Uus sondi disain lubab bioloogilistes ja biomeditsiinilistes uuringutes palju pildistamisrakendusi

Uus sondi disain lubab bioloogilistes ja biomeditsiinilistes uuringutes palju pildistamisrakendusi

Mikroendoskoobid on kaasaegse meditsiinidiagnostika nurgakivi – need võimaldavad näha seda, mida me kaks aastakümmet tagasi isegi kirjeldada ei osanud. Tehnoloogia paraneb pidevalt ning ICTERi teadlased annavad oma panuse sondide väljatöötamisse.

Kiudoptilised mikroendoskoobid on muutumas üha olulisemaks pilditöötlusvahendiks, kuid neil on füüsilised piirangud. Need on olulised rakenduste jaoks, mis nõuavad pikka töökaugust, kõrget eraldusvõimet ja minimaalset sondi läbimõõtu. Dr. Karol Karnowski ICTERist, dr Gavrielle Untracht Taani Tehnikaülikoolist (DTU), dr Michael Hackmann Lääne-Austraalia Ülikoolist (UWA), Onur Cetinkaya ICTERist ja Prof. David Sampreytinkasoni ülikoolist Prof. Tähelepanuväärne on, et uurimine algas ajal, mil autorid töötasid samas UWA uurimisrühmas.

Selles näitasid teadlased, et endoskoopilised pildisondid, eriti nn külgvaate jaoks mõeldud sondid, mis ühendavad fiiberoptilisi (GRIN) ja sfäärilisi läätsi, pakuvad suurepärast jõudlust kogu arvuliste avade vahemikus, avades tee laiemale hulgale pilditöötlusrakendustele. Artiklis on endoskoopiliste kujutise sondide jõudlus võrreldav tavaliselt kasutatavate ühe fokusseeriva elemendi sondidega.

Mis on mikroendoskoobid?

Miniatuursed fiiberoptilised sondid või mikroendoskoobid võimaldavad pildistada koe mikrostruktuure sügaval proovis või patsiendis. Endoskoopiline optiline koherentsustomograafia (OCT) on eriti paljutõotav. See sobib väliskudede ja elundite sisemuse (nt ülemised hingamisteed, seedetrakt või kopsutuubulid) mahuliseks pildistamiseks.

Eristada saab kolme peamist fiiberoptiliste sondide valdkonda. Suurte õõnsate elundite (nt ülemiste hingamisteede kohal) uurimiseks on vaja suurimaid kujutise sügavuse vahemikke (kuni 15 mm või rohkem sondi pinnast), kasutades tavaliselt madala eraldusvõimega Gaussi kiirte (täpi suurus fookuses vahemikus 30–100 μm). Keskmise eraldusvõime vahemik (10–30 μm) on kasulik laiemate rakenduste jaoks, nagu: B. söögitoru, väikeste hingamisteede, veresoonte, põie, munasarjade või kuulmekäigu pildistamiseks. Peamine väljakutse on saada kiirte eraldusvõimega üle 10 μm, mis on potentsiaalselt kasulik loommudelite uuringutes.

Sondi väljatöötamisel tuleb arvesse võtta konstruktsiooniparameetrite ja nende mõju kujutise jõudlusele vahelisi kompromisse. Suure numbrilise avaga (kõrge eraldusvõimega) optilistel süsteemidel on tavaliselt lühem töökaugus (WD). Lisaks on sondi läbimõõdu vähendamisel raskem saavutada paremat eraldusvõimet ja pikemat töökaugust. See võib osutuda eriti problemaatiliseks külgvaate sondide puhul – on nõutav suurem minimaalne töökaugus võrreldes nende esikujuliste analoogidega. Oletame, et sond on suletud kateetri või nõelaga. Sellisel juhul suureneb nõutav minimaalne töökaugus – paljudel juhtudel on see minimaalset saavutatavat eraldusvõimet või sondi läbimõõtu piirav tegur.

Väärib märkimist, et insenerid on tavaliselt huvitatud sondi läbimõõdu minimeerimisest, et vähendada proovide katkemist ja patsiendi mugavust. Väiksem sond tähendab paindlikumat kateetrit ja seega patsiendi paremat testi taluvust. Seetõttu on üks parimaid lahendusi kasutada monoliitseid fiiberoptilisi sonde, mille läbimõõt on piiratud optiliste kiudude paksusega. Selliseid sonde iseloomustab valmistamise lihtsus tänu fiiberoptilisele keevitustehnoloogiale, mis väldib üksikute mikrooptiliste komponentide töömahukat joondamist ja ühendamist (tavaliselt liimimist).

Erinevat tüüpi mikroendoskoobid

Kõige populaarsemad fiiberoptiliste kujutise sondide konstruktsioonid põhinevad kahte tüüpi teravustamiselementidel: GRIN fiibersondid (GFP – GRIN fiibersondid) ja kuulläätse sondid (BLP – kuulläätse sondid). GRIN-sonde on lihtne valmistada ja nende GRIN-i murdumisvõime ei lähe kaduma, kui ümbritseva keskkonna murdumisnäitaja on lähedane kasutatava kiu murdumisnäitajale. Kaubanduslikult saadavad GRIN-kiud piiravad saavutatavaid disainilahendusi. Väikese südamiku läbimõõduga GRIN-kiududega on kõrget eraldusvõimet raske saavutada.

Külgvaate sondide puhul tekitab kiu (ja võib-olla ka kateetri) kumer pind moonutusi, mis võivad mõjutada pildikvaliteeti. Sfäärilistel BLP-sondidel seda probleemi ei ole, kuid GFP-sondidega võrreldava eraldusvõime saavutamiseks on sageli vaja kiu läbimõõdust suuremat kera. BLP-sondi teravustamisvõime sõltub ümbritseva keskkonna murdumisnäitajast, mis on oluline punkt töötamisel keskkonnas, kus on lähedal või lähedal olevad bioloogilised proovid.

Üks lahendus sondide jõudluse parandamiseks on mitme valguse teravustamise elemendi kasutamine sarnaselt pika töökaugusega läätsede disainiga. Uuringud on näidanud, et paljude valgusfookuse elementide kombineerimine annab paljudel pildistamise eesmärkidel paremaid tulemusi. Mitme teravustamiselemendiga sondid võivad saavutada parema eraldusvõime väiksema läbimõõduga, pakkudes samal ajal suuremat töökaugust ilma eraldusvõimet ohverdamata.

Kuidas me sonde täiustame?

Teadlased eesotsas dr Karnowskiga näitasid oma viimases töös, et kahe teravustamiselemendiga sondid, mis kasutavad nii GRIN segmente kui ka sfäärilisi läätsi – nn GRIN ball lens probes (GBLP) – parandavad oluliselt monoliitsete fiiberoptiliste sondide jõudlust. Nende esimesi modelleerimistulemusi näidati juba 2018. ja 2019. aasta konverentsidel. GBP sonde võrreldi kõige sagedamini kasutatavate GFP ja BLP sondidega ning need näitasid jõudluse eeliseid, eriti rakenduste puhul, mis nõuavad pikemat töökaugust, paremat eraldusvõimet ja väikest suurust.

Sondi jõudluse intuitiivseks visualiseerimiseks tutvustasid teadlased uudset meetodit simulatsioonitulemuste igakülgseks kuvamiseks, mis on eriti kasulik, kui kasutatakse rohkem kui kahte muutujat. GRIN-i kiu pikkuse ja sfäärilise läätse suuruse mõju analüüs tõi kaasa kaks huvitavat järeldust: optimaalsete tulemuste saavutamiseks võib GRIN-i kiudude pikkuse vahemikku hoida vahemikus 0,25–0,4 sammu pikkust (nn pigi pikkus); Kuigi töökauguse (WD) võimendus ei ole suure numbrilise avaga GBLP sondide puhul nii oluline, näitasid autorid, et kahe läbimõõduga otsingu korral saavutatakse töökauguse osas sama või parem jõudlus. Lisaks pakuvad uudsed GBLP-sondid BLP-sondidega võrreldes kõrgemat eraldusvõimet.

Töö järeldus on:

Oleme demonstreerinud GBLP sondi konstruktsiooni potentsiaali suurema töökauguse rakenduste jaoks, mis on oluline külgmiste kujutise sondide jaoks, kusjuures sondi ümbruse murdumisnäitaja on oluliselt väiksem ja suurus on oluliselt väiksem kui BLP või GFP sondid. Need eelised muudavad GBLP sondid vahendiks, mida tasub kaaluda paljudes bioloogilistes ja biomeditsiinilistes uuringutes kasutatavate pildistamisrakenduste jaoks, eriti projektide puhul, mis nõuavad mikroendoskoope.

Allikas:

Poola Teaduste Akadeemia füüsikalise keemia instituut

Viide:

Karnowski, K. et al. (2022) Kahe teravustamiselemendiga täiskiu mikroendoskoopide suurepärane kujutise jõudlus. IEEE fotoonika ajakiri. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.