Az új szondatervezés számos képalkotó alkalmazást ígér a biológiai és orvosbiológiai kutatásokban

Az új szondatervezés számos képalkotó alkalmazást ígér a biológiai és orvosbiológiai kutatásokban

A mikroendoszkópok a modern orvosi diagnosztika sarokkövei – lehetővé teszik, hogy meglássuk azt, amit két évtizeddel ezelőtt még le sem tudtunk írni. A technológia folyamatosan fejlődik, az ICTER tudósai hozzájárulnak a szondák fejlesztéséhez.

A száloptikai mikroendoszkópok egyre fontosabb képalkotó eszközökké válnak, de fizikai korlátaik vannak. Ezek nélkülözhetetlenek olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy munkatávolságot, nagy felbontást és minimális szondaátmérőt igényelnek. Dr. Karol Karnowski az ICTER-től, Dr. Gavrielle Untracht a Dán Műszaki Egyetemtől (DTU), Dr. Michael Hackmann a Nyugat-Ausztráliai Egyetemtől (UWA), Onur Cetinkaya az ICTER-től és Prof. David Sampreytinkaya Prof. of New Light on Modern Egyetem: „Teljes szálas, két fókuszáló elemes mikroendoszkópok kiváló képalkotó teljesítménye” című kutatási munka. mikroendoszkópok. Figyelemre méltó, hogy a kutatás akkor kezdődött, amikor a szerzők ugyanabban a kutatócsoportban dolgoztak az UWA-nál.

Ebben a kutatók kimutatták, hogy az endoszkópos képalkotó szondák, különösen az úgynevezett oldalnézeti szondák, amelyek a száloptikát (GRIN) és a gömblencséket kombinálják, kiváló teljesítményt nyújtanak a numerikus apertúrák teljes skáláján, így a képalkotó alkalmazások szélesebb köre felé nyitnak utat. A cikkben az endoszkópos képalkotó szondák teljesítménye összehasonlítható az általánosan használt egyetlen fókuszáló elemes szondákkal.

Mik azok a mikroendoszkópok?

A miniatűr optikai szondák vagy mikroendoszkópok lehetővé teszik a szöveti mikrostruktúrák leképezését a mintában vagy a páciensben mélyen. Az endoszkópos optikai koherencia tomográfia (OCT) különösen ígéretes. Alkalmas külső szövetek és belső szervek (pl. felső légutak, gasztrointesztinális traktus vagy tüdőtubulusok) volumetriás képalkotására.

A száloptikai szondák három fő területe különíthető el. A nagy üreges szervek (például a felső légutak feletti) vizsgálata a legnagyobb képmélységi tartományt igényli (akár 15 mm-re vagy annál nagyobb távolságra a szonda felületétől), általában alacsony felbontású Gauss-nyalábokkal (a foltméret a fókuszban 30-100 μm tartományban van). A közepes felbontási tartomány (10-30 μm) szélesebb körű alkalmazásokhoz hasznos, mint például: B. a nyelőcső, a kis légutak, az erek, a hólyag, a petefészkek vagy a hallójárat képalkotása. A fő kihívás a 10 μm-nél jobb felbontású nyalábok előállítása, ami potenciálisan hasznos lehet állatmodell-vizsgálatokhoz.

A szonda fejlesztése során figyelembe kell venni a tervezési paraméterek és a képalkotási teljesítményre gyakorolt ​​hatás közötti kompromisszumot. A nagy numerikus apertúrájú (nagy felbontású) optikai rendszerek általában rövidebb munkatávolsággal (WD) rendelkeznek. Ezenkívül a jobb felbontást és a hosszabb munkatávolságot nehezebb elérni, ha a szonda átmérője csökken. Ez különösen az oldalnézeti szondák esetében jelenthet problémát – nagyobb minimális munkatávolságra van szükség az elülső képalkotó társaikhoz képest. Tegyük fel, hogy a szonda katéterbe vagy tűbe van zárva. Ebben az esetben a szükséges minimális munkatávolság növekszik – sok esetben ez a korlátozó tényező a minimálisan elérhető felbontásra vagy szondaátmérőre.

Érdemes megjegyezni, hogy a mérnökök általában a szonda átmérőjének minimalizálása iránt érdeklődnek, hogy csökkentsék a minta megzavarását és a betegek kényelmét. A kisebb szonda rugalmasabb katétert jelent, és így a páciens jobban tolerálja a tesztet. Ezért az egyik legjobb megoldás a monolit száloptikai szondák alkalmazása, amelyek átmérőjét az optikai szálak vastagsága korlátozza. Az ilyen szondákat a száloptikai hegesztési technológiának köszönhetően könnyű gyártás jellemzi, amely elkerüli az egyes mikrooptikai alkatrészek fáradságos beállítását és összekapcsolását (általában ragasztását).

Különböző típusú mikroendoszkópok

A legnépszerűbb száloptikai képalkotó szondák kétféle fókuszáló elemen alapulnak: GRIN szálas szondákon (GFP - GRIN fiber szondák) és golyóslencsés szondákon (BLP - golyóslencse szondák). A GRIN szondák könnyen gyárthatók, és GRIN törési erejük nem vész el, ha a környező közeg törésmutatója közel van a használt szál törésmutatójához. A kereskedelemben kapható GRIN szálak korlátozzák az elérhető terveket. A kis magátmérőjű GRIN szálakkal nehéz nagy felbontást elérni.

Oldalnézeti szondák esetén a szál ívelt felülete (és esetleg a katéter) olyan torzulásokat okoz, amelyek befolyásolhatják a képminőséget. A gömb alakú BLP szondáknál nincs ilyen probléma, de gyakran a szál átmérőjénél nagyobb gömbre van szükség a GFP szondákkal összehasonlítható felbontás eléréséhez. A BLP szonda fókuszálási teljesítménye a környező közeg törésmutatójától függ, ami fontos pont a közeli vagy közeli biológiai mintákkal rendelkező közegben végzett munka során.

Az egyik megoldás a szondák teljesítményének javítására több fényfókuszáló elem alkalmazása, hasonlóan a nagy munkatávolságú lencsék kialakításához. Tanulmányok kimutatták, hogy számos fényfókuszáló elem kombinálása jobb eredményeket ad számos képalkotási célra. A több fókuszelemmel rendelkező szondák kisebb átmérővel jobb felbontást érhetnek el, miközben nagyobb munkatávolságot kínálnak a felbontás feláldozása nélkül.

Hogyan javítsuk a szondákat?

A Dr. Karnowski vezette kutatók legújabb munkájukban kimutatták, hogy a két fókuszáló elemmel rendelkező szondák, amelyek GRIN szegmenseket és gömblencséket is használnak - az úgynevezett GRIN ball lens probes (GBLP) - jelentősen javítják a monolit száloptikai szondák teljesítményét. Első modellezési eredményeiket 2018-ban és 2019-ben már konferenciákon bemutatták. A GBP szondákat összehasonlították a leggyakrabban használt GFP és BLP szondákkal, és teljesítményelőnyöket mutattak be, különösen a nagyobb működési távolságot, jobb felbontást és kis méretet igénylő alkalmazásoknál.

A szonda teljesítményének intuitív megjelenítése érdekében a kutatók egy új módszert vezettek be a szimulációs eredmények átfogó megjelenítésére, amely különösen akkor hasznos, ha kettőnél több változót használnak. A GRIN szálhossz és a szférikus lencseméret hatásának elemzése két érdekes következtetésre vezetett: az optimális eredmény érdekében a GRIN szálhossz tartománya 0,25-0,4 pitch hosszúság (ún. pitch length) tartományban tartható; Bár a munkatávolság (WD) nyeresége nem olyan jelentős a nagy numerikus apertúrájú GBLP szondák esetében, a szerzők kimutatták, hogy a munkatávolság tekintetében azonos vagy jobb teljesítmény érhető el a kettős átmérőjű keresésnél. Ezenkívül az új GBLP szondák nagyobb felbontást kínálnak a BLP szondákhoz képest.

A lap következtetése:

Kimutattuk a GBLP szonda tervezésében rejlő lehetőségeket a megnövelt munkatávolságú alkalmazásokban, ami fontos az oldalsó képalkotó szondáknál, a szonda környezetének törésmutatójának nagymértékben csökkenésével és a BLP vagy GFP szondákhoz képest lényegesen kisebb mérettel. Ezek az előnyök a GBLP szondákat olyan eszközzé teszik, amelyet érdemes megfontolni a biológiai és orvosbiológiai kutatások számos képalkotó alkalmazásában, különösen a mikroendoszkópokat igénylő projekteknél.

Forrás:

A Lengyel Tudományos Akadémia Fizikai Kémiai Intézete

Referencia:

Karnowski, K. és mtsai. (2022) Teljes szálas mikroendoszkópok kiváló képalkotási teljesítménye két fókuszelemmel. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.