Naujasis zondo dizainas žada daug vaizdo gavimo pritaikymų biologiniuose ir biomedicininiuose tyrimuose

Naujasis zondo dizainas žada daug vaizdo gavimo pritaikymų biologiniuose ir biomedicininiuose tyrimuose

Mikroendoskopai yra kertinis šiuolaikinės medicinos diagnostikos akmuo – jie leidžia pamatyti tai, ko net negalėjome aprašyti prieš du dešimtmečius. Technologijos nuolat tobulėja, ICTER mokslininkai prisideda prie zondų kūrimo.

Šviesolaidiniai mikroendoskopai tampa vis svarbesni vaizdo gavimo įrankiai, tačiau jie turi fizinių apribojimų. Jie yra būtini tais atvejais, kai reikalingas didelis darbo atstumas, didelė skiriamoji geba ir minimalus zondo skersmuo. Dr. Karolis Karnowskis iš ICTER, dr. Gavrielle Untracht iš Danijos technikos universiteto (DTU), dr. Michaelas Hackmannas iš Vakarų Australijos universiteto (UWA), Onuras Cetinkaya iš ICTER ir prof. Pažymėtina, kad tyrimas prasidėjo, kai autoriai dirbo toje pačioje tyrimų grupėje UWA.

Joje tyrėjai parodė, kad endoskopiniai vaizdo gavimo zondai, ypač vadinamieji šoninio vaizdo zondai, kurie sujungia optinio pluošto (GRIN) ir sferinius lęšius, siūlo puikų našumą visame skaitmeninių apertūrų diapazone, atverdami kelią platesniam vaizdo gavimo programų spektrui. Straipsnyje endoskopinių vaizdo zondų veikimas yra panašus į dažniausiai naudojamus vieno fokusavimo elemento zondus.

Kas yra mikroendoskopai?

Miniatiūriniai šviesolaidiniai zondai arba mikroendoskopai leidžia vaizduoti audinių mikrostruktūras giliai mėginyje arba paciente. Itin perspektyvi yra endoskopinė optinė koherentinė tomografija (OCT). Jis tinka išorinių audinių ir organų vidaus (pvz., viršutinių kvėpavimo takų, virškinimo trakto ar plaučių kanalėlių) tūriniam vaizdavimui.

Galima išskirti tris pagrindines šviesolaidinių zondų sritis. Didelių tuščiavidurių organų (pvz., virš viršutinių kvėpavimo takų) tyrimams reikalingi didžiausi vaizdo gylio diapazonai (iki 15 mm ar daugiau nuo zondo paviršiaus), paprastai naudojant mažos skiriamosios gebos Gauso pluoštus (dėmės dydis fokusuojamas 30–100 μm diapazone). Vidutinės skiriamosios gebos diapazonas (10–30 μm) yra naudingas platesnėms reikmėms, pavyzdžiui: B. stemplės, mažų kvėpavimo takų, kraujagyslių, šlapimo pūslės, kiaušidžių ar ausies kanalo vaizdavimui. Pagrindinis iššūkis yra gauti pluoštus, kurių skiriamoji geba būtų geresnė nei 10 μm, o tai gali būti naudinga atliekant gyvūnų modelių tyrimus.

Kuriant zondą, reikia atsižvelgti į kompromisus tarp projektavimo parametrų ir jų įtakos vaizdo našumui. Didelės skaitmeninės diafragmos (didelės skiriamosios gebos) optinės sistemos paprastai turi trumpesnį darbinį atstumą (WD). Be to, sumažinus zondo skersmenį, sunkiau pasiekti geresnę skiriamąją gebą ir ilgesnį darbo atstumą. Tai gali būti ypač problematiška žiūrint iš šono – reikalingas didesnis minimalus darbinis atstumas, palyginti su jų priekiniais vaizdo zondais. Tarkime, kad zondas yra uždarytas kateteryje arba adatoje. Tokiu atveju padidėja reikalingas minimalus darbinis atstumas – daugeliu atvejų tai yra minimalios pasiekiamos skiriamosios gebos arba zondo skersmens ribojantis veiksnys.

Verta paminėti, kad inžinieriai paprastai yra suinteresuoti sumažinti zondo skersmenį, kad būtų sumažintas mėginio trikdymas ir paciento patogumas. Mažesnis zondas reiškia lankstesnį kateterį, todėl pacientas geriau toleruoja tyrimą. Todėl vienas geriausių sprendimų – naudoti monolitinius šviesolaidinius zondus, kurių skersmenį riboja optinių skaidulų storis. Tokie zondai pasižymi gamybos paprastumu dėl šviesolaidinio suvirinimo technologijos, kuri leidžia išvengti sudėtingo atskirų mikrooptinių komponentų išlyginimo ir sujungimo (dažniausiai klijavimo).

Įvairių tipų mikroendoskopai

Populiariausios šviesolaidinio vaizdo zondo konstrukcijos yra pagrįstos dviejų tipų fokusavimo elementais: GRIN pluošto zondais (GFP – GRIN pluošto zondai) ir rutulinių lęšių zondais (BLP – rutulinių lęšių zondai). GRIN zondus lengva pagaminti, o jų GRIN lūžio galia neprarandama, kai supančios terpės lūžio rodiklis yra artimas naudojamo pluošto lūžio rodikliui. Prekyboje parduodami GRIN pluoštai riboja galimą dizainą. Didelę skiriamąją gebą sunku pasiekti naudojant GRIN pluoštus, kurių šerdies skersmuo yra mažas.

Šoninio vaizdo zondams lenktas pluošto paviršius (ir galbūt kateteris) sukelia iškraipymus, kurie gali turėti įtakos vaizdo kokybei. Sferiniai BLP zondai šios problemos neturi, tačiau norint pasiekti skiriamąją gebą, panašią į GFP zondus, dažnai reikia didesnio nei pluošto skersmens rutulio. BLP zondo fokusavimo efektyvumas priklauso nuo supančios terpės lūžio rodiklio, kuris yra svarbus taškas dirbant terpėje su artimais ar šalia esančiais biologiniais mėginiais.

Vienas iš sprendimų, kaip pagerinti zondų veikimą, yra naudoti kelis šviesos fokusavimo elementus, panašius į ilgo darbo nuotolio lęšių dizainą. Tyrimai parodė, kad derinant daugybę šviesą fokusuojančių elementų gaunami geresni rezultatai daugeliui vaizdo gavimo tikslų. Zondai su keliais fokusavimo elementais gali pasiekti geresnę skiriamąją gebą esant mažesniam skersmeniui, tuo pačiu užtikrinant didesnį darbo atstumą neprarandant skiriamosios gebos.

Kaip patobulinsime zondus?

Paskutiniame savo darbe mokslininkai, vadovaujami daktaro Karnowskio, parodė, kad zondai su dviem fokusavimo elementais, kuriuose naudojami ir GRIN segmentai, ir sferiniai lęšiai – vadinamieji GRIN rutulinių lęšių zondai (GBLP) – žymiai pagerina monolitinių šviesolaidinių zondų veikimą. Pirmieji jų modeliavimo rezultatai jau buvo parodyti 2018 ir 2019 m. konferencijose. GBP zondai buvo lyginami su dažniausiai naudojamais GFP ir BLP zondais ir parodė našumo pranašumus, ypač tais atvejais, kai reikia didesnio veikimo atstumo, geresnės skiriamosios gebos ir mažo dydžio.

Norėdami intuityviai vizualizuoti zondo veikimą, mokslininkai pristatė naują metodą visapusiškam modeliavimo rezultatų atvaizdavimui, kuris yra ypač naudingas, kai naudojami daugiau nei du kintamieji. Išanalizavus GRIN skaidulų ilgio ir sferinio lęšio dydžio poveikį, padarytos dvi įdomios išvados: siekiant optimalių rezultatų, GRIN pluošto ilgio diapazoną galima išlaikyti 0,25–0,4 žingsnio ilgio (vadinamojo žingsnio ilgio) ribose; Nors darbinio atstumo (WD) padidėjimas nėra toks reikšmingas didelės skaitmeninės diafragmos GBLP zondams, autoriai parodė, kad dvigubo skersmens paieškoje pasiekiamas toks pat arba geresnis darbinio atstumo rodiklis. Be to, nauji GBLP zondai siūlo didesnę skiriamąją gebą, palyginti su BLP zondais.

Straipsnio išvada yra tokia:

Mes pademonstravome GBLP zondo konstrukcijos potencialą didesnio darbo atstumo taikymui, kuris yra svarbus šoniniams vaizdo zondams, labai sumažinant zondo aplinkos lūžio rodiklį ir žymiai mažesnį dydį, palyginti su BLP arba GFP zondais. Dėl šių pranašumų GBLP zondai yra priemonė, kurią verta apsvarstyti daugeliui vaizdo gavimo programų atliekant biologinius ir biomedicininius tyrimus, ypač projektams, kuriems reikalingi mikroendoskopai.

Šaltinis:

Lenkijos mokslų akademijos Fizikinės chemijos institutas

Nuoroda:

Karnowski, K. ir kt. (2022) Puikus viso pluošto mikroendoskopų su dviem fokusavimo elementais vaizdo gavimo našumas. IEEE fotonikos žurnalas. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.