Det nye probedesign lover mange billeddannende anvendelser inden for biologisk og biomedicinsk forskning

Det nye probedesign lover mange billeddannende anvendelser inden for biologisk og biomedicinsk forskning

Mikroendoskoper er hjørnestenen i moderne medicinsk diagnostik - de giver os mulighed for at se, hvad vi ikke engang kunne beskrive for to årtier siden. Teknologien forbedres konstant, og ICTER-forskere bidrager til udviklingen af ​​sonderne.

Fiberoptiske mikroendoskoper bliver stadig vigtigere billedværktøjer, men de har fysiske begrænsninger. De er essentielle til applikationer, der kræver en lang arbejdsafstand, høj opløsning og en minimal sondediameter. Forskningsarbejdet med titlen "Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes" af Dr. Karol Karnowski fra ICTER, Dr. Gavrielle Untracht fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Dr. Michael Hackmann fra University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya fra ICTER og Prof. David Sampsons nye lys fra University of Surrey. mikroendoskoper. Det er bemærkelsesværdigt, at forskningen begyndte, mens forfatterne arbejdede i samme forskningsgruppe på UWA.

I den viste forskerne, at endoskopiske billeddiagnostiske prober, især dem til såkaldt sidevisning, som kombinerer fiberoptiske (GRIN) og sfæriske linser, tilbyder fremragende ydeevne på tværs af hele rækken af ​​numeriske blænder, hvilket åbner vejen for en bredere vifte af billedbehandlingsapplikationer. I papiret er ydeevnen af ​​endoskopiske billeddannende prober sammenlignelig med almindeligt anvendte enkeltfokuserende elementsonder.

Hvad er mikroendoskoper?

Miniature fiberoptiske prober eller mikroendoskoper muliggør billeddannelse af vævsmikrostrukturer dybt inde i prøven eller patienten. Endoskopisk optisk kohærenstomografi (OCT) er særligt lovende. Den er velegnet til volumetrisk billeddannelse af ydre væv og det indre af organer (f.eks. de øvre luftveje, mave-tarmkanalen eller lungetubuli).

Tre hovedområder af fiberoptiske sonder kan skelnes. Undersøgelser af store hule organer (f.eks. over de øvre luftveje) kræver de største billeddiagnostiske dybdeområder (op til 15 mm eller mere fra sondens overflade), sædvanligvis ved brug af gaussiske stråler med lav opløsning (punktstørrelse i fokus i området 30-100 μm). Det mellemstore opløsningsområde (10-30 μm) er nyttigt til bredere anvendelser såsom: B. billeddannelse af spiserøret, små luftveje, blodkar, blære, æggestokke eller øregangen. Den største udfordring er at opnå stråler med en opløsning bedre end 10 μm, hvilket er potentielt nyttigt til dyremodelundersøgelser.

Når man udvikler en sonde, skal afvejningen mellem designparametre og deres indvirkning på billeddannelsens ydeevne tages i betragtning. Optiske systemer med stor numerisk blænde (høj opløsning) har en tendens til at have en kortere arbejdsafstand (WD). Derudover er bedre opløsning og længere arbejdsafstand sværere at opnå, når sondens diameter er reduceret. Dette kan være særligt problematisk for sidesynsprober - der kræves en større minimumsarbejdsafstand sammenlignet med deres modstykker til fremadgående billeddannelse. Antag, at sonden er indesluttet i et kateter eller en nål. I dette tilfælde øges den nødvendige minimumsarbejdsafstand - i mange tilfælde er dette den begrænsende faktor for den mindst opnåelige opløsning eller sondediameter.

Det er værd at bemærke, at ingeniører normalt er interesserede i at minimere sondediameteren for at reducere prøveforstyrrelser og patientkomfort. En mindre sonde betyder et mere fleksibelt kateter og derfor bedre patienttolerance af testen. Derfor er en af ​​de bedste løsninger at bruge monolitiske fiberoptiske prober, hvis diameter er begrænset af tykkelsen af ​​de optiske fibre. Sådanne sonder er kendetegnet ved let fremstilling takket være fiberoptisk svejseteknologi, som undgår den besværlige justering og forbindelse (normalt limning) af individuelle mikro-optiske komponenter.

Forskellige typer mikroendoskoper

De mest populære design af fiberoptiske billeddannelsessonder er baseret på to typer fokuseringselementer: GRIN fiberprober (GFP - GRIN fiberprober) og kuglelinseprober (BLP - kuglelinsesonder). GRIN-prober er nemme at fremstille, og deres GRIN brydningsevne går ikke tabt, når brydningsindekset for det omgivende medium er tæt på det for den anvendte fiber. Kommercielt tilgængelige GRIN-fibre begrænser de designs, der kan opnås. Høj opløsning er svær at opnå med GRIN-fibre med små kernediametre.

For sidesynsprober introducerer den buede overflade af fiberen (og muligvis kateteret) forvrængninger, der kan påvirke billedkvaliteten. Sfæriske BLP-prober har ikke dette problem, men en kugle større end fiberdiameteren er ofte påkrævet for at opnå opløsning, der kan sammenlignes med GFP-prober. Fokuseringsydelsen af ​​en BLP-sonde afhænger af brydningsindekset for det omgivende medium, hvilket er et vigtigt punkt, når man arbejder i et medium med tætte eller nærliggende biologiske prøver.

En løsning til at forbedre ydeevnen af ​​sonder er at bruge flere lysfokuseringselementer, svarende til designet af langtidsvirkende linser. Undersøgelser har vist, at en kombination af talrige lysfokuserende elementer giver bedre resultater til mange billedbehandlingsformål. Prober med flere fokuseringselementer kan opnå bedre opløsning med mindre diametre og samtidig tilbyde større arbejdsafstande uden at ofre opløsning.

Hvordan forbedrer vi sonderne?

I deres seneste arbejde viste forskere ledet af Dr. Karnowski, at prober med to fokuselementer, der bruger både GRIN-segmenter og sfæriske linser - såkaldte GRIN-kuglelinseprober (GBLP) - forbedrer ydeevnen af ​​monolitiske fiberoptiske prober markant. Deres første modelleringsresultater blev allerede vist på konferencer i 2018 og 2019. GBP-sonder blev sammenlignet med de mest almindeligt anvendte GFP- og BLP-sonder og demonstrerede ydeevnefordele, især til applikationer, der kræver længere driftsafstande, bedre opløsning og lille størrelse.

For intuitivt at visualisere sondens ydeevne introducerede forskere en ny metode til omfattende visning af simuleringsresultater, hvilket er særligt nyttigt, når der bruges mere end to variabler. Analysen af ​​effekten af ​​GRIN-fiberlængde og sfærisk linsestørrelse førte til to interessante konklusioner: For optimale resultater kan området for GRIN-fiberlængde holdes i området 0,25-0,4 pitchlængde (såkaldt pitch-længde); Selvom forstærkningen af ​​arbejdsafstand (WD) ikke er så signifikant for GBLP-prober med høj numerisk apertur, viste forfatterne, at den samme eller bedre ydeevne med hensyn til arbejdsafstand opnås ved en søgning med dobbelt diameter. Derudover tilbyder de nye GBLP-prober højere opløsning sammenlignet med BLP-prober.

Konklusionen på papiret er:

Vi har demonstreret potentialet i GBLP-sondedesign til anvendelser med øget arbejdsafstand, hvilket er vigtigt for laterale billeddannelsesprober, med en stærkt reduceret indflydelse af probeomgivelsernes brydningsindeks og en væsentlig mindre størrelse sammenlignet med BLP- eller GFP-prober. Disse fordele gør GBLP-prober til et værktøj, der er værd at overveje til mange billeddannelsesapplikationer inden for biologisk og biomedicinsk forskning, især til projekter, der kræver mikroendoskoper.

Kilde:

Institut for Fysisk Kemi ved det polske Videnskabsakademi

Reference:

Karnowski, K., et al. (2022) Overlegen billeddannelsesydelse af fuldfibermikroendoskoper med to fokuseringselementer. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.