Uusi anturisuunnittelu lupaa monia kuvantamissovelluksia biologisessa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa

Uusi anturisuunnittelu lupaa monia kuvantamissovelluksia biologisessa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa

Mikroendoskoopit ovat nykyaikaisen lääketieteellisen diagnostiikan kulmakivi – niiden avulla voimme nähdä asioita, joita emme voineet edes kuvailla kaksi vuosikymmentä sitten. Tekniikka kehittyy jatkuvasti, ja ICTERin tutkijat osallistuvat luotainkehitykseen.

Kuituoptisista mikroendoskoopeista on tulossa yhä tärkeämpiä kuvantamisvälineitä, mutta niillä on fyysisiä rajoituksia. Ne ovat välttämättömiä sovelluksissa, joissa vaaditaan pitkä työskentelyetäisyys, korkea resoluutio ja pienin mittapään halkaisija. Tohtori Karol Karnowski ICTERistä, tri Gavrielle Untracht Tanskan teknisestä yliopistosta (DTU), tohtori Michael Hackmann Länsi-Australian yliopistosta (UWA), Onur Cetinkaya ICTER:stä ja professori David Surmpreysonin yliopistosta Prof. On huomionarvoista, että tutkimus alkoi, kun kirjoittajat työskentelivät samassa tutkimusryhmässä UWA:ssa.

Siinä tutkijat osoittivat, että endoskooppiset kuvantamisanturit, erityisesti ns. sivukatseluun tarkoitetut, jotka yhdistävät kuituoptiset (GRIN) ja pallomaiset linssit, tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn kaikilla numeerisilla aukoilla, mikä avaa tien entistä laajemmille kuvantamissovelluksille. Artikkelissa endoskooppisten kuvantamisantureiden suorituskyky on verrattavissa yleisesti käytettyihin yhden tarkennuselementin antureita.

Mitä ovat mikroendoskoopit?

Miniatyyri kuituoptiset anturit tai mikroendoskoopit mahdollistavat kudoksen mikrorakenteiden kuvantamisen syvällä näytteessä tai potilaassa. Endoskooppinen optinen koherenssitomografia (OCT) on erityisen lupaava. Se soveltuu ulkoisten kudosten ja elinten sisäpuolen (esim. ylempien hengitysteiden, maha-suolikanavan tai keuhkotiehyiden) volumetriseen kuvantamiseen.

Valokuituanturien kolme pääaluetta voidaan erottaa. Suurten onttojen elinten tutkimukset (esim. ylempien hengitysteiden yläpuolella) vaativat suurimmat kuvantamissyvyysalueet (jopa 15 mm tai enemmän anturin pinnasta), yleensä käyttämällä matalaresoluutioisia Gaussin säteitä (pistekoko fokusoituna välillä 30-100 μm). Keskikokoinen resoluutioalue (10-30 μm) on hyödyllinen laajemmissa sovelluksissa, kuten: B. ruokatorven, pienten hengitysteiden, verisuonten, virtsarakon, munasarjojen tai korvakäytävän kuvantamiseen. Suurin haaste on saada säteitä, joiden resoluutio on parempi kuin 10 μm, mikä on mahdollisesti hyödyllistä eläinmallitutkimuksissa.

Anturia kehitettäessä on otettava huomioon suunnitteluparametrien ja niiden vaikutuksen kuvantamiskykyyn väliset kompromissit. Suuren numeerisen aukon (korkean resoluution) optisilla järjestelmillä on yleensä lyhyempi työetäisyys (WD). Lisäksi parempi resoluutio ja pidempi työskentelyetäisyys on vaikeampi saavuttaa, kun anturin halkaisijaa pienennetään. Tämä voi olla erityisen ongelmallista sivulta katsoville antureille – vaaditaan suurempi vähimmäistyöskentelyetäisyys verrattuna niiden etummaisiin kuvantamiseen. Oletetaan, että anturi on suljettu katetriin tai neulaan. Tässä tapauksessa vaadittu pienin työskentelyetäisyys kasvaa - monissa tapauksissa tämä on pienimmän saavutettavan resoluution tai anturin halkaisijan rajoittava tekijä.

On syytä huomata, että insinöörit ovat yleensä kiinnostuneita anturin halkaisijan minimoimisesta näytteen häiriön ja potilaan mukavuuden vähentämiseksi. Pienempi anturi tarkoittaa joustavampaa katetria ja siten parempaa potilaan testin sietokykyä. Siksi yksi parhaista ratkaisuista on käyttää monoliittisia kuituoptisia antureita, joiden halkaisijaa rajoittaa optisten kuitujen paksuus. Tällaisille antureille on ominaista helppo valmistaa kuituoptisen hitsaustekniikan ansiosta, jolla vältetään yksittäisten mikrooptisten komponenttien työläs kohdistaminen ja liittäminen (yleensä liimaus).

Erilaisia ​​mikroendoskooppeja

Suosituimmat kuituoptiset kuvantamisanturimallit perustuvat kahdentyyppisiin tarkennuselementteihin: GRIN-kuituanturit (GFP - GRIN-kuituanturit) ja pallolinssianturit (BLP - pallolinssianturit). GRIN-anturit on helppo valmistaa ja niiden GRIN-taitevoima ei häviä, kun ympäröivän väliaineen taitekerroin on lähellä käytetyn kuidun taitekerrointa. Kaupallisesti saatavilla olevat GRIN-kuidut rajoittavat saavutettavia malleja. Korkeaa resoluutiota on vaikea saavuttaa GRIN-kuiduilla, joiden ytimen halkaisija on pieni.

Sivukuva-antureissa kuidun (ja mahdollisesti katetrin) kaareva pinta aiheuttaa vääristymiä, jotka voivat vaikuttaa kuvan laatuun. Pallomaisissa BLP-antureissa tätä ongelmaa ei ole, mutta GFP-koettimiin verrattavan resoluution saavuttamiseksi tarvitaan usein kuidun halkaisijaa suurempi pallo. BLP-anturin fokusointikyky riippuu ympäröivän väliaineen taitekertoimesta, joka on tärkeä kohta työskennellessäsi väliaineessa, jossa on lähellä tai lähellä olevia biologisia näytteitä.

Yksi ratkaisu antureiden suorituskyvyn parantamiseen on käyttää useita valon tarkennuselementtejä, kuten pitkän työetäisyyden linssien suunnittelussa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että useiden valon tarkennuselementtien yhdistäminen tuottaa parempia tuloksia moniin kuvantamistarkoituksiin. Useilla tarkennuselementeillä varustetut anturit voivat saavuttaa paremman resoluution pienemmällä halkaisijalla ja tarjoavat suurempia työetäisyyksiä resoluutiosta tinkimättä.

Miten parannamme antureita?

Uusimmassa työssään tohtori Karnowskin johtamat tutkijat osoittivat, että anturit, joissa on kaksi tarkennuselementtiä, jotka käyttävät sekä GRIN-segmenttejä että pallomaisia ​​linssejä - niin sanotut GRIN-pallolinssianturit (GBLP) - parantavat merkittävästi monoliittisten valokuituanturien suorituskykyä. Heidän ensimmäiset mallinnustuloksensa esiteltiin jo vuosien 2018 ja 2019 konferensseissa. GBP-antureita verrattiin yleisimmin käytettyihin GFP- ja BLP-antureisiin ja ne osoittivat suorituskykyetuja erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat pidempiä toimintaetäisyyksiä, parempaa resoluutiota ja pientä kokoa.

Anturien suorituskyvyn intuitiivista visualisointia varten tutkijat esittelivät uuden menetelmän simulointitulosten kokonaisvaltaiseen näyttämiseen, mikä on erityisen hyödyllistä, kun käytetään useampaa kuin kahta muuttujaa. GRIN-kuidun pituuden ja pallomaisen linssin koon vaikutuksen analyysi johti kahteen mielenkiintoiseen johtopäätökseen: optimaalisen tuloksen saavuttamiseksi GRIN-kuidun pituuden vaihteluväli voidaan pitää välillä 0,25–0,4 pitch pitch (ns. pitch pituus); Vaikka työetäisyyden (WD) vahvistus ei ole yhtä merkittävä suuren numeerisen aukon GBLP-koettimille, kirjoittajat osoittivat, että sama tai parempi suorituskyky työetäisyyden suhteen saavutetaan kaksoishalkaisijahaulla. Lisäksi uudet GBLP-anturit tarjoavat korkeamman resoluution kuin BLP-anturit.

Lehden johtopäätös on:

Olemme osoittaneet GBLP-anturin suunnittelun mahdollisuudet työskentelyetäisyyden pidentämiseen, mikä on tärkeää lateraalisille kuvantamiskoettimille, sillä koetinympäristön taitekertoimen vaikutus on huomattavasti pienempi ja koko on huomattavasti pienempi kuin BLP- tai GFP-anturit. Nämä edut tekevät GBLP-koettimista harkitsemisen arvoisen työkalun moniin kuvantamissovelluksiin biologisessa ja biolääketieteellisessä tutkimuksessa, erityisesti projekteissa, joissa tarvitaan mikroendoskooppeja.

Lähde:

Puolan tiedeakatemian fysikaalisen kemian instituutti

Viite:

Karnowski, K., et ai. (2022) Ylivoimainen kuvantamissuorituskyky täyskuitumikroendoskoopit kahdella tarkennuselementillä. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.