Il nuovo design della sonda promette molte applicazioni di imaging nella ricerca biologica e biomedica

Il nuovo design della sonda promette molte applicazioni di imaging nella ricerca biologica e biomedica

I microendoscopi sono la pietra angolare della moderna diagnostica medica: ci permettono di vedere ciò che due decenni fa non potevamo nemmeno descrivere. La tecnologia è in costante miglioramento e gli scienziati dell'ICTER contribuiscono allo sviluppo delle sonde.

I microendoscopi a fibra ottica stanno diventando strumenti di imaging sempre più importanti, ma presentano limitazioni fisiche. Sono essenziali per le applicazioni che richiedono una lunga distanza di lavoro, un'alta risoluzione e un diametro minimo della sonda. Il lavoro di ricerca intitolato “Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes” condotto dal Dr. Karol Karnowski dell’ICTER, dalla Dr. Gavrielle Untracht dell’Università Tecnica della Danimarca (DTU), dal Dr. Michael Hackmann dell’Università dell’Australia Occidentale (UWA), Onur Cetinkaya dell’ICTER e dal Prof. David Sampson dell’Università del Surrey ha gettato nuova luce sui moderni microendoscopi. È interessante notare che la ricerca è iniziata mentre gli autori lavoravano nello stesso gruppo di ricerca presso l'UWA.

In esso, i ricercatori hanno dimostrato che le sonde per imaging endoscopico, in particolare quelle per la cosiddetta visione laterale, che combinano fibra ottica (GRIN) e lenti sferiche, offrono prestazioni eccellenti su tutta la gamma di aperture numeriche, aprendo la strada a una gamma più ampia di applicazioni di imaging. Nell'articolo, le prestazioni delle sonde per imaging endoscopico sono paragonabili a quelle delle sonde a singolo elemento di focalizzazione comunemente utilizzate.

Cosa sono i microendoscopi?

Le sonde in fibra ottica miniaturizzate o i microendoscopi consentono l'imaging delle microstrutture tissutali in profondità all'interno del campione o del paziente. La tomografia endoscopica a coerenza ottica (OCT) è particolarmente promettente. È adatto per l'imaging volumetrico dei tessuti esterni e dell'interno degli organi (ad esempio il tratto respiratorio superiore, il tratto gastrointestinale o i tubuli polmonari).

Si possono distinguere tre aree principali delle sonde in fibra ottica. Gli studi su organi cavi di grandi dimensioni (ad esempio sopra il tratto respiratorio superiore) richiedono intervalli di profondità di imaging più ampi (fino a 15 mm o più dalla superficie della sonda), solitamente utilizzando fasci gaussiani a bassa risoluzione (dimensione del punto a fuoco compresa tra 30 e 100 μm). L'intervallo di risoluzione media (10-30 μm) è utile per applicazioni più ampie come: B. imaging dell'esofago, delle piccole vie aeree, dei vasi sanguigni, della vescica, delle ovaie o del condotto uditivo. La sfida principale è ottenere fasci con una risoluzione migliore di 10 μm, che sia potenzialmente utile per studi su modelli animali.

Quando si sviluppa una sonda, è necessario considerare i compromessi tra i parametri di progettazione e il loro impatto sulle prestazioni di imaging. I sistemi ottici ad ampia apertura numerica (alta risoluzione) tendono ad avere una distanza di lavoro (WD) più breve. Inoltre, una migliore risoluzione e una distanza di lavoro più lunga sono più difficili da ottenere quando il diametro della sonda è ridotto. Ciò può essere particolarmente problematico per le sonde a visione laterale: è necessaria una distanza di lavoro minima maggiore rispetto alle loro controparti per l'imaging in avanti. Supponiamo che la sonda sia racchiusa in un catetere o un ago. In questo caso aumenta la distanza di lavoro minima richiesta: in molti casi questo è il fattore limitante per la risoluzione minima raggiungibile o il diametro della sonda.

Vale la pena notare che gli ingegneri sono generalmente interessati a ridurre al minimo il diametro della sonda per ridurre il disturbo del campione e il comfort del paziente. Una sonda più piccola significa un catetere più flessibile e quindi una migliore tolleranza del test da parte del paziente. Pertanto, una delle soluzioni migliori è quella di utilizzare sonde in fibra ottica monolitiche il cui diametro è limitato dallo spessore delle fibre ottiche. Tali sonde sono caratterizzate da facilità di fabbricazione grazie alla tecnologia di saldatura a fibra ottica, che evita il laborioso allineamento e collegamento (solitamente incollaggio) dei singoli componenti microottici.

Diversi tipi di microendoscopi

I design più popolari delle sonde per imaging in fibra ottica si basano su due tipi di elementi di focalizzazione: sonde in fibra GRIN (sonde in fibra GFP - GRIN) e sonde con lente sferica (sonde con lente sferica BLP). Le sonde GRIN sono facili da fabbricare e il loro potere di rifrazione GRIN non viene perso quando l'indice di rifrazione del mezzo circostante è vicino a quello della fibra utilizzata. Le fibre GRIN disponibili in commercio limitano i progetti che possono essere realizzati. È difficile ottenere un'alta risoluzione con le fibre GRIN con diametri del nucleo piccoli.

Per le sonde a vista laterale, la superficie curva della fibra (ed eventualmente del catetere) introduce distorsioni che possono influire sulla qualità dell'immagine. Le sonde BLP sferiche non presentano questo problema, ma spesso è necessaria una sfera più grande del diametro della fibra per ottenere una risoluzione paragonabile alle sonde GFP. Le prestazioni di focalizzazione di una sonda BLP dipendono dall'indice di rifrazione del mezzo circostante, che è un punto importante quando si lavora in un mezzo con campioni biologici vicini o vicini.

Una soluzione per migliorare le prestazioni delle sonde consiste nell'utilizzare più elementi di focalizzazione della luce, in modo simile al design degli obiettivi a lunga distanza di lavoro. Gli studi hanno dimostrato che la combinazione di numerosi elementi di focalizzazione della luce produce risultati migliori per molti scopi di imaging. Le sonde con più elementi di focalizzazione possono ottenere una migliore risoluzione con diametri più piccoli offrendo allo stesso tempo distanze di lavoro maggiori senza sacrificare la risoluzione.

Come miglioriamo le sonde?

Nel loro ultimo lavoro, i ricercatori guidati dal Dr. Karnowski hanno dimostrato che le sonde con due elementi di focalizzazione che utilizzano sia segmenti GRIN che lenti sferiche - le cosiddette sonde con lente sferica GRIN (GBLP) - migliorano significativamente le prestazioni delle sonde monolitiche in fibra ottica. I primi risultati della modellazione sono stati già mostrati alle conferenze del 2018 e del 2019. Le sonde GBP sono state confrontate con le sonde GFP e BLP più comunemente utilizzate e hanno dimostrato vantaggi prestazionali, in particolare per applicazioni che richiedono distanze operative più lunghe, migliore risoluzione e dimensioni ridotte.

Per visualizzare in modo intuitivo le prestazioni della sonda, i ricercatori hanno introdotto un nuovo metodo per visualizzare in modo completo i risultati della simulazione, che è particolarmente utile quando vengono utilizzate più di due variabili. L'analisi dell'effetto della lunghezza della fibra GRIN e della dimensione della lente sferica ha portato a due conclusioni interessanti: per risultati ottimali, l'intervallo di lunghezza della fibra GRIN può essere mantenuto nell'intervallo compreso tra 0,25 e 0,4 lunghezza primitiva (la cosiddetta lunghezza primitiva); Sebbene il guadagno della distanza di lavoro (WD) non sia così significativo per le sonde GBLP ad alta apertura numerica, gli autori hanno dimostrato che le stesse o migliori prestazioni in termini di distanza di lavoro si ottengono per una ricerca a doppio diametro. Inoltre, le nuove sonde GBLP offrono una risoluzione più elevata rispetto alle sonde BLP.

La conclusione del documento è:

Abbiamo dimostrato il potenziale della progettazione della sonda GBLP per applicazioni a maggiore distanza di lavoro, che è importante per le sonde per imaging laterale, con un'influenza notevolmente ridotta dell'indice di rifrazione dell'ambiente circostante la sonda e una dimensione significativamente più piccola rispetto alle sonde BLP o GFP. Questi vantaggi rendono le sonde GBLP uno strumento da prendere in considerazione per molte applicazioni di imaging nella ricerca biologica e biomedica, in particolare per progetti che richiedono microendoscopi.

Fonte:

Istituto di Chimica Fisica dell'Accademia Polacca delle Scienze

Riferimento:

Karnowski, K., et al. (2022) Prestazioni di imaging superiori dei microendoscopi interamente in fibra con due elementi di messa a fuoco. Giornale di fotonica dell'IEEE. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

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