Neuartiges Mikroendoskop liefert hochqualitative Bilder

Die Bilder A-C zeigen Kügelchen auf einem Objektträger, beobachtet durch ein normales Mikroskop. D-F zeigen die Kügelchen durch ein konventionelles, linsenbasiertes Mikroendoskop. G-I zeigen Rohdaten des neuen, linsenlosen Mikroendoskop. J-L sind die Endergebnisse der Bildrekonstruktion. (Image credit: Courtesy of Mark Foster)
Die Bilder A-C zeigen Kügelchen auf einem Objektträger, beobachtet durch ein normales Mikroskop. D-F zeigen die Kügelchen durch ein konventionelles, linsenbasiertes Mikroendoskop. G-I zeigen Rohdaten des neuen, linsenlosen Mikroendoskop. J-L sind die Endergebnisse der Bildrekonstruktion. (Image credit: Courtesy of Mark Foster)

Ingenieure der Johns Hopkins University haben ein neues, linsenloses, ultrakleines Endoskop entwickelt, das hochqualitative Bilder produzieren kann. Das Endoskop hat die Breite von nur ein paar menschlichen Haaren. Die zugehörige Studie wurde am 6. Dezember 2019 im Journal Science Advances veröffentlicht.

“Normalerweise muss man sich entweder für die Größe oder für die Bildqualität entscheiden. Mit unserem Endoskop können wir beides tun”, sagte Mark Foster, ein außerordentlicher Professor für Elektro- und Computeringenieurswesen an der Johns Hopkins University und der Autor der Studie.

Mikroendoskope sind für die Untersuchung von Neuronen konzipiert, während sie in den Gehirnen von Versuchstieren zünden und müssen demzufolge klein und dennoch leistungsfähig genug sein, um ein klares Bild zu erzeugen. Die meisten Standardmikroendoskope haben Durchmesser zwischen einem halben und ein paar Millimetern und erfordern größere, invasivere Linsen, um hochqualitative Bilder hervorzubringen. Obwohl linsenlose Mikroendoskope existieren, wird die optische Faser, die eine Hirnregion scannt, oft verbogen und verliert durch Bewegung ihre Abbildungsleistung.

In ihrer neuen Studie entwickelten Foster und seine Kollegen ein linsenloses, ultrakleines Mikroendoskop, das verglichen mit konventionellen, linsenbasierten Mikroendoskopen die Bildqualität verbessert und die Menge der erkennbaren Informationen erhöht. Um ihr Instrument zu testen, untersuchten sie Kügelchen in verschiedenen Mustern auf einem Objektträger.

Die Forscher erreichten dies durch die Verwendung einer “Coded Aperture” – einem flachen Raster, das Licht auf zufällige Weise blockiert und eine Projektion in einem bekannten Muster erzeugt – ähnlich als würde man ein Stück Aluminiumfolie durchstoßen und dann das Licht durch all die kleinen Löcher scheinen lassen. Dadurch entsteht ein chaotisches Bild, aber eines, das eine Fülle an Informationen über den Ursprung des Lichts enthält. Diese Informationen können mit Hilfe von Computern zu einem klareren Bild zusammengesetzt werden.

“Tausende Jahre war das Ziel, ein möglichst klares Bild zu erstellen”, sagte Foster. “Dank der computerunterstützten Rekonstruktion können wir zweckdienlich Etwas aufnehmen, was grausam aussieht und entgegen der Intuition ein klareres Endergebnis herausbekommen.”

Darüber hinaus benötigt das von Fosters Team entwickelte Mikroendoskop keine Bewegung, um Objekte in verschiedenen Tiefen zu fokussieren. Sie nutzen die berechnete Neufokussierung, um dreidimensional zu bestimmen, woher das Licht kam. Dadurch kann das Endoskop viel kleiner sein als traditionelle Versionen.

Das Team wird sein Mikroendoskop mit fluoreszierenden Markierungsprozeduren testen, bei denen aktive Hirnneuronen markiert werden und aufleuchten, um die Genauigkeit des Mikroendoskops bei der Abbildung der neuralen Aktivität festzustellen.

Quelle

(THK)

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