Nova zasnova sonde obljublja številne aplikacije za slikanje v bioloških in biomedicinskih raziskavah

Nova zasnova sonde obljublja številne aplikacije za slikanje v bioloških in biomedicinskih raziskavah

Mikroendoskopi so temelj sodobne medicinske diagnostike – z njimi lahko vidimo tisto, česar pred dvema desetletjema nismo mogli niti opisati. Tehnologija se nenehno izboljšuje, znanstveniki ICTER pa prispevajo k razvoju sond.

Mikroendoskopi z optičnimi vlakni postajajo vse bolj pomembna orodja za slikanje, vendar imajo fizične omejitve. Bistveni so za aplikacije, ki zahtevajo veliko delovno razdaljo, visoko ločljivost in najmanjši premer sonde. Raziskovalno delo z naslovom »Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes« dr. Karol Karnowski z ICTER, dr. Gavrielle Untracht s Tehnične univerze na Danskem (DTU), dr. Michael Hackmann z Univerze Zahodne Avstralije (UWA), Onur Cetinkaya z ICTER in prof. David Sampson z Univerze v Surreyju je razkrilo novo luč. na sodobnih mikroendoskopih. Omeniti velja, da se je raziskava začela, ko so avtorji delali v isti raziskovalni skupini na UWA.

V njem so raziskovalci pokazali, da endoskopske slikovne sonde, zlasti tiste za tako imenovani stranski pogled, ki združujejo optična vlakna (GRIN) in sferične leče, ponujajo odlično zmogljivost v celotnem razponu numeričnih odprtin, kar odpira pot do širšega spektra slikovnih aplikacij. V prispevku je učinkovitost endoskopskih slikovnih sond primerljiva s pogosto uporabljenimi sondami z enim fokusnim elementom.

Kaj so mikroendoskopi?

Miniaturne sonde z optičnimi vlakni ali mikroendoskopi omogočajo slikanje tkivnih mikrostruktur globoko v vzorcu ali bolniku. Posebno obetavna je endoskopska optična koherentna tomografija (OCT). Primeren je za volumetrično slikanje zunanjih tkiv in notranjosti organov (npr. zgornjih dihalnih poti, prebavil ali pljučnih tubulov).

Ločimo lahko tri glavna področja sond iz optičnih vlaken. Študije velikih votlih organov (npr. nad zgornjim dihalnim traktom) zahtevajo največje obsege globine slikanja (do 15 mm ali več od površine sonde), običajno z uporabo Gaussovih žarkov z nizko ločljivostjo (velikost žarišča v območju 30–100 μm). Srednje območje ločljivosti (10–30 μm) je uporabno za širše aplikacije, kot so: B. slikanje požiralnika, malih dihalnih poti, krvnih žil, mehurja, jajčnikov ali ušesnega kanala. Glavni izziv je pridobiti žarke z ločljivostjo, boljšo od 10 μm, kar je potencialno uporabno za študije na živalskih modelih.

Pri razvoju sonde je treba upoštevati kompromise med konstrukcijskimi parametri in njihovim vplivom na zmogljivost slikanja. Optični sistemi z veliko numerično aperturo (visoka ločljivost) imajo običajno krajšo delovno razdaljo (WD). Poleg tega je boljšo ločljivost in daljšo delovno razdaljo težje doseči, če se premer sonde zmanjša. To je lahko še posebej problematično za sonde s stranskim gledanjem – potrebna je večja najmanjša delovna razdalja v primerjavi z njihovimi primerki za slikanje naprej. Recimo, da je sonda zaprta v kateter ali iglo. V tem primeru se zahtevana najmanjša delovna razdalja poveča - v mnogih primerih je to omejevalni faktor za najmanjšo dosegljivo ločljivost ali premer sonde.

Treba je omeniti, da inženirje običajno zanima zmanjšanje premera sonde na najmanjšo možno mero, da se zmanjšajo motnje vzorca in udobje pacienta. Manjša sonda pomeni bolj fleksibilen kateter in s tem boljšo toleranco bolnika na test. Zato je ena najboljših rešitev uporaba monolitnih optičnih sond, katerih premer je omejen z debelino optičnih vlaken. Za takšne sonde je značilna enostavna izdelava zahvaljujoč tehnologiji varjenja optičnih vlaken, ki se izogne ​​težavnemu poravnavanju in povezovanju (običajno lepljenju) posameznih mikrooptičnih komponent.

Različne vrste mikroendoskopov

Najbolj priljubljene zasnove slikovnih sond z optičnimi vlakni temeljijo na dveh vrstah elementov za fokusiranje: sonde z vlakni GRIN (GFP - GRIN fiber probes) in sonde s kroglično lečo (BLP - ball lens probes). Sonde GRIN je enostavno izdelati in njihova lomna moč GRIN se ne izgubi, ko je lomni količnik okoliškega medija blizu tistemu uporabljenega vlakna. Komercialno dostopna vlakna GRIN omejujejo dizajne, ki jih je mogoče doseči. Visoko ločljivost je težko doseči z vlakni GRIN z majhnimi premeri jedra.

Pri sondah s stranskim pogledom ukrivljena površina vlakna (in morda katetra) povzroča popačenja, ki lahko vplivajo na kakovost slike. Sferične sonde BLP nimajo te težave, vendar je pogosto potrebna krogla, ki je večja od premera vlakna, da se doseže ločljivost, primerljiva s sondami GFP. Učinkovitost ostrenja sonde BLP je odvisna od lomnega količnika okoliškega medija, kar je pomembna točka pri delu v mediju z bližnjimi ali bližnjimi biološkimi vzorci.

Ena od rešitev za izboljšanje učinkovitosti sond je uporaba več elementov za ostrenje svetlobe, podobno zasnovi leč za dolgo delovno razdaljo. Študije so pokazale, da kombinacija številnih elementov za ostrenje svetlobe daje boljše rezultate za številne namene slikanja. Sonde z več elementi za fokusiranje lahko dosežejo boljšo ločljivost z manjšimi premeri, hkrati pa ponujajo večje delovne razdalje brez žrtvovanja ločljivosti.

Kako izboljšamo sonde?

V svojem najnovejšem delu so raziskovalci, ki jih vodi dr. Karnowski, pokazali, da sonde z dvema fokusiranima elementoma, ki uporabljajo segmente GRIN in sferične leče – tako imenovane sonde s kroglično lečo GRIN (GBLP) – znatno izboljšajo delovanje monolitnih sond iz optičnih vlaken. Njihovi prvi rezultati modeliranja so bili že prikazani na konferencah v letih 2018 in 2019. Sonde GBP so primerjali z najpogosteje uporabljenimi sondami GFP in BLP ter pokazale prednosti zmogljivosti, zlasti za aplikacije, ki zahtevajo daljše razdalje delovanja, boljšo ločljivost in majhnost.

Za intuitivno vizualizacijo delovanja sonde so raziskovalci uvedli novo metodo za izčrpen prikaz rezultatov simulacije, ki je še posebej uporabna pri uporabi več kot dveh spremenljivk. Analiza vpliva dolžine vlakna GRIN in velikosti sferične leče je privedla do dveh zanimivih zaključkov: za optimalne rezultate je mogoče razpon dolžine vlakna GRIN ohraniti v območju 0,25–0,4 dolžine koraka (tako imenovana dolžina koraka); Čeprav pridobitev delovne razdalje (WD) ni tako pomembna za sonde GBLP z visoko numerično aperturo, so avtorji pokazali, da je enaka ali boljša zmogljivost v smislu delovne razdalje dosežena pri iskanju z dvojnim premerom. Poleg tega ponujajo nove sonde GBLP višjo ločljivost v primerjavi s sondami BLP.

Zaključek prispevka je:

Pokazali smo potencial zasnove sonde GBLP za aplikacije s povečano delovno razdaljo, kar je pomembno za sonde za stransko slikanje, z močno zmanjšanim vplivom lomnega količnika okolice sonde in bistveno manjšo velikostjo v primerjavi s sondami BLP ali GFP. Zaradi teh prednosti so sonde GBLP orodje, ki ga je vredno upoštevati pri številnih aplikacijah za slikanje v bioloških in biomedicinskih raziskavah, zlasti pri projektih, ki zahtevajo mikroendoskope.

Vir:

Inštitut za fizikalno kemijo Poljske akademije znanosti

Referenca:

Karnowski, K., et al. (2022) Vrhunska slikovna zmogljivost mikroendoskopov s polnimi vlakni in dvema elementoma za fokusiranje. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.