Please wait a minute...
Submit  |   Chinese  | 
Advanced Search
   Home  |  Online Now  |  Current Issue  |  Focus  |  Archive  |  For Authors  |  Journal Information   Open Access  
Submit  |   Chinese  | 
Engineering    2015, Vol. 1 Issue (3) : 351 -360
Research |
A Confocal Endoscope for Cellular Imaging
Jiafu Wang1,2,Min Yang3,Li Yang1,2,Yun Zhang1,2,Jing Yuan1,2,Qian Liu1,2,Xiaohua Hou3,Ling Fu1,2,()
1. Britton Chance Center for Biomedical Photonics, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2. MoE Key Laboratory for Biomedical Photonics, Department of Biomedical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
3. Division of Gastroenterology, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Since its inception, endoscopy has aimed to establish an immediate diagnosis that is virtually consistent with a histologic diagnosis. In the past decade, confocal laser scanning microscopy has been brought into endoscopy, thus enabling in vivo microscopic tissue visualization with a magnification and resolution comparable to that obtained with the ex vivo microscopy of histological specimens. The major challenge in the development of instrumentation lies in the miniaturization of a fiber-optic probe for microscopic imaging with micron-scale resolution. Here, we present the design and construction of a confocal endoscope based on a fiber bundle with 1.4-μm lateral resolution and 8-frames per second (fps) imaging speed. The fiber-optic probe has a diameter of 2.6 mm that is compatible with the biopsy channel of a conventional endoscope. The prototype of a confocal endoscope has been used to observe epithelial cells of the gastrointestinal tracts of mice and will be further demonstrated in clinical trials. In addition, the confocal endoscope can be used for translational studies of epithelial function in order to monitor how molecules work and how cells interact in their natural environment.

Keywords cellular resolution      confocal endoscopy      optical biopsy     
Corresponding Authors: Ling Fu   
Just Accepted Date: 18 September 2015   Issue Date: 16 October 2015
E-mail this article
E-mail Alert
Articles by authors
Jiafu Wang
Min Yang
Li Yang
Yun Zhang
Jing Yuan
Qian Liu
Xiaohua Hou
Ling Fu
Cite this article:   
Jiafu Wang,Min Yang,Li Yang, et al. A Confocal Endoscope for Cellular Imaging[J]. Engineering, 2015, 1(3): 351 -360 .
URL:     OR
1   B. Stewart, C. P. Wild. World Cancer Report 2014. Geneva: World Health Organization, 2014
2   T. A. Stamey, N. Yang, A. R. Hay, J. E. McNeal, F. S. Freiha, E. Redwine. Prostate-specific antigen as a serum marker for adenocarcinoma of the prostate. N. Engl. J. Med., 1987, 317(15): 909–916
3   J. M. Edmonson. History of the instruments for gastrointestinal endoscopy. Gastrointest. Endosc., 1991, 37(Suppl. 2): S27–S56
4   B. I. Hirschowitz, C. W. Peters, L. E. Curtiss. Preliminary report on a long fiberscope for examination of stomach and duodenum. Med. Bull. (Ann Arbor), 1957, 23(5): 178–180
5   B. I. Hirschowitz. A personal history of the fiberscope. Gastroenterology, 1979, 76(4): 864–869
6   J. Pohl, Comparison of computed virtual chromoendoscopy and conventional chromoendoscopy with acetic acid for detection of neoplasia in Barrett’s esophagus. Endoscopy, 2007, 39(7): 594–598
7   ASGE Technology Committee;  L. M. Wong Kee Song, Chromoendoscopy. Gastrointest. Endosc., 2007, 66(4): 639–649
8   K. K. Wang, N. Okoro, G. Prasad, M. Wong Kee Song, N. S. Buttar, J. Tian. Endoscopic evaluation and advanced imaging of Barrett’s esophagus. Gastrointest. Endosc. Clin. N. Am., 2011, 21(1): 39–51
9   R. Kiesslich, Confocal laser endoscopy for diagnosing intraepithelial neoplasias and colorectal cancer in vivo. Gastroenterology, 2004, 127(3): 706–713
10   M. Goetz, N. P. Malek, R. Kiesslich. Microscopic imaging in endoscopy: Endomicroscopy and endocytoscopy. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol., 2014, 11(1): 11–18
11   A. Meining, Direct visualization of indeterminate pancreaticobiliary strictures with probe-based confocal laser endomicroscopy: A multicenter experience. Gastrointest. Endosc., 2011, 74(5): 961–968
12   T. Liu, H. Zheng, W. Gong, C. Chen, B. Jiang. The accuracy of confocal laser endomicroscopy, narrow band imaging, and chromoendoscopy for the detection of atrophic gastritis. J. Clin. Gastroenterol., 2015, 49(5): 379–386
13   M. Goetz. Endomicroscopy and targeted imaging of gastric neoplasia. Gastrointest. Endosc. Clin. N. Am., 2013, 23(3): 597–606
14   L. Ginlünas, R. Juškaitis, S. V. Shatalin. Scanning fibre-optic microscope. Electron. Lett., 1991, 27(9): 724–726
15   M. Gu, C. J. R. Sheppard, X. Gan. Image formation in a fiber-optical confocal scanning microscope. J. Opt. Soc. Am. A, 1991, 8(11): 1755–1761
16   S. Kimura, T. Wilson. Confocal scanning optical microscope using single-mode fiber for signal detection. Appl. Opt., 1991, 30(16): 2143–2150
17   A. F. Gmitro, D. Aziz. Confocal microscopy through a fiber-optic imaging bundle. Opt. Lett., 1993, 18(8): 565–567
18   M. B. Wallace, P. Fockens. Probe-based confocal laser endomicroscopy. Gastroenterology, 2009, 136(5): 1509–1513
19   R. Kiesslich, M. Goetz, M. Vieth, P. R. Galle, M. F. Neurath. Technology insight: Confocal laser endoscopy for in vivo diagnosis of colorectal cancer. Nat. Clin. Pract. Oncol., 2007, 4(8): 480–490
20   M. Goetz, A. Watson, R. Kiesslich. Confocal laser endomicroscopy in gastrointestinal diseases. J. Biophotonics, 2011, 4(7−8): 498–508
21   J. Knittel, L. Schnieder, G. Buess, B. Messerschmidt, T. Possner. Endoscope-compatible confocal microscope using a gradient index-lens system. Opt. Commun., 2001, 188(5−6): 267–273
22   J. C. Jung, M. J. Schnitzer. Multiphoton endoscopy. Opt. Lett., 2003, 28(11): 902–904
23   A. R. Rouse, A. Kano, J. A. Udovich, S. M. Kroto, A. F. Gmitro. Design and demonstration of a miniature catheter for a confocal microendoscope. Appl. Opt., 2004, 43(31): 5763–5771
24   C. Liang, K. B. Sung, R. R. Richards-Kortum, M. R. Descour. Design of a high-numerical-aperture miniature microscope objective for an endoscopic fiber confocal reflectance microscope. Appl. Opt., 2002, 41(22): 4603–4610
25   M. D. Chidley, K. D. Carlson, R. R. Richards-Kortum, M. R. Descour. Design, assembly, and optical bench testing of a high-numerical-aperture miniature injection-molded objective for fiber-optic confocal reflectance microscopy. Appl. Opt., 2006, 45(11): 2545–2554
26   R. T. Kester, T. Christenson, R. R. Kortum, T. S. Tkaczyk. Low cost, high performance, self-aligning miniature optical systems. Appl. Opt., 2009, 48(18): 3375–3384
27   M. Kyrish, Needle-based fluorescence endomicroscopy via structured illumination with a plastic, achromatic objective. J. Biomed. Opt., 2013, 18(9): 096003
28   W. Piyawattanametha, In vivo brain imaging using a portable 2.9 g two-photon microscope based on a microelectromechanical systems scanning mirror. Opt. Lett., 2009, 34(15): 2309–2311
29   J. Sawinski, D. J. Wallace, D. S. Greenberg, S. Grossmann, W. Denk, J. N. Kerr. Visually evoked activity in cortical cells imaged in freely moving animals. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2009, 106(46): 19557–19562
30   J. Sawinski, W. Denk. Miniature random-access fiber scanner for in vivo multiphoton imaging. J. Appl. Phys., 2007, 102(3): 034701
31   Y. Zhang, A compact fiber-optic SHG scanning endomicroscope and its application to visualize cervical remodeling during pregnancy. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2012, 109(32): 12878–12883
32   C. M. Lee, C. J. Engelbrecht, T. D. Soper, F. Helmchen, E. J. Seibel. Scanning fiber endoscopy with highly flexible, 1 mm catheterscopes for wide-field, full-color imaging. J. Biophotonics, 2010, 3(5−6): 385–407
33   B. A. Flusberg, E. D. Cocker, W. Piyawattanametha, J. C. Jung, E. L. M. Cheung, M. J. Schnitzer. Fiber-optic fluorescence imaging. Nat. Methods, 2005, 2(12): 941–950
34   Z. Li, Z. Yang, L. Fu. Scanning properties of a resonant fiber-optic piezoelectric scanner. Rev. Sci. Instrum., 2011, 82(12): 123707
35   Z. Li, L. Fu. Note: A resonant fiber-optic piezoelectric scanner achieves a raster pattern by combining two distinct resonances. Rev. Sci. Instrum., 2012, 83(8): 086102
36   R. Sjöback, J. Nygren, M. Kubista. Absorption and fluorescence properties of fluorescein. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 1995, 51(6): L7–L21
37   V. K. Sharma, P. D. Sahare, R. C. Rastogi, S. K. Ghoshal, D. Mohan. Excited state characteristics of acridine dyes: Acriflavine and acridine orange. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2003, 59(8): 1799–1804
38   A. L. Polglase, W. J. McLaren, S. A. Skinner, R. Kiesslich, M. F. Neurath, P. M. Delaney. A fluorescence confocal endomicroscope for in vivo microscopy of the upper- and the lower-GI tract. Gastrointest. Endosc., 2005, 62(5): 686–695
39   J. M. Jabbour, M. A. Saldua, J. N. Bixler, K. C. Maitland. Confocal endomicroscopy: Instrumentation and medical applications. Ann. Biomed. Eng., 2012, 40(2): 378–397
40   S. C. Park, M. K. Park, M. G. Kang. Super-resolution image reconstruction: A technical overview. IEEE Signal Proc. Mag., 2003, 20(3): 21–36
41   S. Lertrattanapanich, N. K. Bose. High resolution image formation from low resolution frames using Delaunay triangulation. IEEE Trans. Image Process., 2002, 11(12): 1427–1441
42   T. Kuiper, New classification for probe-based confocal laser endomicroscopy in the colon. Endoscopy, 2011, 43(12): 1076–1081
43   M. Goetz, In vivo molecular imaging of colorectal cancer with confocal endomicroscopy by targeting epidermal growth factor receptor. Gastroenterology, 2010, 138(2): 435–446
44   D. Moussata, Confocal laser endomicroscopy is a new imaging modality for recognition of intramucosal bacteria in inflammatory bowel disease in vivo. Gut, 2011, 60(1): 26–33
45   Y. Goto, H. Kiyono. Epithelial barrier: An interface for the cross-communication between gut flora and immune system. Immunol. Rev., 2012, 245(1): 147–163
46   S. Foersch, Molecular imaging of VEGF in gastrointestinal cancer in vivo using confocal laser endomicroscopy. Gut, 2010, 59(8): 1046–1055
[1] Zhuo Cheng, Lang Qin, Jonathan A. Fan, Liang-Shih Fan. New Insight into the Development of Oxygen Carrier Materials for Chemical Looping Systems[J]. Engineering, 2018, 4(3): 343 -351 .
[2] Jennifer A. Clark, Erik E. Santiso. Carbon Sequestration through CO2 Foam-Enhanced Oil Recovery: A Green Chemistry Perspective[J]. Engineering, 2018, 4(3): 336 -342 .
[3] Andrea Di Maria, Karel Van Acker. Turning Industrial Residues into Resources: An Environmental Impact Assessment of Goethite Valorization[J]. Engineering, 2018, 4(3): 421 -429 .
[4] Lance A. Davis. Falcon Heavy[J]. Engineering, 2018, 4(3): 300 .
[5] Augusta Maria Paci. A Research and Innovation Policy for Sustainable S&T: A Comment on the Essay ‘‘Exploring the Logic and Landscape of the Knowledge System”[J]. Engineering, 2018, 4(3): 306 -308 .
[6] Ning Duan. When Will Speed of Progress in Green Science and Technology Exceed that of Resource Exploitation and Pollutant Generation?[J]. Engineering, 2018, 4(3): 299 .
[7] Jian-guo Li, Kai Zhan. Intelligent Mining Technology for an Underground Metal Mine Based on Unmanned Equipment[J]. Engineering, 2018, 4(3): 381 -391 .
[8] Veena Sahajwalla. Green Processes: Transforming Waste into Valuable Resources[J]. Engineering, 2018, 4(3): 309 -310 .
[9] Junye Wang, Hualin Wang, Yi Fan. Techno-Economic Challenges of Fuel Cell Commercialization[J]. Engineering, 2018, 4(3): 352 -360 .
[10] Raymond RedCorn, Samira Fatemi, Abigail S. Engelberth. Comparing End-Use Potential for Industrial Food-Waste Sources[J]. Engineering, 2018, 4(3): 371 -380 .
[11] Ning Duan, Linhua Jiang, Fuyuan Xu, Ge Zhang. A Non-Contact Original-State Online Real-Time Monitoring Method for Complex Liquids in Industrial Processes[J]. Engineering, 2018, 4(3): 392 -397 .
[12] Keith E. Gubbins, Kai Gu, Liangliang Huang, Yun Long, J. Matthew Mansell, Erik E. Santiso, Kaihang Shi, Małgorzata Ś liwińska-Bartkowiak, Deepti Srivastava. Surface-Driven High-Pressure Processing[J]. Engineering, 2018, 4(3): 311 -320 .
[13] Steff Van Loy, Koen Binnemans, Tom Van Gerven. Mechanochemical-Assisted Leaching of Lamp Phosphors: A Green Engineering Approach for Rare-Earth Recovery[J]. Engineering, 2018, 4(3): 398 -405 .
[14] Robert S. Weber, Johnathan E. Holladay. Modularized Production of Value-Added Products and Fuels from Distributed Waste Carbon-Rich Feedstocks[J]. Engineering, 2018, 4(3): 330 -335 .
[15] Hualin Wang, Pengbo Fu, Jianping Li, Yuan Huang, Ying Zhao, Lai Jiang, Xiangchen Fang, Tao Yang, Zhaohui Huang, Cheng Huang. Separation-and-Recovery Technology for Organic Waste Liquid with a High Concentration of Inorganic Particles[J]. Engineering, 2018, 4(3): 406 -415 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.