Het nieuwe sondeontwerp belooft veel beeldvormingstoepassingen in biologisch en biomedisch onderzoek

Het nieuwe sondeontwerp belooft veel beeldvormingstoepassingen in biologisch en biomedisch onderzoek

Micro-endoscopen vormen de hoeksteen van de moderne medische diagnostiek: ze stellen ons in staat te zien wat we twintig jaar geleden niet eens konden beschrijven. De technologie wordt voortdurend verbeterd, waarbij ICTER-wetenschappers bijdragen aan de ontwikkeling van de sondes.

Glasvezelmicro-endoscopen worden steeds belangrijker beeldvormende hulpmiddelen, maar ze hebben fysieke beperkingen. Ze zijn essentieel voor toepassingen die een lange werkafstand, hoge resolutie en een minimale sondediameter vereisen. Het onderzoekswerk getiteld “Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes” door Dr. Karol Karnowski van ICTER, Dr. Gavrielle Untracht van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), Dr. Michael Hackmann van de University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya van ICTER en Prof. David Sampson van de Universiteit van Surrey werpen een nieuw licht op moderne micro-endoscopen. Het is opmerkelijk dat het onderzoek begon terwijl de auteurs in dezelfde onderzoeksgroep bij UWA werkten.

Daarin toonden de onderzoekers aan dat endoscopische beeldsondes, vooral die voor zogenaamde zijweergave, die glasvezel (GRIN) en sferische lenzen combineren, uitstekende prestaties bieden over het hele bereik van numerieke openingen, waardoor de weg wordt geopend naar een breder scala aan beeldvormingstoepassingen. In het artikel zijn de prestaties van endoscopische beeldsondes vergelijkbaar met die van veelgebruikte sondes met enkel focusseringselement.

Wat zijn micro-endoscopen?

Miniatuur glasvezelsondes of micro-endoscopen maken beeldvorming mogelijk van weefselmicrostructuren diep in het monster of de patiënt. Endoscopische optische coherentietomografie (OCT) is bijzonder veelbelovend. Het is geschikt voor volumetrische beeldvorming van externe weefsels en de binnenkant van organen (bijvoorbeeld de bovenste luchtwegen, het maagdarmkanaal of de longtubuli).

Er kunnen drie hoofdgebieden van glasvezelsondes worden onderscheiden. Studies van grote holle organen (bijvoorbeeld boven de bovenste luchtwegen) vereisen het grootste beelddieptebereik (tot 15 mm of meer van het sondeoppervlak), meestal met behulp van Gaussiaanse bundels met lage resolutie (vlekgrootte in focus in het bereik van 30-100 μm). Het gemiddelde resolutiebereik (10-30 μm) is nuttig voor bredere toepassingen zoals: B. beeldvorming van de slokdarm, kleine luchtwegen, bloedvaten, blaas, eierstokken of de gehoorgang. De belangrijkste uitdaging is het verkrijgen van bundels met een resolutie beter dan 10 μm, wat potentieel nuttig is voor diermodelstudies.

Bij het ontwikkelen van een sonde moet rekening worden gehouden met de afwegingen tussen ontwerpparameters en hun impact op de beeldprestaties. Optische systemen met een grote numerieke apertuur (hoge resolutie) hebben doorgaans een kortere werkafstand (WD). Bovendien zijn een betere resolutie en een langere werkafstand moeilijker te bereiken wanneer de sondediameter kleiner wordt. Dit kan met name problematisch zijn voor zijwaarts gerichte sondes; er is een grotere minimale werkafstand vereist vergeleken met hun tegenhangers voor voorwaartse beeldvorming. Stel dat de sonde is ingesloten in een katheter of naald. In dit geval neemt de vereiste minimale werkafstand toe - in veel gevallen is dit de beperkende factor voor de minimaal haalbare resolutie of sondediameter.

Het is vermeldenswaard dat ingenieurs doorgaans geïnteresseerd zijn in het minimaliseren van de sondediameter om verstoring van het monster en het comfort van de patiënt te verminderen. Een kleinere sonde betekent een flexibelere katheter en dus een betere patiënttolerantie voor de test. Daarom is een van de beste oplossingen het gebruik van monolithische glasvezelsondes waarvan de diameter wordt beperkt door de dikte van de optische vezels. Dergelijke sondes worden gekenmerkt door fabricagegemak dankzij de glasvezellastechnologie, die het moeizame uitlijnen en verbinden (meestal lijmen) van individuele micro-optische componenten vermijdt.

Verschillende soorten micro-endoscopen

De meest populaire sondeontwerpen voor glasvezelbeeldvorming zijn gebaseerd op twee soorten focusseringselementen: GRIN-vezelsondes (GFP - GRIN-vezelsondes) en kogellenssondes (BLP - kogellenssondes). GRIN-sondes zijn eenvoudig te vervaardigen en hun GRIN-brekingsvermogen gaat niet verloren wanneer de brekingsindex van het omringende medium dicht bij die van de gebruikte vezel ligt. In de handel verkrijgbare GRIN-vezels beperken de ontwerpen die kunnen worden bereikt. Hoge resolutie is moeilijk te bereiken met GRIN-vezels met kleine kerndiameters.

Bij zijaanzichtsondes introduceert het gebogen oppervlak van de vezel (en mogelijk de katheter) vervormingen die de beeldkwaliteit kunnen beïnvloeden. Sferische BLP-sondes hebben dit probleem niet, maar vaak is een bol groter dan de vezeldiameter vereist om een ​​resolutie te bereiken die vergelijkbaar is met die van GFP-sondes. De focusseringsprestaties van een BLP-sonde zijn afhankelijk van de brekingsindex van het omringende medium, wat een belangrijk punt is bij het werken in een medium met biologische monsters dichtbij of dichtbij.

Eén oplossing om de prestaties van sondes te verbeteren, is het gebruik van meerdere lichtfocusserende elementen, vergelijkbaar met het ontwerp van lenzen met lange werkafstand. Studies hebben aangetoond dat het combineren van talrijke lichtfocusserende elementen voor veel beelddoeleinden betere resultaten oplevert. Sondes met meerdere focusseringselementen kunnen een betere resolutie bereiken met kleinere diameters en tegelijkertijd grotere werkafstanden bieden zonder dat dit ten koste gaat van de resolutie.

Hoe kunnen we de sondes verbeteren?

In hun laatste werk hebben onderzoekers onder leiding van Dr. Karnowski aangetoond dat sondes met twee focusseringselementen die zowel GRIN-segmenten als sferische lenzen gebruiken - de zogenaamde GRIN ball-lenssondes (GBLP) - de prestaties van monolithische glasvezelsondes aanzienlijk verbeteren. Hun eerste modelleringsresultaten werden al getoond op conferenties in 2018 en 2019. GBP-sondes werden vergeleken met de meest gebruikte GFP- en BLP-sondes en toonden prestatievoordelen aan, vooral voor toepassingen die langere werkafstanden, betere resolutie en kleine afmetingen vereisen.

Om de prestaties van sondes intuïtief te visualiseren, introduceerden onderzoekers een nieuwe methode voor het uitgebreid weergeven van simulatieresultaten, wat vooral handig is als er meer dan twee variabelen worden gebruikt. De analyse van het effect van de GRIN-vezellengte en de sferische lensgrootte leidde tot twee interessante conclusies: voor optimale resultaten kan het bereik van de GRIN-vezellengte binnen het bereik van 0,25-0,4 steeklengte worden gehouden (de zogenaamde steeklengte); Hoewel de toename van de werkafstand (WD) niet zo significant is voor GBLP-sondes met een hoge numerieke apertuur, toonden de auteurs aan dat dezelfde of betere prestaties in termen van werkafstand worden bereikt voor een zoektocht met dubbele diameter. Bovendien bieden de nieuwe GBLP-sondes een hogere resolutie vergeleken met BLP-sondes.

De conclusie van het artikel is:

We hebben het potentieel van GBLP-sondeontwerp aangetoond voor toepassingen met grotere werkafstanden, wat belangrijk is voor laterale beeldvormingssondes, met een sterk verminderde invloed van de brekingsindex van de sonde-omgeving en een aanzienlijk kleiner formaat vergeleken met BLP- of GFP-sondes. Deze voordelen maken GBLP-sondes tot een hulpmiddel dat het overwegen waard is voor veel beeldvormingstoepassingen in biologisch en biomedisch onderzoek, vooral voor projecten waarvoor micro-endoscopen nodig zijn.

Bron:

Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen

Referentie:

Karnowski, K., et al. (2022) Superieure beeldprestaties van full-fiber micro-endoscopen met twee focusseringselementen. IEEE Fotonica Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.