Nový dizajn sondy sľubuje mnohé zobrazovacie aplikácie v biologickom a biomedicínskom výskume

Nový dizajn sondy sľubuje mnohé zobrazovacie aplikácie v biologickom a biomedicínskom výskume

Mikroendoskopy sú základným kameňom modernej lekárskej diagnostiky – umožňujú nám vidieť to, čo sme pred dvoma desaťročiami ani nevedeli opísať. Technológia sa neustále zlepšuje, pričom k vývoju sond prispievajú vedci ICTER.

Mikroendoskopy z optických vlákien sa stávajú čoraz dôležitejšími zobrazovacími nástrojmi, ale majú fyzikálne obmedzenia. Sú nevyhnutné pre aplikácie, ktoré vyžadujú veľkú pracovnú vzdialenosť, vysoké rozlíšenie a minimálny priemer sondy. Výskumná práca s názvom „Vynikajúci zobrazovací výkon celovláknových mikroendoskopov s dvoma zaostrovacími prvkami“ od Dr. Karola Karnowského z ICTER, Dr. Gavrielle Untracht z Technickej univerzity v Dánsku (DTU), Dr. Michaela Hackmanna z University of Western Australia (UWA), Onura Cetinkaya z ICTER a nového svetla Prof. Suryre University of David Sampson. Je pozoruhodné, že výskum začal, keď autori pracovali v rovnakej výskumnej skupine v UWA.

Vedci v ňom ukázali, že endoskopické zobrazovacie sondy, najmä tie na takzvané bočné pozorovanie, ktoré kombinujú optické vlákna (GRIN) a sférické šošovky, ponúkajú vynikajúci výkon v celom rozsahu numerických apertúr, čím otvárajú cestu k širšej škále zobrazovacích aplikácií. V článku je výkonnosť endoskopických zobrazovacích sond porovnateľná s bežne používanými sondami s jedným zaostrovacím prvkom.

Čo sú mikroendoskopy?

Miniatúrne optické sondy alebo mikroendoskopy umožňujú zobrazenie tkanivových mikroštruktúr hlboko vo vzorke alebo pacientovi. Endoskopická optická koherentná tomografia (OCT) je obzvlášť sľubná. Je vhodný na volumetrické zobrazenie vonkajších tkanív a vnútra orgánov (napr. horné dýchacie cesty, gastrointestinálny trakt alebo pľúcne tubuly).

Možno rozlíšiť tri hlavné oblasti sond z optických vlákien. Štúdie veľkých dutých orgánov (napríklad nad hornými dýchacími cestami) vyžadujú najväčšie rozsahy hĺbky zobrazenia (do 15 mm alebo viac od povrchu sondy), zvyčajne s použitím Gaussových lúčov s nízkym rozlíšením (veľkosť bodu v ohnisku v rozsahu 30-100 μm). Stredný rozsah rozlíšenia (10-30 μm) je užitočný pre širšie aplikácie, ako sú: B. zobrazovanie pažeráka, malých dýchacích ciest, krvných ciev, močového mechúra, vaječníkov alebo zvukovodu. Hlavnou výzvou je získať lúče s rozlíšením lepším ako 10 μm, čo je potenciálne užitočné pre štúdie zvieracích modelov.

Pri vývoji sondy treba zvážiť kompromisy medzi konštrukčnými parametrami a ich vplyvom na zobrazovací výkon. Optické systémy s veľkou numerickou apertúrou (vysoké rozlíšenie) majú tendenciu mať kratšiu pracovnú vzdialenosť (WD). Okrem toho je ťažšie dosiahnuť lepšie rozlíšenie a dlhšiu pracovnú vzdialenosť, keď sa zmenší priemer sondy. To môže byť problematické najmä pri sondách s bočným pohľadom – je potrebná väčšia minimálna pracovná vzdialenosť v porovnaní s ich prednými zobrazovacími náprotivkami. Predpokladajme, že sonda je uzavretá v katétri alebo ihle. V tomto prípade sa požadovaná minimálna pracovná vzdialenosť zvyšuje - v mnohých prípadoch je to limitujúci faktor pre minimálne dosiahnuteľné rozlíšenie alebo priemer sondy.

Stojí za zmienku, že inžinieri sa zvyčajne zaujímajú o minimalizáciu priemeru sondy, aby sa znížilo rušenie vzorky a pohodlie pacienta. Menšia sonda znamená flexibilnejší katéter, a teda lepšiu toleranciu testu pacientom. Preto je jedným z najlepších riešení použitie monolitických optických sond, ktorých priemer je obmedzený hrúbkou optických vlákien. Takéto sondy sa vyznačujú jednoduchou výrobou vďaka technológii zvárania optickými vláknami, ktorá zabraňuje prácnemu zarovnávaniu a spájaniu (zvyčajne lepeniu) jednotlivých mikrooptických komponentov.

Rôzne typy mikroendoskopov

Najpopulárnejšie konštrukcie optických zobrazovacích sond sú založené na dvoch typoch zaostrovacích prvkov: vláknové sondy GRIN (GFP - GRIN vláknové sondy) a sondy s guľôčkovou šošovkou (BLP - guľôčkové šošovky). Sondy GRIN sa ľahko vyrábajú a ich refrakčná sila GRIN sa nestráca, keď je index lomu okolitého média blízky indexu lomu použitého vlákna. Komerčne dostupné vlákna GRIN obmedzujú dizajn, ktorý je možné dosiahnuť. Vysoké rozlíšenie je ťažké dosiahnuť s vláknami GRIN s malým priemerom jadra.

V prípade sond s bočným pohľadom spôsobuje zakrivený povrch vlákna (a možno aj katétra) deformácie, ktoré môžu ovplyvniť kvalitu obrazu. Sférické BLP sondy tento problém nemajú, ale na dosiahnutie rozlíšenia porovnateľného so sondami GFP je často potrebná guľa väčšia ako priemer vlákna. Výkon zaostrovania BLP sondy závisí od indexu lomu okolitého média, čo je dôležitý bod pri práci v médiu s blízkymi alebo blízkymi biologickými vzorkami.

Jedným z riešení na zlepšenie výkonu sond je použitie viacerých prvkov na zaostrenie svetla, podobne ako pri konštrukcii šošoviek na dlhé pracovné vzdialenosti. Štúdie ukázali, že kombinácia mnohých prvkov na zaostrenie svetla poskytuje lepšie výsledky pre mnohé účely zobrazovania. Sondy s viacerými zaostrovacími prvkami môžu dosiahnuť lepšie rozlíšenie s menšími priemermi a zároveň ponúkajú väčšie pracovné vzdialenosti bez obetovania rozlíšenia.

Ako vylepšíme sondy?

Vo svojej najnovšej práci výskumníci pod vedením Dr. Karnowského ukázali, že sondy s dvoma zaostrovacími prvkami, ktoré využívajú segmenty GRIN aj sférické šošovky – takzvané sondy GRIN s guľovou šošovkou (GBLP) – výrazne zlepšujú výkon monolitických sond s optickými vláknami. Ich prvé výsledky modelovania sa ukázali už na konferenciách v rokoch 2018 a 2019. Sondy GBP boli porovnané s najbežnejšie používanými sondami GFP a BLP a preukázali výkonnostné výhody, najmä pre aplikácie vyžadujúce dlhšie prevádzkové vzdialenosti, lepšie rozlíšenie a malú veľkosť.

Na intuitívnu vizualizáciu výkonu sondy výskumníci zaviedli novú metódu komplexného zobrazovania výsledkov simulácie, ktorá je obzvlášť užitočná, keď sa používajú viac ako dve premenné. Analýza vplyvu dĺžky vlákna GRIN a veľkosti sférickej šošovky viedla k dvom zaujímavým záverom: pre optimálne výsledky je možné udržiavať rozsah dĺžky vlákna GRIN v rozmedzí 0,25–0,4 dĺžky rozstupu (tzv. dĺžka rozstupu); Hoci zisk pracovnej vzdialenosti (WD) nie je taký významný pre sondy GBLP s vysokou numerickou apertúrou, autori ukázali, že rovnaký alebo lepší výkon, pokiaľ ide o pracovnú vzdialenosť, sa dosiahne pri vyhľadávaní s dvojitým priemerom. Okrem toho nové GBLP sondy ponúkajú vyššie rozlíšenie v porovnaní so sondami BLP.

Záver príspevku je:

Preukázali sme potenciál konštrukcie GBLP sondy pre aplikácie so zvýšenou pracovnou vzdialenosťou, čo je dôležité pre laterálne zobrazovacie sondy, s výrazne zníženým vplyvom indexu lomu okolia sondy a výrazne menšou veľkosťou v porovnaní so sondami BLP alebo GFP. Tieto výhody robia zo sond GBLP nástroj, ktorý stojí za zváženie pre mnohé zobrazovacie aplikácie v biologickom a biomedicínskom výskume, najmä pre projekty vyžadujúce mikroendoskopy.

Zdroj:

Ústav fyzikálnej chémie Poľskej akadémie vied

Referencia:

Karnowski, K., a kol. (2022) Vynikajúci zobrazovací výkon plnovláknových mikroendoskopov s dvoma zaostrovacími prvkami. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.