에 빛이 들어가 목표에 닿은 후 산란되어 고해상도 이미지를 얻는 데 한계가 있었습니다. 여기에 광섬유 내에 빈 공간이 많아 선명한 이미지를 얻는 데 한계가 있었습니다. 연구팀은 한개의 광섬유 코어에 빛을 집중시켜 조명을 하고 물체에 반사되어 나온 빛을 각각의 광섬유에서 얻은 후 이를 재구성해 고해상도 이미지를 얻었습니다.
이렇게 개발된 내시경은 지름이 350㎛에 불과해 일반적인 주사 바늘 보다 얇으면서도 구부릴 수 있는 특징이 있습니다. 연구팀은 이를 이용해 쥐의 소장에 있는 작은 융털을 별도의 염색 없이도 마치 현미경으로 보는 것처럼 상세히 관찰했습니다. 분해능은 무려 850nm에 달합니다. 거의 현미경급 내시경이라고 할 수 있습니다. 여기에 14㎛ 깊이의 3D 이미지를 얻을 수도 있어 입체 정보도 얻을 수 있습니다.
새로운 내시경 기술은 기존의 내시경 기술로는 접근 하기 어려웠던 조직이나 장기에 접근해 진단 및 치료를 가능하게 해줄 것으로 기대되고 있습니다. 과연 실제 임상에서 사용할 수 있게 될지 궁금합니다.
참고
https://phys.org/news/2022-09-flexible-endoscope-thinner-needle.html
Wonjun Choi et al, Flexible-type ultrathin holographic endoscope for microscopic imaging of unstained biological tissues, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32114-5
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