Novi dizajn sonde obećava mnoge primjene slika u biološkim i biomedicinskim istraživanjima

Novi dizajn sonde obećava mnoge primjene slika u biološkim i biomedicinskim istraživanjima

Mikroendoskopi su kamen temeljac moderne medicinske dijagnostike - omogućuju nam da vidimo ono što prije dva desetljeća nismo mogli ni opisati. Tehnologija se stalno poboljšava, a ICTER-ovi znanstvenici pridonose razvoju sondi.

Mikroendoskopi s optičkim vlaknima postaju sve važniji alati za snimanje, ali imaju fizička ograničenja. Bitni su za primjene koje zahtijevaju veliku radnu udaljenost, visoku rezoluciju i minimalni promjer sonde. Istraživački rad pod naslovom “Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes” dr. Karol Karnowski s ICTER-a, dr. Gavrielle Untracht s Tehničkog sveučilišta u Danskoj (DTU), dr. Michael Hackmann sa Sveučilišta Zapadne Australije (UWA), Onur Cetinkaya s ICTER-a i prof. David Sampson sa Sveučilišta Surrey bacio je novo svjetlo na modernim mikroendoskopima. Važno je napomenuti da je istraživanje započelo dok su autori radili u istoj istraživačkoj skupini na Sveučilištu u Way.

U njemu su istraživači pokazali da endoskopske slikovne sonde, posebno one za takozvano bočno gledanje, koje kombiniraju optičke (GRIN) i sferne leće, nude izvrsne performanse u cijelom rasponu numeričkih otvora, otvarajući put širem rasponu slikovnih primjena. U radu je izvedba endoskopskih sondi za snimanje usporediva s uobičajeno korištenim sondama s jednim fokusnim elementom.

Što su mikroendoskopi?

Minijaturne optičke sonde ili mikroendoskopi omogućuju snimanje mikrostruktura tkiva duboko unutar uzorka ili pacijenta. Posebno obećava endoskopska optička koherentna tomografija (OCT). Pogodan je za volumetrijsko snimanje vanjskih tkiva i unutrašnjosti organa (npr. gornjeg dišnog trakta, gastrointestinalnog trakta ili plućnih tubula).

Mogu se razlikovati tri glavna područja optičkih sondi. Studije velikih šupljih organa (npr. iznad gornjeg dišnog trakta) zahtijevaju najveće raspone dubine snimanja (do 15 mm ili više od površine sonde), obično koristeći Gaussove zrake niske rezolucije (veličina točke u fokusu u rasponu od 30-100 μm). Raspon srednje rezolucije (10-30 μm) koristan je za šire primjene kao što su: B. snimanje jednjaka, malih dišnih putova, krvnih žila, mjehura, jajnika ili ušnog kanala. Glavni izazov je dobiti zrake s razlučivošću boljom od 10 μm, što je potencijalno korisno za studije na životinjskim modelima.

Prilikom razvoja sonde, moraju se uzeti u obzir kompromisi između parametara dizajna i njihovog utjecaja na performanse snimanja. Optički sustavi s velikim numeričkim otvorom (visoke razlučivosti) obično imaju kraću radnu udaljenost (WD). Dodatno, bolju rezoluciju i veću radnu udaljenost teže je postići kada se promjer sonde smanji. To može biti posebno problematično za sonde za bočno gledanje – potrebna je veća minimalna radna udaljenost u usporedbi s njihovim analognim uređajima za snimanje slika naprijed. Pretpostavimo da je sonda zatvorena u kateter ili iglu. U tom slučaju povećava se zahtijevana minimalna radna udaljenost - u mnogim slučajevima to je ograničavajući čimbenik za minimalnu razlučivost ili promjer sonde.

Vrijedno je napomenuti da su inženjeri obično zainteresirani za minimiziranje promjera sonde kako bi se smanjilo ometanje uzorka i udobnost pacijenta. Manja sonda znači fleksibilniji kateter i stoga bolju toleranciju pacijenta na test. Stoga je jedno od najboljih rješenja korištenje monolitnih optičkih sondi čiji je promjer ograničen debljinom optičkih vlakana. Takve sonde karakterizira jednostavna izrada zahvaljujući tehnologiji zavarivanja optičkih vlakana, kojom se izbjegava naporno poravnavanje i spajanje (obično lijepljenje) pojedinačnih mikrooptičkih komponenti.

Različite vrste mikroendoskopa

Najpopularniji dizajni optičkih sondi za snimanje slike temelje se na dvije vrste elemenata za fokusiranje: GRIN sonde s vlaknima (GFP - GRIN fiber probes) i sonde s kuglastom lećom (BLP - sonde s kuglastom lećom). GRIN sonde je lako proizvesti i njihova GRIN refrakcijska snaga se ne gubi kada je indeks loma okolnog medija blizu indeksa loma korištenog vlakna. Komercijalno dostupna GRIN vlakna ograničavaju dizajne koji se mogu postići. Visoku rezoluciju teško je postići s GRIN vlaknima s malim promjerom jezgre.

Za bočne sonde, zakrivljena površina vlakna (a možda i katetera) dovodi do izobličenja koja mogu utjecati na kvalitetu slike. Sferične BLP sonde nemaju ovaj problem, ali često je potrebna sfera veća od promjera vlakna da bi se postigla rezolucija usporediva s GFP sondama. Učinkovitost fokusiranja BLP sonde ovisi o indeksu loma okolnog medija, što je važna točka kada se radi u mediju s bliskim ili obližnjim biološkim uzorcima.

Jedno rješenje za poboljšanje performansi sondi je korištenje višestrukih elemenata za fokusiranje svjetla, slično dizajnu leća za veliku radnu udaljenost. Studije su pokazale da kombiniranje brojnih elemenata za fokusiranje svjetla daje bolje rezultate za mnoge svrhe snimanja. Sonde s višestrukim elementima za fokusiranje mogu postići bolju rezoluciju s manjim promjerima, a istovremeno nude veće radne udaljenosti bez žrtvovanja rezolucije.

Kako poboljšavamo sonde?

U svom najnovijem radu, istraživači pod vodstvom dr. Karnowskog pokazali su da sonde s dva elementa za fokusiranje koje koriste i GRIN segmente i sferične leće - takozvane GRIN kuglaste sonde (GBLP) - značajno poboljšavaju performanse monolitnih sondi s optičkim vlaknima. Njihovi prvi rezultati modeliranja već su prikazani na konferencijama 2018. i 2019. GBP sonde uspoređivane su s najčešće korištenim GFP i BLP sondama i pokazale su prednosti izvedbe, posebno za aplikacije koje zahtijevaju veće radne udaljenosti, bolju rezoluciju i malu veličinu.

Kako bi intuitivno vizualizirali performanse sonde, istraživači su predstavili novu metodu za sveobuhvatan prikaz rezultata simulacije, što je osobito korisno kada se koristi više od dvije varijable. Analiza utjecaja duljine GRIN vlakna i veličine sferne leće dovela je do dva zanimljiva zaključka: za optimalne rezultate, raspon duljine GRIN vlakna može se držati u rasponu od 0,25–0,4 duljine koraka (tzv. duljina koraka); Iako dobitak radne udaljenosti (WD) nije toliko značajan za GBLP sonde s velikim numeričkim otvorom, autori su pokazali da se iste ili bolje performanse u smislu radne udaljenosti postižu za pretraživanje dvostrukog promjera. Osim toga, nove GBLP sonde nude veću rezoluciju u usporedbi s BLP sondama.

Zaključak rada je:

Pokazali smo potencijal dizajna GBLP sonde za aplikacije povećane radne udaljenosti, što je važno za sonde za bočno snimanje, sa znatno smanjenim utjecajem indeksa loma okoline sonde i znatno manjom veličinom u usporedbi s BLP ili GFP sondama. Ove prednosti čine GBLP sonde alatom vrijednim razmatranja za mnoge slikovne primjene u biološkim i biomedicinskim istraživanjima, posebno za projekte koji zahtijevaju mikroendoskope.

Izvor:

Institut za fizičku kemiju Poljske akademije znanosti

Referenca:

Karnowski, K., et al. (2022.) Vrhunska slikovna izvedba mikroendoskopa s punim vlaknima s dva elementa za fokusiranje. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.