Nový design sondy slibuje mnoho zobrazovacích aplikací v biologickém a biomedicínském výzkumu

Nový design sondy slibuje mnoho zobrazovacích aplikací v biologickém a biomedicínském výzkumu

Mikroendoskopy jsou základním kamenem moderní lékařské diagnostiky – umožňují nám vidět to, co jsme před dvěma desetiletími ani nedokázali popsat. Technologie se neustále zlepšuje a na vývoji sond přispívají vědci ICTER.

Mikroendoskopy z optických vláken se stávají stále důležitějšími zobrazovacími nástroji, ale mají fyzikální omezení. Jsou nezbytné pro aplikace, které vyžadují velkou pracovní vzdálenost, vysoké rozlišení a minimální průměr sondy. Výzkumná práce s názvem „Super imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoskops“ od Dr. Karola Karnowského z ICTER, Dr. Gavrielle Untracht z Technické univerzity Dánska (DTU), Dr. Michaela Hackmanna z University of Western Australia (UWA), Onura Cetinkayi z ICTER a Prof. mikroendoskopy. Je pozoruhodné, že výzkum začal, když autoři pracovali ve stejné výzkumné skupině na UWA.

V něm vědci ukázali, že endoskopické zobrazovací sondy, zejména ty pro takzvané boční pozorování, které kombinují optické vlákno (GRIN) a sférické čočky, nabízejí vynikající výkon v celém rozsahu numerických apertur, čímž otevírají cestu k širší škále zobrazovacích aplikací. V článku je výkon endoskopických zobrazovacích sond srovnatelný s běžně používanými sondami s jedním zaostřovacím prvkem.

Co jsou mikroendoskopy?

Miniaturní optické sondy nebo mikroendoskopy umožňují zobrazení tkáňových mikrostruktur hluboko uvnitř vzorku nebo pacienta. Nadějná je zejména endoskopická optická koherentní tomografie (OCT). Je vhodný pro volumetrické zobrazení vnějších tkání a vnitřku orgánů (např. horních cest dýchacích, gastrointestinálního traktu nebo plicních tubulů).

U optických sond lze rozlišit tři hlavní oblasti. Studie velkých dutých orgánů (např. nad horními dýchacími cestami) vyžadují největší rozsahy hloubek zobrazení (až 15 mm nebo více od povrchu sondy), obvykle pomocí Gaussových paprsků s nízkým rozlišením (velikost bodu v ohnisku v rozsahu 30-100 μm). Střední rozsah rozlišení (10-30 μm) je užitečný pro širší aplikace, jako je: B. zobrazení jícnu, malých dýchacích cest, krevních cév, močového měchýře, vaječníků nebo zvukovodu. Hlavním úkolem je získat paprsky s rozlišením lepším než 10 μm, což je potenciálně užitečné pro studie na zvířecích modelech.

Při vývoji sondy je třeba zvážit kompromisy mezi konstrukčními parametry a jejich dopadem na zobrazovací výkon. Optické systémy s velkou numerickou aperturou (s vysokým rozlišením) mívají kratší pracovní vzdálenost (WD). Navíc je při zmenšení průměru sondy obtížnější dosáhnout lepšího rozlišení a delší pracovní vzdálenosti. To může být problematické zejména u sond s bočním pohledem – je vyžadována větší minimální pracovní vzdálenost ve srovnání s jejich protějšky pro snímání dopředu. Předpokládejme, že je sonda uzavřena v katétru nebo jehle. V tomto případě se zvyšuje požadovaná minimální pracovní vzdálenost - v mnoha případech je to limitující faktor pro minimální dosažitelné rozlišení nebo průměr sondy.

Stojí za zmínku, že inženýři se obvykle zajímají o minimalizaci průměru sondy, aby se snížilo narušení vzorku a pohodlí pacienta. Menší sonda znamená flexibilnější katétr, a tedy lepší toleranci testu pacientem. Proto je jedním z nejlepších řešení použití monolitických optických sond, jejichž průměr je omezen tloušťkou optických vláken. Takové sondy se vyznačují jednoduchostí výroby díky technologii svařování optickými vlákny, která odpadá pracnému vyrovnávání a spojování (obvykle lepením) jednotlivých mikrooptických komponent.

Různé typy mikroendoskopů

Nejoblíbenější konstrukce optických zobrazovacích sond jsou založeny na dvou typech zaostřovacích prvků: vláknové sondy GRIN (GFP - GRIN fiber probes) a kuličkové čočky (BLP - ball lens probes). Sondy GRIN se snadno vyrábějí a jejich lomivost GRIN se neztrácí, když je index lomu okolního média blízký indexu lomu použitého vlákna. Komerčně dostupná vlákna GRIN omezují návrhy, kterých lze dosáhnout. U vláken GRIN s malým průměrem jádra je obtížné dosáhnout vysokého rozlišení.

U sond pro boční pohled způsobuje zakřivený povrch vlákna (a možná i katétru) deformace, které mohou ovlivnit kvalitu obrazu. Sférické BLP sondy tento problém nemají, ale pro dosažení rozlišení srovnatelného s GFP sondami je často potřeba koule větší než průměr vlákna. Zaostřovací výkon BLP sondy závisí na indexu lomu okolního média, což je důležitý bod při práci v médiu s blízkými nebo blízkými biologickými vzorky.

Jedním z řešení, jak zlepšit výkon sond, je použití více světelných zaostřovacích prvků, podobně jako konstrukce objektivů s dlouhou pracovní vzdáleností. Studie ukázaly, že kombinace mnoha prvků zaostřujících světlo poskytuje lepší výsledky pro mnoho zobrazovacích účelů. Sondy s více zaostřovacími prvky mohou dosáhnout lepšího rozlišení s menšími průměry a zároveň nabízejí větší pracovní vzdálenosti bez obětování rozlišení.

Jak vylepšíme sondy?

Ve své nejnovější práci vědci pod vedením doktora Karnowského prokázali, že sondy se dvěma zaostřovacími prvky, které využívají jak segmenty GRIN, tak sférické čočky – tzv. GRIN ball lens probes (GBLP) – výrazně zlepšují výkon monolitických sond z optických vláken. Jejich první výsledky modelování již byly ukázány na konferencích v roce 2018 a 2019. Sondy GBP byly porovnány s nejběžněji používanými sondami GFP a BLP a prokázaly výkonnostní výhody, zejména pro aplikace vyžadující delší provozní vzdálenosti, lepší rozlišení a malé rozměry.

Pro intuitivní vizualizaci výkonu sondy představili vědci novou metodu pro komplexní zobrazení výsledků simulace, která je užitečná zejména při použití více než dvou proměnných. Analýza vlivu délky vlákna GRIN a velikosti sférické čočky vedla ke dvěma zajímavým závěrům: pro optimální výsledky lze rozsah délky vlákna GRIN udržet v rozmezí 0,25–0,4 délky rozteče (tzv. pitch length); Ačkoli zisk pracovní vzdálenosti (WD) není tak významný pro sondy GBLP s vysokou numerickou aperturou, autoři ukázali, že stejný nebo lepší výkon, pokud jde o pracovní vzdálenost, je dosažen pro vyhledávání s dvojitým průměrem. Kromě toho nové GBLP sondy nabízejí vyšší rozlišení ve srovnání se sondami BLP.

Závěr příspěvku je:

Prokázali jsme potenciál návrhu GBLP sondy pro aplikace se zvýšenou pracovní vzdáleností, což je důležité pro laterální zobrazovací sondy, s výrazně sníženým vlivem indexu lomu okolí sondy a výrazně menší velikostí ve srovnání se sondami BLP nebo GFP. Tyto výhody dělají ze sond GBLP nástroj, který stojí za zvážení pro mnoho zobrazovacích aplikací v biologickém a biomedicínském výzkumu, zejména pro projekty vyžadující mikroendoskopy.

Zdroj:

Ústav fyzikální chemie Polské akademie věd

Odkaz:

Karnowski, K., a kol. (2022) Vynikající zobrazovací výkon celovláknových mikroendoskopů se dvěma zaostřovacími prvky. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.