El nuevo diseño de la sonda promete muchas aplicaciones de imágenes en la investigación biológica y biomédica

El nuevo diseño de la sonda promete muchas aplicaciones de imágenes en la investigación biológica y biomédica

Los microendoscopios son la piedra angular del diagnóstico médico moderno: nos permiten ver lo que hace dos décadas ni siquiera podíamos describir. La tecnología mejora constantemente y los científicos del ICTER contribuyen al desarrollo de las sondas.

Los microendoscopios de fibra óptica se están convirtiendo en herramientas de obtención de imágenes cada vez más importantes, pero tienen limitaciones físicas. Son esenciales para aplicaciones que requieren una larga distancia de trabajo, alta resolución y un diámetro mínimo de sonda. El trabajo de investigación titulado "Rendimiento superior de imágenes de microendoscopios de dos elementos de enfoque totalmente de fibra" realizado por el Dr. Karol Karnowski del ICTER, la Dra. Gavrielle Untracht de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), el Dr. Michael Hackmann de la Universidad de Australia Occidental (UWA), Onur Cetinkaya del ICTER y el Prof. David Sampson de la Universidad de Surrey arroja nueva luz sobre los microendoscopios modernos. Es de destacar que la investigación comenzó mientras los autores trabajaban en el mismo grupo de investigación en la UWA.

En él, los investigadores demostraron que las sondas de imágenes endoscópicas, en particular las de visión lateral, que combinan fibra óptica (GRIN) y lentes esféricas, ofrecen un rendimiento excelente en toda la gama de aperturas numéricas, abriendo el camino a una gama más amplia de aplicaciones de imágenes. En el artículo, el rendimiento de las sondas de imágenes endoscópicas es comparable al de las sondas de elemento de enfoque único comúnmente utilizadas.

¿Qué son los microendoscopios?

Las sondas de fibra óptica en miniatura o los microendoscopios permiten obtener imágenes de microestructuras de tejido en lo profundo de la muestra o del paciente. La tomografía endoscópica de coherencia óptica (OCT) es particularmente prometedora. Es adecuado para la obtención de imágenes volumétricas de tejidos externos y del interior de órganos (p. ej., el tracto respiratorio superior, el tracto gastrointestinal o los túbulos pulmonares).

Se pueden distinguir tres áreas principales de sondas de fibra óptica. Los estudios de órganos huecos grandes (por ejemplo, por encima del tracto respiratorio superior) requieren los rangos de profundidad de imagen más grandes (hasta 15 mm o más desde la superficie de la sonda), generalmente utilizando haces gaussianos de baja resolución (tamaño del punto enfocado en el rango de 30-100 μm). El rango de resolución media (10-30 μm) es útil para aplicaciones más amplias, como por ejemplo: obtener imágenes del esófago, las vías respiratorias pequeñas, los vasos sanguíneos, la vejiga, los ovarios o el canal auditivo. El principal desafío es obtener haces con una resolución superior a 10 μm, lo que es potencialmente útil para estudios en modelos animales.

Al desarrollar una sonda, se deben considerar las compensaciones entre los parámetros de diseño y su impacto en el rendimiento de las imágenes. Los sistemas ópticos de gran apertura numérica (alta resolución) tienden a tener una distancia de trabajo (WD) más corta. Además, es más difícil lograr una mejor resolución y una distancia de trabajo más larga cuando se reduce el diámetro de la sonda. Esto puede ser particularmente problemático para las sondas de visión lateral: se requiere una distancia mínima de trabajo mayor en comparación con sus contrapartes de imágenes frontales. Supongamos que la sonda está encerrada en un catéter o una aguja. En este caso aumenta la distancia mínima de trabajo requerida; en muchos casos este es el factor limitante para la resolución mínima alcanzable o el diámetro de la sonda.

Vale la pena señalar que los ingenieros suelen estar interesados ​​en minimizar el diámetro de la sonda para reducir la interrupción de la muestra y la comodidad del paciente. Una sonda más pequeña significa un catéter más flexible y, por lo tanto, una mejor tolerancia de la prueba por parte del paciente. Por tanto, una de las mejores soluciones es utilizar sondas de fibra óptica monolíticas cuyo diámetro esté limitado por el espesor de las fibras ópticas. Estas sondas se caracterizan por su facilidad de fabricación gracias a la tecnología de soldadura de fibra óptica, que evita la laboriosa alineación y conexión (normalmente pegado) de componentes microópticos individuales.

Diferentes tipos de microendoscopios

Los diseños de sondas de imágenes de fibra óptica más populares se basan en dos tipos de elementos de enfoque: sondas de fibra GRIN (GFP - sondas de fibra GRIN) y sondas de lentes esféricas (BLP - sondas de lentes esféricas). Las sondas GRIN son fáciles de fabricar y su poder refractivo GRIN no se pierde cuando el índice de refracción del medio circundante es cercano al de la fibra utilizada. Las fibras GRIN disponibles comercialmente limitan los diseños que se pueden lograr. Es difícil lograr una alta resolución con fibras GRIN con diámetros de núcleo pequeños.

Para las sondas de vista lateral, la superficie curva de la fibra (y posiblemente del catéter) introduce distorsiones que pueden afectar la calidad de la imagen. Las sondas BLP esféricas no tienen este problema, pero a menudo se requiere una esfera más grande que el diámetro de la fibra para lograr una resolución comparable a la de las sondas GFP. El rendimiento de enfoque de una sonda BLP depende del índice de refracción del medio circundante, que es un punto importante cuando se trabaja en un medio con muestras biológicas cercanas o cercanas.

Una solución para mejorar el rendimiento de las sondas es utilizar múltiples elementos de enfoque de luz, similar al diseño de lentes de larga distancia de trabajo. Los estudios han demostrado que la combinación de numerosos elementos de enfoque de luz produce mejores resultados para muchos fines de obtención de imágenes. Las sondas con múltiples elementos de enfoque pueden lograr una mejor resolución con diámetros más pequeños y, al mismo tiempo, ofrecen mayores distancias de trabajo sin sacrificar la resolución.

¿Cómo mejoramos las sondas?

En su último trabajo, los investigadores dirigidos por el Dr. Karnowski demostraron que las sondas con dos elementos de enfoque que utilizan tanto segmentos GRIN como lentes esféricas, las llamadas sondas de lentes esféricas GRIN (GBLP), mejoran significativamente el rendimiento de las sondas de fibra óptica monolíticas. Sus primeros resultados de modelado ya se mostraron en conferencias de 2018 y 2019. Las sondas GBP se compararon con las sondas GFP y BLP más utilizadas y demostraron ventajas de rendimiento, particularmente para aplicaciones que requieren distancias operativas más largas, mejor resolución y tamaño pequeño.

Para visualizar intuitivamente el rendimiento de la sonda, los investigadores introdujeron un método novedoso para mostrar de forma integral los resultados de la simulación, lo que resulta especialmente útil cuando se utilizan más de dos variables. El análisis del efecto de la longitud de la fibra GRIN y el tamaño de la lente esférica condujo a dos conclusiones interesantes: para obtener resultados óptimos, el rango de longitud de la fibra GRIN se puede mantener en el rango de 0,25 a 0,4 de longitud de paso (la llamada longitud de paso); Aunque la ganancia en la distancia de trabajo (WD) no es tan significativa para las sondas GBLP de alta apertura numérica, los autores demostraron que se logra el mismo o mejor rendimiento en términos de distancia de trabajo para una búsqueda de doble diámetro. Además, las nuevas sondas GBLP ofrecen una resolución más alta en comparación con las sondas BLP.

La conclusión del artículo es:

Hemos demostrado el potencial del diseño de la sonda GBLP para aplicaciones de mayor distancia de trabajo, lo cual es importante para las sondas de imágenes laterales, con una influencia muy reducida del índice de refracción del entorno de la sonda y un tamaño significativamente más pequeño en comparación con las sondas BLP o GFP. Estas ventajas hacen de las sondas GBLP una herramienta que vale la pena considerar para muchas aplicaciones de imágenes en la investigación biológica y biomédica, particularmente para proyectos que requieren microendoscopios.

Fuente:

Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias

Referencia:

Karnowski, K., et al. (2022) Rendimiento de imágenes superior de microendoscopios de fibra completa con dos elementos de enfoque. Revista de fotónica IEEE. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

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