Det nye sondedesignet lover mange avbildningsapplikasjoner innen biologisk og biomedisinsk forskning

Det nye sondedesignet lover mange avbildningsapplikasjoner innen biologisk og biomedisinsk forskning

Mikroendoskoper er hjørnesteinen i moderne medisinsk diagnostikk – de lar oss se det vi ikke engang kunne beskrive for to tiår siden. Teknologien blir stadig bedre, med ICTER-forskere som bidrar til utviklingen av sondene.

Fiberoptiske mikroendoskoper blir stadig viktigere bildeverktøy, men de har fysiske begrensninger. De er essensielle for applikasjoner som krever lang arbeidsavstand, høy oppløsning og minimal sondediameter. Forskningsarbeidet med tittelen "Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes" av Dr. Karol Karnowski fra ICTER, Dr. Gavrielle Untracht fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Dr. Michael Hackmann fra University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya fra ICTER og Prof. David Sampson fra det nye universitetet i Surrey. mikroendoskoper. Det er bemerkelsesverdig at forskningen startet mens forfatterne jobbet i samme forskningsgruppe ved UWA.

I den viste forskerne at endoskopiske bildeprober, spesielt de for såkalt sidevisning, som kombinerer fiberoptiske (GRIN) og sfæriske linser, tilbyr utmerket ytelse over hele spekteret av numeriske blenderåpninger, og åpner veien for et bredere spekter av bildebehandlingsapplikasjoner. I artikkelen er ytelsen til endoskopiske avbildningsprober sammenlignbare med vanlige enkeltfokuserende elementprober.

Hva er mikroendoskoper?

Fiberoptiske miniatyrprober eller mikroendoskoper muliggjør avbildning av vevsmikrostrukturer dypt inne i prøven eller pasienten. Endoskopisk optisk koherenstomografi (OCT) er spesielt lovende. Den er egnet for volumetrisk avbildning av ytre vev og det indre av organer (f.eks. de øvre luftveiene, mage-tarmkanalen eller lungetubuli).

Tre hovedområder av fiberoptiske prober kan skilles. Studier av store hule organer (f.eks. over de øvre luftveiene) krever de største avbildningsdybdeområdene (opptil 15 mm eller mer fra sondeoverflaten), vanligvis ved bruk av gaussiske stråler med lav oppløsning (punktstørrelse i fokus i området 30-100 μm). Det middels oppløsningsområdet (10-30 μm) er nyttig for bredere bruksområder som: B. avbildning av spiserøret, små luftveier, blodårer, blære, eggstokker eller øregangen. Hovedutfordringen er å få tak i stråler med en oppløsning bedre enn 10 μm, noe som potensielt er nyttig for dyremodellstudier.

Når du utvikler en sonde, må avveiningene mellom designparametere og deres innvirkning på avbildningsytelsen vurderes. Optiske systemer med stor numerisk blenderåpning (høy oppløsning) har en tendens til å ha kortere arbeidsavstand (WD). I tillegg er bedre oppløsning og lengre arbeidsavstand vanskeligere å oppnå når sondediameteren reduseres. Dette kan være spesielt problematisk for sidesynsprober – en større minimumsarbeidsavstand er nødvendig sammenlignet med deres foroverbildende motstykker. Anta at sonden er innelukket i et kateter eller en nål. I dette tilfellet øker den nødvendige minste arbeidsavstanden - i mange tilfeller er dette den begrensende faktoren for minimum oppnåelig oppløsning eller sondediameter.

Det er verdt å merke seg at ingeniører vanligvis er interessert i å minimere sondediameteren for å redusere prøveavbrudd og pasientkomfort. En mindre sonde betyr et mer fleksibelt kateter og derfor bedre pasienttoleranse for testen. Derfor er en av de beste løsningene å bruke monolitiske fiberoptiske prober hvis diameter er begrenset av tykkelsen på de optiske fibrene. Slike sonder er preget av enkel produksjon takket være fiberoptisk sveiseteknologi, som unngår den møysommelige justeringen og tilkoblingen (vanligvis liming) av individuelle mikrooptiske komponenter.

Ulike typer mikroendoskoper

De mest populære fiberoptiske bildesondedesignene er basert på to typer fokuseringselementer: GRIN fiberprober (GFP - GRIN fiberprober) og kulelinseprober (BLP - kulelinseprober). GRIN-prober er enkle å fremstille og deres GRIN-brytningskraft går ikke tapt når brytningsindeksen til det omgivende mediet er nær den til fiberen som brukes. Kommersielt tilgjengelige GRIN-fibre begrenser designene som kan oppnås. Høy oppløsning er vanskelig å oppnå med GRIN-fibre med små kjernediametre.

For sidesynsprober introduserer den buede overflaten av fiberen (og muligens kateteret) forvrengninger som kan påvirke bildekvaliteten. Sfæriske BLP-prober har ikke dette problemet, men en kule som er større enn fiberdiameteren er ofte nødvendig for å oppnå oppløsning som kan sammenlignes med GFP-prober. Fokuseringsytelsen til en BLP-sonde avhenger av brytningsindeksen til det omgivende mediet, som er et viktig poeng når du arbeider i et medium med nærliggende eller nærliggende biologiske prøver.

En løsning for å forbedre ytelsen til prober er å bruke flere lysfokuseringselementer, lik utformingen av langtidsvirkende linser. Studier har vist at kombinasjon av mange lysfokuserende elementer gir bedre resultater for mange bildeformål. Prober med flere fokuseringselementer kan oppnå bedre oppløsning med mindre diametre samtidig som de tilbyr større arbeidsavstander uten å ofre oppløsning.

Hvordan forbedrer vi sondene?

I sitt siste arbeid viste forskere ledet av Dr. Karnowski at prober med to fokuselementer som bruker både GRIN-segmenter og sfæriske linser – såkalte GRIN ball lens probes (GBLP) – forbedrer ytelsen til monolitiske fiberoptiske prober betydelig. Deres første modelleringsresultater ble allerede vist på konferanser i 2018 og 2019. GBP-sonder ble sammenlignet med de mest brukte GFP- og BLP-probene og demonstrerte ytelsesfordeler, spesielt for applikasjoner som krever lengre driftsavstander, bedre oppløsning og liten størrelse.

For å intuitivt visualisere sondeytelse, introduserte forskere en ny metode for omfattende visning av simuleringsresultater, som er spesielt nyttig når mer enn to variabler brukes. Analysen av effekten av GRIN-fiberlengde og sfærisk linsestørrelse førte til to interessante konklusjoner: For optimale resultater kan området for GRIN-fiberlengde holdes i området 0,25–0,4 pitchlengde (såkalt pitchlengde); Selv om forsterkningen av arbeidsavstand (WD) ikke er like signifikant for GBLP-prober med høy numerisk blenderåpning, viste forfatterne at samme eller bedre ytelse når det gjelder arbeidsavstand oppnås for et søk med dobbel diameter. I tillegg tilbyr de nye GBLP-probene høyere oppløsning sammenlignet med BLP-sonder.

Konklusjonen i artikkelen er:

Vi har demonstrert potensialet til GBLP-sondedesign for økte arbeidsavstandsapplikasjoner, som er viktig for laterale avbildningsprober, med en sterkt redusert påvirkning av brytningsindeksen til sondeomgivelsene og en betydelig mindre størrelse sammenlignet med BLP- eller GFP-prober. Disse fordelene gjør GBLP-prober til et verktøy som er verdt å vurdere for mange bildebehandlingsapplikasjoner innen biologisk og biomedisinsk forskning, spesielt for prosjekter som krever mikroendoskop.

Kilde:

Institutt for fysisk kjemi ved det polske vitenskapsakademiet

Referanse:

Karnowski, K., et al. (2022) Overlegen bildeytelse av fullfibermikroendoskop med to fokuseringselementer. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.