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] Holger Krueger. Standardization for Additive Manufacturing in Aerospace[J]. Engineering, 2017, 3(5): 585 .
[2] Joe A. Sestak Jr.. High School Students from 157 Countries Convene to Address One of the 14 Grand Challenges for Engineering: Access to Clean Water[J]. Engineering, 2017, 3(5): 583 -584 .
[3] Lance A. Davis. Climate Agreement—Revisited[J]. Engineering, 2017, 3(5): 578 -579 .
[4] Ben A. Wender, M. Granger Morgan, K. John Holmes. Enhancing the Resilience of Electricity Systems[J]. Engineering, 2017, 3(5): 580 -582 .
[5] Jin-Xun Liu, Peng Wang, Wayne Xu, Emiel J. M. Hensen. Particle Size and Crystal Phase Effects in Fischer-Tropsch Catalysts[J]. Engineering, 2017, 3(4): 467 -476 .
[6] Luis Ribeiro e Sousa, Tiago Miranda, Rita Leal e Sousa, Joaquim Tinoco. The Use of Data Mining Techniques in Rockburst Risk Assessment[J]. Engineering, 2017, 3(4): 552 -558 .
[7] Maggie Bartolomeo. Third Global Grand Challenges Summit for Engineering[J]. Engineering, 2017, 3(4): 434 -435 .
[8] Michael Powalla, Stefan Paetel, Dimitrios Hariskos, Roland Wuerz, Friedrich Kessler, Peter Lechner, Wiltraud Wischmann, Theresa Magorian Friedlmeier. Advances in Cost-Efficient Thin-Film Photovoltaics Based on Cu(In,Ga)Se2[J]. Engineering, 2017, 3(4): 445 -451 .
[9] Raffaella Ocone. Reconciling “Micro” and “Macro” through Meso-Science[J]. Engineering, 2017, 3(3): 281 -282 .
[10] Baoning Zong, Bin Sun, Shibiao Cheng, Xuhong Mu, Keyong Yang, Junqi Zhao, Xiaoxin Zhang, Wei Wu. Green Production Technology of the Monomer of Nylon-6: Caprolactam[J]. Engineering, 2017, 3(3): 379 -384 .
[11] Pengcheng Xu, Yong Jin, Yi Cheng. Thermodynamic Analysis of the Gasification of Municipal Solid Waste[J]. Engineering, 2017, 3(3): 416 -422 .
[12] Lei Xu, Jinhui Peng, Hailong Bai, C. Srinivasakannan, Libo Zhang, Qingtian Wu, Zhaohui Han, Shenghui Guo, Shaohua Ju, Li Yang. Application of Microwave Melting for the Recovery of Tin Powder[J]. Engineering, 2017, 3(3): 423 -427 .
[13] Ee Teng Kho, Salina Jantarang, Zhaoke Zheng, Jason Scott, Rose Amal. Harnessing the Beneficial Attributes of Ceria and Titania in a Mixed-Oxide Support for Nickel-Catalyzed Photothermal CO2 Methanation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 393 -401 .
[14] Ke Dang, Tuo Wang, Chengcheng Li, Jijie Zhang, Shanshan Liu, Jinlong Gong. Improved Oxygen Evolution Kinetics and Surface States Passivation of Ni-Bi Co-Catalyst for a Hematite Photoanode[J]. Engineering, 2017, 3(3): 285 -289 .
[15] Mu Xiao, Songcan Wang, Supphasin Thaweesak, Bin Luo, Lianzhou Wang. Tantalum (Oxy)Nitride: Narrow Bandgap Photocatalysts for Solar Hydrogen Generation[J]. Engineering, 2017, 3(3): 365 -378 .
Copyright © 2015 Higher Education Press & Engineering Sciences Press, All Rights Reserved.