Haarfijne endoscoop betekent revolutie in de medische beeldvorming

Onderzoekers hebben een endoscoop ontwikkeld waarmee 3D-beelden kunnen worden gemaakt met bijna-videosnelheid door middel van een enkele optische vezel met de diameter van een haar. De techniek kan in de toekomst voor vele toepassingen worden gebruikt; van industriële inspectie, milieubewaking tot een revolutionaire nieuwe manier van medische beeldvorming. De onderzoekers publiceerden de resultaten in het gerenommeerde tijdschrift Science.

Het systeem is ontwikkeld door een internationaal team onder leiding van de optiekgroep van de Universiteit van Glasgow. De haarfijne endoscoop-technologie die hiervoor wordt gebruikt, is meer dan tien jaar lang onderzocht door Prof. Tomáš Čižmár en is het belangrijkste aandachtspunt van de activiteiten in de afdeling Vezelonderzoek en -technologie van het Leibniz Instituut voor Fotonische Technologieën (Leibniz-IPHT), aldus de Leibniz Gemeinschaft in een persbericht.

Pixel voor pixel

“Samen met onze onderzoekspartners zijn we erin geslaagd een zeer dunne vezelendoscoop te ontwikkelen waarmee we scènes kunnen opnemen die tot op enkele meters afstand staan”, vat Tomáš Čižmár de resultaten van het internationale onderzoeksteam samen. “Wij bereiken dit door onze microendoscopen te combineren met de time-of-flight methode die door onze collega’s in Glasgow wordt gebruikt. Als licht door een optische vezel gaat, komt het er aan de andere kant niet in dezelfde vorm uit. In plaats daarvan wordt het volledig vervormd, zodat het verzenden van beelden door de vezel zelf niet werkt”, legt Tomáš Čižmár uit.

“Wij hebben een methode onderzocht om het laserlicht dat de vezel binnenkomt zo te structureren dat er aan het eind van de vezel één enkel lichtpunt verschijnt. Hiermee scannen we de op te nemen scène pixel voor pixel, waarbij we de lichtintensiteit op elk punt meten. Deze informatie wordt dan op de computer samengevoegd tot een tweedimensionaal beeld.”

Diepte-informatie

De onderzoekers van Glasgow vullen de microendoscopie aan met een time-of-flight techniek om naast 2D-reflectiebeelden ook diepte-informatie te verkrijgen. Hun techniek bepaalt de diepte door de rondgangstijd te meten van een laserpuls die door het tafereel wordt weerkaatst.

“Door gebruik te maken van een gepulseerde laser wordt de vluchttijd van het licht en dus de afstand van elke pixel in het beeld gemeten. De technologie van precieze time-of-flight metingen maakt het dus mogelijk om complete 3D puntenwolken te maken, vergelijkbaar met LiDAR”, aldus Dr. Sergey Turtaev, een wetenschapper in de Holografische Endoscopie groep van Leibniz-IPHT.

Autonoom rijden

De 3D-beelden kunnen worden vastgelegd met millimeterresolutie en bieden frame rates die hoog genoeg zijn om bewegingen waar te nemen in bijna videokwaliteit: De onderzoekers beelden bewegende objecten af die zich enkele meters voor het uiteinde van een ongeveer 40 centimeter lange vezel met een kerndiameter van 50 micrometer bevinden, met een beeldsnelheid van ongeveer 5 hertz. Momenteel moet de multimodale vezel na de kalibratie in een vaste positie blijven. In een volgende stap zullen de onderzoekers nagaan hoe de kalibratietijd kan worden verkort, zodat de vezelendoscoop kan worden bewogen, gebogen en verdraaid.

“Met onze publicatie in het tijdschrift Science hebben we een belangrijke mijlpaal bereikt. We onderzoeken nu hoe we de flexibiliteit van de vezel kunnen behouden en gebruiken. Als de technologie eenmaal ver genoeg ontwikkeld is, kan ze in de praktijk op allerlei manieren worden gebruikt, bijvoorbeeld bij autonoom rijden, beveiligingstoepassingen en uiteindelijk in de geneeskunde,” blikt Čižmár vooruit.

Ook interessant: 3D-gedrucktes Mini-Endoskop macht Bilder im Inneren von Adern