يعد تصميم المسبار الجديد بالعديد من تطبيقات التصوير في الأبحاث البيولوجية والطبية الحيوية

يعد تصميم المسبار الجديد بالعديد من تطبيقات التصوير في الأبحاث البيولوجية والطبية الحيوية

المناظير الدقيقة هي حجر الزاوية في التشخيص الطبي الحديث - فهي تسمح لنا برؤية ما لم نتمكن حتى من وصفه قبل عقدين من الزمن. تتحسن التكنولوجيا باستمرار، حيث يساهم علماء ICTER في تطوير المجسات.

أصبحت مناظير الألياف الضوئية الدقيقة أدوات تصوير ذات أهمية متزايدة، لكن لها قيود مادية. إنها ضرورية للتطبيقات التي تتطلب مسافة عمل طويلة ودقة عالية وأدنى قطر للمسبار. العمل البحثي بعنوان "أداء التصوير الفائق للمناظير الدقيقة المكونة من ألياف كاملة وثنائية التركيز" للدكتور كارول كارنوفسكي من ICTER، والدكتور جافريل أونتراخت من الجامعة التقنية في الدنمارك (DTU)، والدكتور مايكل هاكمان من جامعة أستراليا الغربية (UWA)، وأونور سيتينكايا من ICTER والبروفيسور ديفيد سامبسون من جامعة سري، ألقى ضوءًا جديدًا على المناظير الدقيقة الحديثة. ومن الجدير بالذكر أن البحث بدأ بينما كان المؤلفون يعملون في نفس المجموعة البحثية في جامعة غرب أستراليا.

وفيه، أظهر الباحثون أن مجسات التصوير بالمنظار، وخاصة تلك المخصصة لما يسمى بالعرض الجانبي، والتي تجمع بين الألياف الضوئية (GRIN) والعدسات الكروية، تقدم أداءً ممتازًا عبر مجموعة كاملة من الفتحات الرقمية، مما يفتح الطريق أمام نطاق أوسع من تطبيقات التصوير. في هذه الورقة، يكون أداء مجسات التصوير بالمنظار مشابهًا لتحقيقات عنصر التركيز الفردي شائعة الاستخدام.

ما هي المناظير الدقيقة؟

تتيح مجسات الألياف الضوئية المصغرة أو المناظير الدقيقة تصوير الهياكل المجهرية للأنسجة في عمق العينة أو المريض. يعتبر التصوير المقطعي التوافقي البصري بالمنظار (OCT) واعدًا بشكل خاص. وهي مناسبة للتصوير الحجمي للأنسجة الخارجية والداخلية للأعضاء (مثل الجهاز التنفسي العلوي أو الجهاز الهضمي أو الأنابيب الرئوية).

يمكن تمييز ثلاثة مجالات رئيسية لمسابير الألياف الضوئية. تتطلب دراسات الأعضاء المجوفة الكبيرة (على سبيل المثال فوق الجهاز التنفسي العلوي) أكبر نطاقات عمق التصوير (تصل إلى 15 ملم أو أكثر من سطح المسبار)، وعادةً ما تستخدم حزم غاوسية منخفضة الدقة (حجم البقعة في التركيز في نطاق 30-100 ميكرومتر). يعد نطاق الدقة المتوسطة (10-30 ميكرومتر) مفيدًا لتطبيقات أوسع مثل: ب. تصوير المريء أو المسالك الهوائية الصغيرة أو الأوعية الدموية أو المثانة أو المبيضين أو قناة الأذن. ويتمثل التحدي الرئيسي في الحصول على حزم ذات دقة أفضل من 10 ميكرومتر، وهو ما قد يكون مفيدًا لدراسات النماذج الحيوانية.

عند تطوير مسبار، يجب مراعاة المفاضلات بين معلمات التصميم وتأثيرها على أداء التصوير. تميل الأنظمة البصرية ذات الفتحة العددية الكبيرة (عالية الدقة) إلى أن تكون مسافة عمل أقصر (WD). بالإضافة إلى ذلك، يكون من الصعب تحقيق دقة أفضل ومسافة عمل أطول عندما يتم تقليل قطر المسبار. يمكن أن يكون هذا مشكلة بشكل خاص بالنسبة إلى مجسات الرؤية الجانبية - حيث يلزم وجود حد أدنى أكبر لمسافة العمل مقارنة بنظيراتها في التصوير الأمامي. لنفترض أن المسبار محاط بقسطرة أو إبرة. في هذه الحالة، يزداد الحد الأدنى المطلوب لمسافة العمل - وفي كثير من الحالات يكون هذا هو العامل المحدد للحد الأدنى من الدقة الممكن تحقيقها أو قطر المسبار.

ومن الجدير بالذكر أن المهندسين عادة ما يهتمون بتقليل قطر المسبار لتقليل تعطل العينة وراحة المريض. ويعني المسبار الأصغر حجمًا قسطرة أكثر مرونة وبالتالي قدرة أفضل على تحمل المريض للاختبار. ولذلك، فإن أحد أفضل الحلول هو استخدام مجسات الألياف الضوئية المتجانسة التي يقتصر قطرها على سمك الألياف الضوئية. تتميز هذه المجسات بسهولة التصنيع بفضل تقنية لحام الألياف الضوئية، والتي تتجنب المحاذاة والتوصيل (عادة اللصق) للمكونات الضوئية الدقيقة الفردية.

أنواع مختلفة من المناظير الدقيقة

تعتمد تصميمات مسبار تصوير الألياف الضوئية الأكثر شيوعًا على نوعين من عناصر التركيز: تحقيقات ألياف GRIN (GFP - تحقيقات ألياف GRIN) وتحقيقات العدسة الكروية (BLP - تحقيقات العدسة الكروية). من السهل تصنيع مجسات GRIN ولا تفقد قدرتها الانكسارية عندما يكون معامل انكسار الوسط المحيط قريبًا من معامل انكسار الألياف المستخدمة. ألياف GRIN المتوفرة تجاريًا تحد من التصميمات التي يمكن تحقيقها. من الصعب تحقيق دقة عالية باستخدام ألياف GRIN ذات الأقطار الأساسية الصغيرة.

بالنسبة إلى مجسات الرؤية الجانبية، يُحدث السطح المنحني للألياف (وربما القسطرة) تشوهات يمكن أن تؤثر على جودة الصورة. لا تواجه مجسات BLP الكروية هذه المشكلة، ولكن غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مجال أكبر من قطر الألياف لتحقيق دقة مماثلة لتحقيقات GFP. يعتمد أداء التركيز لمسبار BLP على معامل الانكسار للوسط المحيط، وهو نقطة مهمة عند العمل في وسط يحتوي على عينات بيولوجية قريبة أو قريبة.

أحد الحلول لتحسين أداء المجسات هو استخدام عناصر متعددة لتركيز الضوء، على غرار تصميم عدسات مسافة العمل الطويلة. أظهرت الدراسات أن الجمع بين العديد من عناصر تركيز الضوء يؤدي إلى نتائج أفضل للعديد من أغراض التصوير. يمكن للمسابير ذات عناصر التركيز المتعددة تحقيق دقة أفضل بأقطار أصغر مع توفير مسافات عمل أكبر دون التضحية بالدقة.

كيف يمكننا تحسين المجسات؟

في أحدث أعمالهم، أظهر الباحثون بقيادة الدكتور كارنوفسكي أن المجسات التي تحتوي على عنصري تركيز يستخدم كلاً من شرائح GRIN والعدسات الكروية - ما يسمى بمسبار عدسة GRIN الكروية (GBLP) - تعمل على تحسين أداء مجسات الألياف الضوئية المتجانسة بشكل كبير. وقد تم بالفعل عرض نتائج النمذجة الأولى الخاصة بهم في مؤتمرات عُقدت في عامي 2018 و2019. وتمت مقارنة مجسات GBP مع مجسات GFP وBLP الأكثر استخدامًا وأثبتت مزايا الأداء، خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مسافات تشغيل أطول ودقة أفضل وحجم صغير.

لتصور أداء المسبار بشكل حدسي، قدم الباحثون طريقة جديدة لعرض نتائج المحاكاة بشكل شامل، وهو أمر مفيد بشكل خاص عند استخدام أكثر من متغيرين. أدى تحليل تأثير طول ألياف GRIN وحجم العدسة الكروية إلى استنتاجين مثيرين للاهتمام: للحصول على أفضل النتائج، يمكن الحفاظ على نطاق طول ألياف GRIN في حدود 0.25-0.4 طول درجة الصوت (ما يسمى بطول درجة الصوت)؛ على الرغم من أن كسب مسافة العمل (WD) ليس مهمًا بالنسبة إلى تحقيقات GBLP ذات الفتحة العددية العالية، إلا أن المؤلفين أظهروا أنه يتم تحقيق نفس الأداء أو أفضل من حيث مسافة العمل للبحث ذي القطر المزدوج. بالإضافة إلى ذلك، توفر مجسات GBLP الجديدة دقة أعلى مقارنة بمسابر BLP.

خاتمة الورقة هي:

لقد أظهرنا إمكانات تصميم مسبار GBLP لزيادة تطبيقات مسافة العمل، وهو أمر مهم لتحقيقات التصوير الجانبي، مع انخفاض كبير في تأثير معامل الانكسار لمحيط المسبار وحجم أصغر بكثير مقارنة بتحقيقات BLP أو GFP. هذه المزايا تجعل تحقيقات GBLP أداة تستحق النظر في العديد من تطبيقات التصوير في البحوث البيولوجية والطبية الحيوية، وخاصة بالنسبة للمشاريع التي تتطلب المناظير الدقيقة.

مصدر:

معهد الكيمياء الفيزيائية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم

مرجع:

كارنوفسكي، K.، وآخرون. (2022) أداء تصوير فائق للمناظير الدقيقة كاملة الألياف مع عنصري تركيز. مجلة IEEE الضوئيات. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.