Jaunais zondes dizains sola daudzus attēlveidošanas lietojumus bioloģiskajos un biomedicīnas pētījumos

Jaunais zondes dizains sola daudzus attēlveidošanas lietojumus bioloģiskajos un biomedicīnas pētījumos

Mikroendoskopi ir mūsdienu medicīnas diagnostikas stūrakmens – tie ļauj ieraudzīt to, ko pirms diviem gadu desmitiem pat nevarējām aprakstīt. Tehnoloģija nepārtraukti uzlabojas, un ICTER zinātnieki sniedz ieguldījumu zondu izstrādē.

Optisko šķiedru mikroendoskopi kļūst arvien svarīgāki attēlveidošanas instrumenti, taču tiem ir fiziski ierobežojumi. Tie ir būtiski lietojumiem, kuriem nepieciešams liels darba attālums, augsta izšķirtspēja un minimāls zondes diametrs. Karols Karnovskis no ICTER, Dr. Gavrielle Untrahta no Dānijas Tehniskās universitātes (DTU), Dr. Maikls Hakmans no Rietumaustrālijas universitātes (UWA), Onurs Cetinkaja no ICTER un profesors Deivids Samprejsons no modernās mikroendoskopa Onurs Cetinkaja un Prof. Jāatzīmē, ka pētījums sākās, kad autori strādāja tajā pašā pētniecības grupā UWA.

Tajā pētnieki parādīja, ka endoskopiskās attēlveidošanas zondes, jo īpaši tās, kas paredzētas tā sauktajai sānu skatīšanai, kas apvieno optiskās šķiedras (GRIN) un sfēriskās lēcas, piedāvā izcilu veiktspēju visā skaitlisko apertūru diapazonā, paverot ceļu plašākam attēlveidošanas lietojumu klāstam. Rakstā endoskopiskās attēlveidošanas zondes veiktspēja ir salīdzināma ar parasti izmantotajām viena fokusēšanas elementa zondēm.

Kas ir mikroendoskopi?

Miniatūras optiskās šķiedras zondes vai mikroendoskopi ļauj attēlot audu mikrostruktūras dziļi paraugā vai pacientā. Īpaši daudzsološa ir endoskopiskā optiskās koherences tomogrāfija (OCT). Tas ir piemērots ārējo audu un orgānu iekšējo orgānu (piemēram, augšējo elpceļu, kuņģa-zarnu trakta vai plaušu kanāliņu) tilpuma attēlveidošanai.

Var izdalīt trīs galvenās optiskās šķiedras zondes jomas. Lielu dobu orgānu (piemēram, virs augšējo elpceļu) pētījumiem ir nepieciešami vislielākie attēlveidošanas dziļuma diapazoni (līdz 15 mm vai vairāk no zondes virsmas), parasti izmantojot zemas izšķirtspējas Gausa starus (fokusa vietas izmērs ir diapazonā no 30 līdz 100 μm). Vidējas izšķirtspējas diapazons (10–30 μm) ir noderīgs plašākiem lietojumiem, piemēram: B. barības vada, mazo elpceļu, asinsvadu, urīnpūšļa, olnīcu vai auss kanāla attēlveidošanai. Galvenais izaicinājums ir iegūt starus ar izšķirtspēju, kas ir labāka par 10 μm, kas ir potenciāli noderīga dzīvnieku modeļu pētījumos.

Izstrādājot zondi, ir jāņem vērā kompromisi starp konstrukcijas parametriem un to ietekmi uz attēlveidošanas veiktspēju. Lielas skaitliskās apertūras (augstas izšķirtspējas) optiskajām sistēmām parasti ir īsāks darba attālums (WD). Turklāt labāku izšķirtspēju un lielāku darba attālumu ir grūtāk sasniegt, ja zondes diametrs ir samazināts. Tas var būt īpaši problemātiski sānskata zondēm — ir nepieciešams lielāks minimālais darba attālums, salīdzinot ar to priekšējām attēlveidošanas zondēm. Pieņemsim, ka zonde ir ievietota katetrā vai adatā. Šajā gadījumā palielinās nepieciešamais minimālais darba attālums - daudzos gadījumos tas ir ierobežojošais faktors minimālajai sasniedzamajai izšķirtspējai vai zondes diametram.

Ir vērts atzīmēt, ka inženieri parasti ir ieinteresēti samazināt zondes diametru, lai samazinātu parauga traucējumus un pacienta komfortu. Mazāka zonde nozīmē elastīgāku katetru un tādējādi labāku pacienta panesamību pret testu. Tāpēc viens no labākajiem risinājumiem ir izmantot monolītās optiskās šķiedras zondes, kuru diametru ierobežo optisko šķiedru biezums. Šādas zondes raksturo ražošanas vienkāršība, pateicoties optiskās šķiedras metināšanas tehnoloģijai, kas ļauj izvairīties no darbietilpīgas atsevišķu mikrooptisko komponentu izlīdzināšanas un savienošanas (parasti līmēšanas).

Dažādu veidu mikroendoskopi

Populārākās optiskās šķiedras attēlveidošanas zondes ir balstītas uz divu veidu fokusēšanas elementiem: GRIN šķiedru zondes (GFP - GRIN fiber zondes) un lodveida lēcu zondes (BLP - lodīšu lēcu zondes). GRIN zondes ir viegli izgatavot, un to GRIN laušanas spēja netiek zaudēta, ja apkārtējās vides laušanas koeficients ir tuvu izmantotās šķiedras refrakcijas indeksam. Tirdzniecībā pieejamās GRIN šķiedras ierobežo sasniedzamos dizainus. Augstu izšķirtspēju ir grūti sasniegt ar GRIN šķiedrām ar mazu serdes diametru.

Sānu skata zondēm šķiedras izliektā virsma (un, iespējams, katetra) rada kropļojumus, kas var ietekmēt attēla kvalitāti. Sfēriskām BLP zondēm šīs problēmas nav, taču, lai sasniegtu izšķirtspēju, kas ir salīdzināma ar GFP zondēm, bieži ir nepieciešama sfēra, kas ir lielāka par šķiedras diametru. BLP zondes fokusēšanas veiktspēja ir atkarīga no apkārtējās vides refrakcijas indeksa, kas ir svarīgs punkts, strādājot vidē ar tuvu vai tuvumā esošiem bioloģiskiem paraugiem.

Viens no risinājumiem, kā uzlabot zondes veiktspēju, ir izmantot vairākus gaismas fokusēšanas elementus, līdzīgi kā liela darba attāluma lēcu dizainā. Pētījumi liecina, ka daudzu gaismas fokusēšanas elementu apvienošana nodrošina labākus rezultātus daudzos attēlveidošanas nolūkos. Zondes ar vairākiem fokusēšanas elementiem var sasniegt labāku izšķirtspēju ar mazāku diametru, vienlaikus piedāvājot lielākus darba attālumus, nezaudējot izšķirtspēju.

Kā mēs uzlabojam zondes?

Savā jaunākajā darbā pētnieki doktora Karnovska vadībā parādīja, ka zondes ar diviem fokusēšanas elementiem, kas izmanto gan GRIN segmentus, gan sfēriskās lēcas - tā sauktās GRIN lodveida lēcas zondes (GBLP) - ievērojami uzlabo monolīto optisko šķiedru zondu veiktspēju. Viņu pirmie modelēšanas rezultāti jau tika parādīti konferencēs 2018. un 2019. gadā. GBP zondes tika salīdzinātas ar visbiežāk izmantotajām GFP un BLP zondēm, un tās demonstrēja veiktspējas priekšrocības, jo īpaši lietojumprogrammām, kurām nepieciešams lielāks darbības attālums, labāka izšķirtspēja un mazs izmērs.

Lai intuitīvi vizualizētu zondes veiktspēju, pētnieki ieviesa jaunu metodi simulācijas rezultātu visaptverošai attēlošanai, kas ir īpaši noderīga, ja tiek izmantoti vairāk nekā divi mainīgie. Analizējot GRIN šķiedras garuma un sfēriskās lēcas izmēra ietekmi, tika izdarīti divi interesanti secinājumi: optimāliem rezultātiem GRIN šķiedras garuma diapazonu var noturēt 0,25–0,4 piķa garuma diapazonā (tā sauktais piķa garums); Lai gan darba attāluma (WD) pieaugums nav tik nozīmīgs GBLP zondēm ar lielu skaitlisko diafragmu, autori parādīja, ka tāda pati vai labāka veiktspēja darba attāluma ziņā tiek sasniegta dubultā diametra meklēšanai. Turklāt jaunās GBLP zondes piedāvā augstāku izšķirtspēju salīdzinājumā ar BLP zondēm.

Darba secinājums ir šāds:

Mēs esam pierādījuši GBLP zondes dizaina potenciālu palielināta darba attāluma lietojumos, kas ir svarīgi sānu attēlveidošanas zondēm, ar ievērojami samazinātu zondes apkārtnes refrakcijas indeksa ietekmi un ievērojami mazāku izmēru salīdzinājumā ar BLP vai GFP zondēm. Šīs priekšrocības padara GBLP zondes par instrumentu, ko vērts apsvērt daudziem attēlveidošanas lietojumiem bioloģiskajos un biomedicīnas pētījumos, jo īpaši projektiem, kuriem nepieciešami mikroendoskopi.

Avots:

Polijas Zinātņu akadēmijas Fizikālās ķīmijas institūts

Atsauce:

Karnovskis, K. u.c. (2022) Pilnas šķiedras mikroendoskopu ar diviem fokusēšanas elementiem izcila attēlveidošanas veiktspēja. IEEE fotonikas žurnāls. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.