Новият дизайн на сондата обещава много приложения за изображения в биологични и биомедицински изследвания

Новият дизайн на сондата обещава много приложения за изображения в биологични и биомедицински изследвания

Микроендоскопите са крайъгълният камък на съвременната медицинска диагностика - те ни позволяват да видим това, което дори не можехме да опишем преди две десетилетия. Технологията непрекъснато се подобрява, като учени от ICTER допринасят за разработването на сондите.

Микроендоскопите с оптични влакна стават все по-важни инструменти за изображения, но имат физически ограничения. Те са от съществено значение за приложения, които изискват голямо работно разстояние, висока разделителна способност и минимален диаметър на сондата. Изследователската работа, озаглавена „Превъзходна производителност на изображения на микроендоскопи с изцяло влакна и два фокусиращи елемента“ от д-р Карол Карновски от ICTER, д-р Гавриел Унтрахт от Техническия университет на Дания (DTU), д-р Майкъл Хакман от Университета на Западна Австралия (UWA), Онур Четинкая от ICTER и проф. Дейвид Сампсън от Университета на Съри хвърли нова светлина на модерен микроендоскопи. Трябва да се отбележи, че изследването започва, докато авторите работят в същата изследователска група в UWA.

В него изследователите показаха, че ендоскопските сонди за изображения, особено тези за така нареченото странично гледане, които комбинират оптични влакна (GRIN) и сферични лещи, предлагат отлична производителност в целия диапазон от цифрови апертури, отваряйки пътя към по-широка гама приложения за изображения. В статията производителността на ендоскопските сонди за изображения е сравнима с често използваните сонди с един фокусиращ елемент.

Какво представляват микроендоскопите?

Миниатюрни фиброоптични сонди или микроендоскопи позволяват изобразяване на тъканни микроструктури дълбоко в пробата или пациента. Ендоскопската оптична кохерентна томография (OCT) е особено обещаваща. Подходящ е за обемно изобразяване на външни тъкани и вътрешността на органи (напр. горни дихателни пътища, стомашно-чревен тракт или белодробни тубули).

Могат да бъдат разграничени три основни области на фиброоптични сонди. Изследванията на големи кухи органи (напр. над горните дихателни пътища) изискват най-големите диапазони на дълбочина на изображението (до 15 mm или повече от повърхността на сондата), обикновено с използване на гаусови лъчи с ниска разделителна способност (размер на петното във фокуса в диапазона от 30-100 μm). Диапазонът на средна разделителна способност (10-30 μm) е полезен за по-широки приложения като: Б. изобразяване на хранопровода, малките дихателни пътища, кръвоносните съдове, пикочния мехур, яйчниците или ушния канал. Основното предизвикателство е да се получат лъчи с разделителна способност, по-добра от 10 μm, което е потенциално полезно за изследвания върху животински модели.

При разработването на сонда трябва да се вземат предвид компромисите между проектните параметри и тяхното въздействие върху производителността на изображенията. Оптичните системи с голяма цифрова апертура (висока разделителна способност) обикновено имат по-късо работно разстояние (WD). Освен това, по-добра разделителна способност и по-дълго работно разстояние са по-трудни за постигане, когато диаметърът на сондата е намален. Това може да бъде особено проблематично за сонди за странично гледане – изисква се по-голямо минимално работно разстояние в сравнение с техните аналози за предни изображения. Да предположим, че сондата е затворена в катетър или игла. В този случай изискваното минимално работно разстояние се увеличава - в много случаи това е ограничаващият фактор за минималната достижима резолюция или диаметър на сондата.

Струва си да се отбележи, че инженерите обикновено се интересуват от минимизиране на диаметъра на сондата, за да намалят смущенията на пробата и комфорта на пациента. По-малка сонда означава по-гъвкав катетър и следователно по-добра поносимост от пациента към теста. Ето защо едно от най-добрите решения е да се използват монолитни фиброоптични сонди, чийто диаметър е ограничен от дебелината на оптичните влакна. Такива сонди се характеризират с лекота на производство благодарение на технологията за заваряване на оптични влакна, която избягва трудоемкото подравняване и свързване (обикновено залепване) на отделни микрооптични компоненти.

Различни видове микроендоскопи

Най-популярните конструкции на сонди за изображения с оптични влакна се основават на два типа фокусиращи елементи: сонди с влакна GRIN (GFP - сонди с влакна GRIN) и сонди с топка леща (BLP - сонди с топка леща). GRIN сондите са лесни за производство и тяхната пречупваща сила на GRIN не се губи, когато индексът на пречупване на околната среда е близък до този на използваното влакно. Наличните в търговската мрежа влакна GRIN ограничават дизайните, които могат да бъдат постигнати. Високата разделителна способност е трудна за постигане с GRIN влакна с малък диаметър на сърцевината.

При сондите за страничен изглед извитата повърхност на влакното (и вероятно катетъра) въвежда изкривявания, които могат да повлияят на качеството на изображението. Сферичните BLP сонди нямат този проблем, но често се изисква сфера, по-голяма от диаметъра на влакното, за да се постигне разделителна способност, сравнима с GFP сондите. Ефективността на фокусиране на BLP сонда зависи от индекса на пречупване на околната среда, което е важен момент при работа в среда с близки или близки биологични проби.

Едно решение за подобряване на производителността на сондите е използването на множество елементи за фокусиране на светлината, подобно на дизайна на лещи за дълги работни разстояния. Проучванията показват, че комбинирането на множество елементи за фокусиране на светлината води до по-добри резултати за много цели на изображенията. Сондите с множество фокусиращи елементи могат да постигнат по-добра разделителна способност с по-малки диаметри, като същевременно предлагат по-големи работни разстояния, без да се жертва резолюцията.

Как да подобрим сондите?

В последната си работа изследователите, ръководени от д-р Карновски, показаха, че сонди с два фокусиращи елемента, които използват както GRIN сегменти, така и сферични лещи - така наречените GRIN ball lens sondi (GBLP) - значително подобряват работата на монолитните фиброоптични сонди. Техните първи резултати от моделирането вече бяха показани на конференции през 2018 г. и 2019 г. GBP сонди бяха сравнени с най-често използваните GFP и BLP сонди и демонстрираха предимства в производителността, особено за приложения, изискващи по-големи работни разстояния, по-добра резолюция и малък размер.

За интуитивно визуализиране на работата на сондата, изследователите въведоха нов метод за изчерпателно показване на резултатите от симулацията, което е особено полезно, когато се използват повече от две променливи. Анализът на ефекта от дължината на влакното GRIN и размера на сферичната леща доведе до две интересни заключения: за оптимални резултати обхватът на дължината на влакното GRIN може да се поддържа в диапазона от 0,25–0,4 дължина на стъпката (така наречената дължина на стъпката); Въпреки че печалбата от работно разстояние (WD) не е толкова значима за GBLP сонди с висока цифрова апертура, авторите показаха, че същото или по-добро представяне по отношение на работното разстояние се постига при търсене с двоен диаметър. В допълнение, новите GBLP сонди предлагат по-висока разделителна способност в сравнение с BLP сонди.

Заключението на документа е:

Ние демонстрирахме потенциала на дизайна на сондата GBLP за приложения с увеличено работно разстояние, което е важно за сонди за странични изображения, със силно намалено влияние на индекса на пречупване на околната среда на сондата и значително по-малък размер в сравнение със сондите BLP или GFP. Тези предимства правят GBLP сондите инструмент, който си струва да се обмисли за много приложения за изображения в биологични и биомедицински изследвания, особено за проекти, изискващи микроендоскопи.

източник:

Институт по физикохимия на Полската академия на науките

Справка:

Karnowski, K., et al. (2022) Превъзходна производителност на изображения на микроендоскопи с пълни влакна с два фокусиращи елемента. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.