La nouvelle conception de la sonde promet de nombreuses applications d'imagerie dans la recherche biologique et biomédicale

La nouvelle conception de la sonde promet de nombreuses applications d'imagerie dans la recherche biologique et biomédicale

Les microendoscopes sont la pierre angulaire du diagnostic médical moderne : ils nous permettent de voir ce que nous ne pouvions même pas décrire il y a vingt ans. La technologie s’améliore constamment et les scientifiques de l’ICTER contribuent au développement des sondes.

Les microendoscopes à fibre optique deviennent des outils d'imagerie de plus en plus importants, mais ils présentent des limites physiques. Ils sont essentiels pour les applications qui nécessitent une longue distance de travail, une haute résolution et un diamètre de sonde minimum. Les travaux de recherche intitulés « Performances d'imagerie supérieures des microendoscopes all-fiber, two-focusing-element » du Dr Karol Karnowski de l'ICTER, du Dr Gavrielle Untracht de l'Université technique du Danemark (DTU), du Dr Michael Hackmann de l'Université d'Australie occidentale (UWA), Onur Cetinkaya de l'ICTER et du professeur David Sampson de l'Université de Surrey jettent un nouvel éclairage sur les technologies modernes. microendoscopes. Il est à noter que la recherche a commencé alors que les auteurs travaillaient dans le même groupe de recherche à l'UWA.

Dans ce document, les chercheurs ont montré que les sondes d'imagerie endoscopique, en particulier celles destinées à la visualisation dite latérale, qui combinent des fibres optiques (GRIN) et des lentilles sphériques, offrent d'excellentes performances sur toute la gamme d'ouvertures numériques, ouvrant ainsi la voie à une gamme plus large d'applications d'imagerie. Dans l'article, les performances des sondes d'imagerie endoscopique sont comparables à celles des sondes à élément de focalisation unique couramment utilisées.

Que sont les microendoscopes ?

Les sondes à fibre optique miniatures ou les microendoscopes permettent l'imagerie des microstructures tissulaires en profondeur dans l'échantillon ou le patient. La tomographie endoscopique par cohérence optique (OCT) est particulièrement prometteuse. Il convient à l'imagerie volumétrique des tissus externes et de l'intérieur des organes (par exemple les voies respiratoires supérieures, le tractus gastro-intestinal ou les tubules pulmonaires).

Trois domaines principaux des sondes à fibre optique peuvent être distingués. Les études de grands organes creux (par exemple au-dessus des voies respiratoires supérieures) nécessitent les plus grandes plages de profondeur d'imagerie (jusqu'à 15 mm ou plus de la surface de la sonde), généralement en utilisant des faisceaux gaussiens à basse résolution (taille du point focalisé dans la plage de 30 à 100 μm). La plage de résolution moyenne (10-30 μm) est utile pour des applications plus larges telles que : B. imagerie de l'œsophage, des petites voies respiratoires, des vaisseaux sanguins, de la vessie, des ovaires ou du conduit auditif. Le principal défi est d’obtenir des faisceaux avec une résolution meilleure que 10 μm, ce qui est potentiellement utile pour les études sur modèles animaux.

Lors du développement d’une sonde, les compromis entre les paramètres de conception et leur impact sur les performances d’imagerie doivent être pris en compte. Les systèmes optiques à grande ouverture numérique (haute résolution) ont tendance à avoir une distance de travail (WD) plus courte. De plus, une meilleure résolution et une distance de travail plus longue sont plus difficiles à obtenir lorsque le diamètre de la sonde est réduit. Cela peut être particulièrement problématique pour les sondes à vision latérale : une distance de travail minimale plus grande est requise par rapport à leurs homologues à imagerie frontale. Supposons que la sonde soit enfermée dans un cathéter ou une aiguille. Dans ce cas, la distance de travail minimale requise augmente - dans de nombreux cas, c'est le facteur limitant pour la résolution ou le diamètre de sonde minimum réalisable.

Il convient de noter que les ingénieurs souhaitent généralement minimiser le diamètre de la sonde afin de réduire les perturbations de l'échantillon et le confort du patient. Une sonde plus petite signifie un cathéter plus flexible et donc une meilleure tolérance du patient au test. Une des meilleures solutions consiste donc à utiliser des sondes à fibres optiques monolithiques dont le diamètre est limité par l’épaisseur des fibres optiques. De telles sondes se caractérisent par leur facilité de fabrication grâce à la technologie de soudage par fibre optique, qui évite l'alignement et la connexion laborieux (généralement le collage) de composants micro-optiques individuels.

Différents types de microendoscopes

Les conceptions de sondes d'imagerie à fibre optique les plus populaires sont basées sur deux types d'éléments de focalisation : les sondes à fibre GRIN (GFP - sondes à fibre GRIN) et les sondes à lentille sphérique (BLP - sondes à lentille sphérique). Les sondes GRIN sont faciles à fabriquer et leur pouvoir réfractif GRIN n'est pas perdu lorsque l'indice de réfraction du milieu environnant est proche de celui de la fibre utilisée. Les fibres GRIN disponibles dans le commerce limitent les conceptions réalisables. La haute résolution est difficile à atteindre avec les fibres GRIN avec de petits diamètres de cœur.

Pour les sondes à vue latérale, la surface incurvée de la fibre (et éventuellement du cathéter) introduit des distorsions pouvant affecter la qualité de l'image. Les sondes BLP sphériques ne présentent pas ce problème, mais une sphère plus grande que le diamètre de la fibre est souvent nécessaire pour obtenir une résolution comparable à celle des sondes GFP. Les performances de focalisation d'une sonde BLP dépendent de l'indice de réfraction du milieu environnant, ce qui est un point important lorsqu'on travaille dans un milieu comportant des échantillons biologiques proches ou proches.

Une solution pour améliorer les performances des sondes consiste à utiliser plusieurs éléments de focalisation de la lumière, similaires à la conception des lentilles à longue distance de travail. Des études ont montré que la combinaison de nombreux éléments focalisant la lumière produit de meilleurs résultats pour de nombreuses applications d’imagerie. Les sondes dotées de plusieurs éléments de focalisation peuvent atteindre une meilleure résolution avec des diamètres plus petits tout en offrant de plus grandes distances de travail sans sacrifier la résolution.

Comment améliorer les sondes ?

Dans leurs derniers travaux, les chercheurs dirigés par le Dr Karnowski ont montré que les sondes dotées de deux éléments de focalisation utilisant à la fois des segments GRIN et des lentilles sphériques - appelées sondes à lentille sphérique GRIN (GBLP) - améliorent considérablement les performances des sondes à fibre optique monolithiques. Leurs premiers résultats de modélisation ont déjà été présentés lors de conférences en 2018 et 2019. Les sondes GBP ont été comparées aux sondes GFP et BLP les plus couramment utilisées et ont démontré des avantages en termes de performances, en particulier pour les applications nécessitant des distances de fonctionnement plus longues, une meilleure résolution et une petite taille.

Pour visualiser intuitivement les performances de la sonde, les chercheurs ont introduit une nouvelle méthode d'affichage complet des résultats de simulation, particulièrement utile lorsque plus de deux variables sont utilisées. L'analyse de l'effet de la longueur de la fibre GRIN et de la taille de la lentille sphérique a conduit à deux conclusions intéressantes : pour des résultats optimaux, la plage de longueur de la fibre GRIN peut être maintenue dans la plage de 0,25 à 0,4 longueur de pas (appelée longueur de pas) ; Bien que le gain de distance de travail (WD) ne soit pas aussi significatif pour les sondes GBLP à haute ouverture numérique, les auteurs ont montré que des performances identiques, voire meilleures, en termes de distance de travail sont obtenues pour une recherche à double diamètre. De plus, les nouvelles sondes GBLP offrent une résolution plus élevée que les sondes BLP.

La conclusion du document est la suivante :

Nous avons démontré le potentiel de la conception des sondes GBLP pour les applications à distance de travail accrue, ce qui est important pour les sondes d'imagerie latérales, avec une influence considérablement réduite de l'indice de réfraction de l'environnement de la sonde et une taille nettement inférieure à celle des sondes BLP ou GFP. Ces avantages font des sondes GBLP un outil intéressant à considérer pour de nombreuses applications d'imagerie en recherche biologique et biomédicale, en particulier pour les projets nécessitant des microendoscopes.

Source:

Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences

Référence:

Karnowski, K. et coll. (2022) Performances d’imagerie supérieures des microendoscopes à fibre complète avec deux éléments de focalisation. Journal photonique IEEE. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

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