Nowa konstrukcja sondy zapewnia wiele zastosowań w obrazowaniu w badaniach biologicznych i biomedycznych

Nowa konstrukcja sondy zapewnia wiele zastosowań w obrazowaniu w badaniach biologicznych i biomedycznych

Mikroendoskopy to podstawa współczesnej diagnostyki medycznej – pozwalają zobaczyć to, czego jeszcze dwie dekady temu nie potrafiliśmy opisać. Technologia jest stale udoskonalana, a naukowcy z ICTER przyczyniają się do rozwoju sond.

Mikroendoskopy światłowodowe stają się coraz ważniejszymi narzędziami obrazowania, mają jednak ograniczenia fizyczne. Są niezbędne w zastosowaniach wymagających dużej odległości roboczej, wysokiej rozdzielczości i minimalnej średnicy sondy. Nowe światło na współczesne mikroendoskopy rzuciły prace badawcze zatytułowane „Superior Imaging Performance of all-fiber, two-focusing-element microendographs” autorstwa dr Karola Karnowskiego z ICTER, dr Gavrielle Untracht z Politechniki Duńskiej (DTU), dr Michaela Hackmanna z Uniwersytetu Australii Zachodniej (UWA), Onura Cetinkayi z ICTER i prof. Davida Sampsona z Uniwersytetu w Surrey. Warto zauważyć, że badania rozpoczęły się w czasie, gdy autorzy pracowali w tej samej grupie badawczej na UWA.

Naukowcy wykazali w nim, że endoskopowe sondy obrazowe, szczególnie te do tzw. bocznej obserwacji, które łączą soczewki światłowodowe (GRIN) i sferyczne, zapewniają doskonałą wydajność w całym zakresie apertur numerycznych, otwierając drogę do szerszego zakresu zastosowań obrazowania. W artykule wydajność endoskopowych sond obrazowych jest porównywalna z powszechnie stosowanymi sondami z pojedynczym elementem ogniskującym.

Czym są mikroendoskopy?

Miniaturowe sondy światłowodowe lub mikroendoskopy umożliwiają obrazowanie mikrostruktur tkanek głęboko w próbce lub pacjencie. Szczególnie obiecująca jest endoskopowa optyczna tomografia koherentna (OCT). Nadaje się do obrazowania wolumetrycznego tkanek zewnętrznych i wnętrz narządów (np. górnych dróg oddechowych, przewodu pokarmowego czy kanalików płucnych).

Można wyróżnić trzy główne obszary zastosowań sond światłowodowych. Badania dużych narządów pustych (np. nad górnymi drogami oddechowymi) wymagają największych zakresów głębokości obrazowania (do 15 mm i więcej od powierzchni sondy), zwykle z wykorzystaniem wiązek Gaussa o niskiej rozdzielczości (wielkość ogniskowej plamki w zakresie 30-100 µm). Średni zakres rozdzielczości (10-30 µm) jest przydatny w szerszych zastosowaniach, takich jak: B. obrazowanie przełyku, małych dróg oddechowych, naczyń krwionośnych, pęcherza moczowego, jajników czy przewodu słuchowego. Głównym wyzwaniem jest uzyskanie wiązek o rozdzielczości lepszej niż 10 µm, co jest potencjalnie przydatne w badaniach na modelach zwierzęcych.

Podczas opracowywania sondy należy wziąć pod uwagę kompromisy między parametrami projektowymi a ich wpływem na wydajność obrazowania. Układy optyczne o dużej aperturze numerycznej (wysokiej rozdzielczości) mają zwykle krótszą odległość roboczą (WD). Dodatkowo, lepsza rozdzielczość i większa odległość robocza są trudniejsze do osiągnięcia, gdy średnica sondy jest zmniejszona. Może to być szczególnie problematyczne w przypadku sond bocznych – wymagana jest większa minimalna odległość robocza w porównaniu z ich odpowiednikami do obrazowania do przodu. Załóżmy, że sonda jest zamknięta w cewniku lub igle. Zwiększa się w tym przypadku wymagana minimalna odległość robocza – w wielu przypadkach jest to czynnik ograniczający minimalną osiągalną rozdzielczość lub średnicę sondy.

Warto zauważyć, że inżynierowie są zwykle zainteresowani minimalizacją średnicy sondy, aby zmniejszyć zakłócenia próbki i komfort pacjenta. Mniejsza sonda oznacza bardziej elastyczny cewnik, a co za tym idzie, lepszą tolerancję badania przez pacjenta. Dlatego jednym z najlepszych rozwiązań jest zastosowanie monolitycznych sond światłowodowych, których średnica jest ograniczona grubością włókien optycznych. Sondy takie charakteryzują się łatwością wykonania dzięki technologii spawania światłowodowego, która pozwala uniknąć pracochłonnego ustawiania i łączenia (najczęściej klejenia) poszczególnych elementów mikrooptycznych.

Różne typy mikroendoskopów

Najpopularniejsze konstrukcje światłowodowych sond obrazujących opierają się na dwóch rodzajach elementów ogniskujących: sondach światłowodowych GRIN (GFP – GRIN fibre Proces) oraz sondach z soczewką kulkową (BLP – ball Lens Proces). Sondy GRIN są łatwe w produkcji, a ich moc refrakcyjna GRIN nie ulega utracie, gdy współczynnik załamania otaczającego ośrodka jest zbliżony do współczynnika załamania światła użytego włókna. Dostępne na rynku włókna GRIN ograniczają projekty, które można uzyskać. Wysoka rozdzielczość jest trudna do osiągnięcia w przypadku włókien GRIN o małych średnicach rdzenia.

W przypadku sond bocznych zakrzywiona powierzchnia światłowodu (i prawdopodobnie cewnika) wprowadza zniekształcenia, które mogą mieć wpływ na jakość obrazu. Sferyczne sondy BLP nie mają tego problemu, ale często wymagana jest kula większa niż średnica włókna, aby uzyskać rozdzielczość porównywalną z sondami GFP. Skuteczność ogniskowania sondy BLP zależy od współczynnika załamania światła otaczającego ośrodka, co jest ważnym punktem podczas pracy w ośrodku z bliskimi lub pobliskimi próbkami biologicznymi.

Jednym z rozwiązań poprawiających wydajność sond jest zastosowanie wielu elementów skupiających światło, podobnie jak w przypadku soczewek o dużej odległości roboczej. Badania wykazały, że połączenie wielu elementów skupiających światło daje lepsze wyniki w wielu zastosowaniach obrazowych. Sondy z wieloma elementami ogniskującymi mogą osiągnąć lepszą rozdzielczość przy mniejszych średnicach, oferując jednocześnie większe odległości robocze bez utraty rozdzielczości.

Jak ulepszyć sondy?

W swojej najnowszej pracy badacze pod kierunkiem dr Karnowskiego wykazali, że sondy z dwoma elementami ogniskującymi, wykorzystujące zarówno segmenty GRIN, jak i soczewki sferyczne – tzw. sondy z soczewką kulkową GRIN (GBLP) – znacząco poprawiają wydajność monolitycznych sond światłowodowych. Ich pierwsze wyniki modelowania zostały już zaprezentowane na konferencjach w latach 2018 i 2019. Sondy GBP porównano z najczęściej używanymi sondami GFP i BLP i wykazano przewagę wydajności, szczególnie w zastosowaniach wymagających większych odległości działania, lepszej rozdzielczości i małych rozmiarów.

Aby intuicyjnie wizualizować działanie sondy, badacze wprowadzili nowatorską metodę kompleksowego wyświetlania wyników symulacji, która jest szczególnie przydatna w przypadku użycia więcej niż dwóch zmiennych. Analiza wpływu długości włókna GRIN i wielkości soczewki sferycznej doprowadziła do dwóch interesujących wniosków: w celu uzyskania optymalnych wyników zakres długości włókna GRIN można utrzymać w zakresie 0,25–0,4 długości podziałowej (tzw. długość podziałowa); Chociaż wzmocnienie odległości roboczej (WD) nie jest tak znaczące w przypadku sond GBLP o dużej aperturze numerycznej, autorzy wykazali, że taką samą lub lepszą wydajność pod względem odległości roboczej osiąga się w przypadku wyszukiwania o podwójnej średnicy. Ponadto nowatorskie sondy GBLP oferują wyższą rozdzielczość w porównaniu z sondami BLP.

Konkluzja artykułu jest następująca:

Wykazaliśmy potencjał konstrukcji sondy GBLP do zastosowań ze zwiększoną odległością roboczą, co jest ważne w przypadku bocznych sond obrazowych, przy znacznie zmniejszonym wpływie współczynnika załamania światła otoczenia sondy i znacznie mniejszym rozmiarze w porównaniu z sondami BLP lub GFP. Te zalety sprawiają, że sondy GBLP są narzędziem wartym rozważenia w wielu zastosowaniach obrazowania w badaniach biologicznych i biomedycznych, szczególnie w projektach wymagających mikroendoskopów.

Źródło:

Instytut Chemii Fizycznej PAN

Odniesienie:

Karnowski, K. i in. (2022) Doskonała jakość obrazowania mikroendoskopów pełnowłóknowych z dwoma elementami skupiającymi. Dziennik fotoniki IEEE. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.