食道镜和胃镜到底有多可怕？
对于很多胃病患者而言，胃镜可能是一项让人望而生畏、闻之色变的检查。胃镜是一条约“手指”粗的管子，经口伸入受检者的食道、胃、十二指肠，通过光纤成像把检查情况反映到荧光屏上供医师分析。而且，当光线通过一根光纤时，模式之间的串扰会干扰光线，使图像无法识别。

为了解决这个问题，英国格拉斯哥大学Miles J. Padgett团队利用多模光纤（MMFs）以“头发丝”宽度的光纤以视频速率实现3D成像，这些3D图像可以在距离光纤端几十毫米到几米的距离记录，具有毫米距离分辨率和足够高的帧率来感知接近视频质量的运动。该原型系统以5Hz的频率通过40cm长的光纤传输图像，每一帧包含大约4000个独立可分辨特征，深度分辨率约为5 mm。相关工作以“Time-of-flight 3D imaging through multimode optical fibers”发表在最新一期的《Science》上。

多模光纤(MMFs)可以支持数千种空间模式的传播从而实现高分辨率成像，每个光场模式都是一个独立的信息通道，很像人的“头发丝”，很适合应用在显微内窥镜领域。然而，超薄的MMF 3D成像仍面临一下诸多问题，比如：光信号会受到模态色散，通常会导致输入的相干光图案在输出面难以识别地杂乱成散斑图案，这些图案完全由从核包层界面散射多次的非弹道光形成。

幸运的是，只要MMF保持固定的配置，置乱过程本质上是确定性和不变的，这意味着静态MMF干扰光的方式可以用传输矩阵(TM)表示，并可以通过传输矩阵计算出输入域的大小，从而实现一个点聚焦于一个特定的位置，即激光波前整形。

基于此，该团队通过飞行时间(TOF)光探测和测距(LIDAR)技术增强多模光纤微内窥镜，提供深度信息和二维反射图像。TOF技术通过测量从现场反射的激光脉冲的往返飞行时间来恢复深度。此外，利用亚纳秒脉冲激光源实现高速波前整形，根据TM使用一系列精心设计的输入光场照亮近端关节突，通过MMF的远端关节突对聚焦点进行光栅扫描，记录通过光纤返回的光的总强度并将其与焦点的位置相关联，就可以实现基于扫描的成像。

图1 内窥镜激光雷达实验装置的示意图
值得注意的是，通过MMF从连续波到脉冲照明的波前整形带来了额外的问题：由于色散和空间模式色散，可能会造成时间脉冲畸变。在该体系中，空间模式色散占主导地位。为减轻该影响，就必须确保在光纤中传播时积累的光程差保持在脉冲的相干长度以下，这就限制了脉冲的时间长度tp:

为了保证最小的脉冲失真，选择了脉冲持续时间为tp约700ps，中心波长λ= 532 nm的激光器，使用比所暗示的脉冲持续时间短得多的光源。最终，我们的光纤每偏振支持约1000个空间模式，每幅图像的横向分辨率为~4N = 4000个独立可分辨特征。最终，该光纤成像由一个单一的激光脉冲被传送到视场中的每个空间位置，第二根光纤放置在照明光纤旁边，用来收集背向散射的光，每个图像像素返回的信号直接耦合到雪崩光电二极管并转换为TOF直方图，从而显示出脉冲进入照明光纤的时间，通过定位直方图峰值的时间位置来恢复深度信息。

图2 通过逐渐增加场景深度来解析动态行为的快照
随后，采用该光纤成像技术跟踪了摆锤及其线的三维运动和更动态的运动场景-一些人员在从远端关节突逐渐增加的距离周围移动，最远可达2.5米。结果发现，我们系统的深度精度很大程度上取决于每个像素返回信号的水平，使得它高度依赖于场景中物体的反射率和深度。此外，研究人员还提出可以通过TM引导的计算成像法来提高图像质量，即：利用TM将能量集中到一个聚焦点，使信噪比最大化，然后使用正则化矩阵反演来解释残余背景散斑。

图3 增强保真度的3D成像
与新兴的临床显微内窥镜-光学相干断层扫描(OCT)恢复组织内的高分辨率深度图像相比，多模3D成像系统以近视频帧率在光纤输出的远场中成像，属于一种通过光没有时空补偿的MMF，因而具有更大的深度范围，仅受收集效率以及更低的轴向分辨率的限制。使用支持多种空间模式的MMF也可以实现基于DMD的高速点扫描而不是机械扫描，允许高帧率操作，但牺牲了内窥镜本身的灵活性。三维成像通过厚厚的随机散射介质仍可进行超快脉冲检测和使用原位远端全息术通过大形状因子多芯光纤进行光学切片。

综上所述，该团队使用了先进的光束整形技术，将输入的激光光束塑形到光纤上，在输出端创建一个单一的点。然后这一光点扫描整个场景，系统测量背向散射光进入另一根光纤的强度，从而给出图像中每个像素的亮度。通过使用脉冲激光器，他们还可以测量光的飞行时间，从而测量图像中每个像素的范围。基于TOF三维成像系统提供了一种令人兴奋的新型基于TOF-MMF的显微内镜，在生命科学的远程检查和生物医学成像中具有许多潜在的应用。

来源：高分子科学前沿