新的探针设计有望在生物和生物医学研究中实现许多成像应用

新的探针设计有望在生物和生物医学研究中实现许多成像应用

显微内窥镜是现代医学诊断的基石——它们使我们能够看到二十年前甚至无法描述的东西。 ICTER 科学家为探测器的开发做出了贡献，该技术正在不断改进。

光纤显微内窥镜正成为越来越重要的成像工具，但它们具有物理局限性。 它们对于需要长工作距离、高分辨率和最小探头直径的应用至关重要。 ICTER 的 Karol Karnowski 博士、丹麦技术大学 (DTU) 的 Gavrielle Untracht 博士、西澳大利亚大学 (UWA) 的 Michael Hackmann 博士、ICTER 的 Onur Cetinkaya 和萨里大学的 David Sampson 教授共同完成了题为“全光纤双聚焦元件微内窥镜的卓越成像性能”的研究工作，为现代研究提供了新的视角。 显微内窥镜。 值得注意的是，这项研究是在作者在西澳大学同一研究小组工作时开始的。

研究人员在报告中表明，内窥镜成像探头，特别是那些结合了光纤（GRIN）和球面透镜的所谓侧视探头，在整个数值孔径范围内提供出色的性能，为更广泛的成像应用开辟了道路。 在本文中，内窥镜成像探头的性能与常用的单聚焦元件探头相当。

什么是显微内窥镜？

微型光纤探头或显微内窥镜能够对样本或患者深处的组织微观结构进行成像。 内窥镜光学相干断层扫描（OCT）尤其有前途。 它适用于外部组织和器官内部（例如上呼吸道、胃肠道或肺小管）的体积成像。

光纤探头可分为三个主要区域。 对大型中空器官（例如上呼吸道上方）的研究需要最大的成像深度范围（距探头表面达 15 毫米或以上），通常使用低分辨率高斯光束（焦点光斑尺寸在 30-100 μm 范围内）。 中等分辨率范围 (10-30 μm) 可用于更广泛的应用，例如： B. 对食道、小气道、血管、膀胱、卵巢或耳道进行成像。 主要挑战是获得分辨率优于 10 μm 的光束，这对于动物模型研究可能有用。

开发探头时，必须考虑设计参数及其对成像性能的影响之间的权衡。 大数值孔径（高分辨率）光学系统往往具有较短的工作距离（WD）。 此外，当探头直径减小时，更难以实现更好的分辨率和更长的工作距离。 这对于侧视探头来说尤其成问题——与前向成像探头相比，需要更大的最小工作距离。 假设探头封装在导管或针中。 在这种情况下，所需的最小工作距离会增加 - 在许多情况下，这是可实现的最小分辨率或探头直径的限制因素。

值得注意的是，工程师通常对最小化探头直径感兴趣，以减少样品干扰和患者舒适度。 更小的探头意味着更灵活的导管，因此患者对测试的耐受性更好。 因此，最好的解决方案之一是使用单片光纤探头，其直径受到光纤厚度的限制。 此类探头的特点是易于制造，这得益于光纤焊接技术，避免了各个微光学组件的费力对准和连接（通常是粘合）。

不同类型的显微内窥镜

最流行的光纤成像探头设计基于两种类型的聚焦元件：GRIN 光纤探头（GFP - GRIN 光纤探头）和球透镜探头（BLP - 球透镜探头）。 GRIN 探头易于制造，并且当周围介质的折射率接近所用光纤的折射率时，其 GRIN 折光力不会损失。 市售的 GRIN 光纤限制了可实现的设计。 使用小纤芯直径的梯度折射率光纤很难实现高分辨率。

对于侧视探头，光纤（可能还有导管）的弯曲表面会产生扭曲，从而影响图像质量。 球形 BLP 探针不存在此问题，但通常需要比光纤直径更大的球体才能实现与 GFP 探针相当的分辨率。 BLP 探头的聚焦性能取决于周围介质的折射率，当在靠近或附近生物样本的介质中工作时，这一点很重要。

提高探头性能的一种解决方案是使用多个聚光元件，类似于长工作距离镜头的设计。 研究表明，结合多个聚光元件可以为许多成像目的带来更好的结果。 具有多个聚焦元件的探头可以通过更小的直径实现更好的分辨率，同时在不牺牲分辨率的情况下提供更大的工作距离。

我们如何改进探针？

在他们的最新工作中，由 Karnowski 博士领导的研究人员表明，具有两个使用 GRIN 段和球面透镜的聚焦元件的探针 - 所谓的 GRIN 球透镜探针 (GBLP) - 显着提高了单片光纤探针的性能。 他们的第一个建模结果已在 2018 年和 2019 年的会议上展示。GBP 探针与最常用的 GFP 和 BLP 探针进行了比较，并展示了性能优势，特别是对于需要更长操作距离、更好分辨率和小尺寸的应用。

为了直观地可视化探针性能，研究人员引入了一种全面显示模拟结果的新方法，这在使用两个以上变量时特别有用。 对GRIN光纤长度和球面透镜尺寸影响的分析得出了两个有趣的结论：为了获得最佳结果，GRIN光纤长度的范围可以保持在0.25-0.4节距长度（所谓的节距长度）范围内； 尽管工作距离 (WD) 增益对于高数值孔径 GBLP 探头而言并不那么重要，但作者表明，双直径搜索在工作距离方面实现了相同或更好的性能。 此外，与 BLP 探针相比，新型 GBLP 探针具有更高的分辨率。

论文的结论是：

我们已经展示了 GBLP 探头设计在增加工作距离应用方面的潜力，这对于横向成像探头非常重要，与 BLP 或 GFP 探头相比，大大减少了探头周围环境折射率的影响，并且尺寸明显更小。 这些优点使 GBLP 探针成为生物和生物医学研究中许多成像应用值得考虑的工具，特别是需要显微内窥镜的项目。

来源：

波兰科学院物理化学研究所

参考：

卡诺夫斯基，K.，等人。 (2022) 具有两个聚焦元件的全光纤显微内窥镜的卓越成像性能。 IEEE 光子学杂志。 doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3203219 。

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