Den nya sonddesignen lovar många avbildningstillämpningar inom biologisk och biomedicinsk forskning

Den nya sonddesignen lovar många avbildningstillämpningar inom biologisk och biomedicinsk forskning

Mikroendoskop är hörnstenen i modern medicinsk diagnostik – de låter oss se vad vi inte ens kunde beskriva för två decennier sedan. Tekniken förbättras ständigt, med ICTER-forskare som bidrar till utvecklingen av sonderna.

Fiberoptiska mikroendoskop blir allt viktigare bildverktyg, men de har fysiska begränsningar. De är viktiga för applikationer som kräver ett långt arbetsavstånd, hög upplösning och en minimal sonddiameter. Forskningsarbetet med titeln "Superior imaging performance of all-fiber, two-focusing-element microendoscopes" av Dr Karol Karnowski från ICTER, Dr Gavrielle Untracht från Danmarks Tekniska Universitet (DTU), Dr Michael Hackmann från University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya från ICTER från ICTER och Prof. David Sampsons nya mikroskop från University of Surreyen och Prof. David Sampsons nya mikroskop. Det är anmärkningsvärt att forskningen började medan författarna arbetade i samma forskargrupp vid UWA.

I den visade forskarna att endoskopiska avbildningssonder, särskilt de för så kallad sidovisning, som kombinerar fiberoptiska (GRIN) och sfäriska linser, erbjuder utmärkta prestanda över hela utbudet av numeriska bländare, vilket öppnar vägen för ett bredare utbud av bildtillämpningar. I uppsatsen är prestandan hos endoskopiska avbildningssonder jämförbar med vanligt använda prober med enstaka fokuserande element.

Vad är mikroendoskop?

Miniatyrfiberoptiska prober eller mikroendoskop möjliggör avbildning av vävnadsmikrostrukturer djupt inuti provet eller patienten. Endoskopisk optisk koherenstomografi (OCT) är särskilt lovande. Den är lämplig för volymetrisk avbildning av yttre vävnader och det inre av organ (t.ex. de övre luftvägarna, mag-tarmkanalen eller lungtubuli).

Tre huvudområden av fiberoptiska sonder kan särskiljas. Studier av stora ihåliga organ (t.ex. ovanför de övre luftvägarna) kräver de största avbildningsdjupområdena (upp till 15 mm eller mer från sondens yta), vanligtvis med lågupplösta gaussiska strålar (punktstorlek i fokus i området 30-100 μm). Det medelhöga upplösningsintervallet (10-30 μm) är användbart för bredare tillämpningar som: B. avbildning av matstrupen, små luftvägar, blodkärl, urinblåsa, äggstockar eller hörselgången. Den största utmaningen är att få strålar med en upplösning bättre än 10 μm, vilket är potentiellt användbart för djurmodellstudier.

När man utvecklar en sond måste kompromisserna mellan designparametrar och deras inverkan på bildprestanda beaktas. Optiska system med stor numerisk bländare (hög upplösning) tenderar att ha ett kortare arbetsavstånd (WD). Dessutom är bättre upplösning och längre arbetsavstånd svårare att uppnå när sondens diameter minskas. Detta kan vara särskilt problematiskt för sidoprober – ett större minsta arbetsavstånd krävs jämfört med deras motsvarigheter för framåtbildande. Antag att sonden är innesluten i en kateter eller nål. I det här fallet ökar det erforderliga minsta arbetsavståndet - i många fall är detta den begränsande faktorn för minsta möjliga upplösning eller sonddiameter.

Det är värt att notera att ingenjörer vanligtvis är intresserade av att minimera sondens diameter för att minska provavbrott och patientkomfort. En mindre sond innebär en mer flexibel kateter och därför bättre patienttolerans för testet. Därför är en av de bästa lösningarna att använda monolitiska fiberoptiska sonder vars diameter begränsas av de optiska fibrernas tjocklek. Sådana sonder kännetecknas av enkel tillverkning tack vare fiberoptisk svetsteknik, som undviker den mödosamma inriktningen och anslutningen (vanligtvis limning) av enskilda mikrooptiska komponenter.

Olika typer av mikroendoskop

De mest populära designerna för fiberoptiska avbildningsprober är baserade på två typer av fokuseringselement: GRIN fibersonder (GFP - GRIN fibersonder) och kullinssonder (BLP - kullinssonder). GRIN-sonder är lätta att tillverka och deras GRIN-brytningsförmåga går inte förlorad när brytningsindexet för det omgivande mediet är nära det för den använda fibern. Kommersiellt tillgängliga GRIN-fibrer begränsar designen som kan uppnås. Hög upplösning är svår att uppnå med GRIN-fibrer med små kärndiametrar.

För sidoprober introducerar den krökta ytan på fibern (och eventuellt katetern) förvrängningar som kan påverka bildkvaliteten. Sfäriska BLP-sonder har inte detta problem, men en sfär som är större än fiberdiametern krävs ofta för att uppnå en upplösning som är jämförbar med GFP-sonder. Fokuseringsprestandan hos en BLP-sond beror på det omgivande mediets brytningsindex, vilket är en viktig punkt när man arbetar i ett medium med nära eller närliggande biologiska prover.

En lösning för att förbättra probernas prestanda är att använda flera ljusfokuserande element, liknande designen av långa arbetsavståndslinser. Studier har visat att en kombination av många ljusfokuserande element ger bättre resultat för många bildbehandlingsändamål. Prober med flera fokuseringselement kan uppnå bättre upplösning med mindre diametrar samtidigt som de erbjuder större arbetsavstånd utan att offra upplösning.

Hur förbättrar vi sonderna?

I sitt senaste arbete visade forskare under ledning av Dr Karnowski att sonder med två fokuselement som använder både GRIN-segment och sfäriska linser - så kallade GRIN-kullinssonder (GBLP) - avsevärt förbättrar prestandan hos monolitiska fiberoptiska sonder. Deras första modelleringsresultat visades redan vid konferenser 2018 och 2019. GBP-sonder jämfördes med de vanligaste GFP- och BLP-sonderna och visade prestandafördelar, särskilt för applikationer som kräver längre arbetsavstånd, bättre upplösning och liten storlek.

För att intuitivt visualisera sondens prestanda, introducerade forskare en ny metod för att heltäckande visa simuleringsresultat, vilket är särskilt användbart när mer än två variabler används. Analysen av effekten av GRIN-fiberlängd och sfärisk linsstorlek ledde till två intressanta slutsatser: för optimala resultat kan intervallet för GRIN-fiberlängd hållas i intervallet 0,25–0,4 pitchlängd (så kallad pitchlängd); Även om arbetsavståndsförstärkningen (WD) inte är lika signifikant för GBLP-sonder med hög numerisk apertur, visade författarna att samma eller bättre prestanda när det gäller arbetsavstånd uppnås för en dubbeldiametersökning. Dessutom erbjuder de nya GBLP-sonderna högre upplösning jämfört med BLP-sonderna.

Slutsatsen av uppsatsen är:

Vi har visat potentialen hos GBLP-sonddesign för ökade arbetsavståndstillämpningar, vilket är viktigt för laterala avbildningssonder, med ett kraftigt minskat inflytande av brytningsindex för sondens omgivning och en betydligt mindre storlek jämfört med BLP- eller GFP-sonder. Dessa fördelar gör GBLP-sonder till ett verktyg som är värt att överväga för många avbildningstillämpningar inom biologisk och biomedicinsk forskning, särskilt för projekt som kräver mikroendoskop.

Källa:

Institutet för fysikalisk kemi vid den polska vetenskapsakademin

Hänvisning:

Karnowski, K., et al. (2022) Överlägsen bildprestanda för helfibermikroendoskop med två fokuselement. IEEE Photonics Journal. doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219.

.