Микроэндоскопы являются краеугольным камнем современной медицинской диагностики — они позволяют увидеть то, что еще два десятилетия назад мы не могли даже описать. Технология постоянно совершенствуется, и ученые ICTER вносят свой вклад в разработку зондов.

Микроэндоскопы, использующие волоконную оптику, становятся все более важными инструментами визуализации, но они имеют физические ограничения. Они необходимы для приложений, требующих большого рабочего расстояния, высокого разрешения и минимального диаметра зонда. Исследовательская работа под названием «Превосходная визуализация цельноволоконных микроэндоскопов с двумя фокусирующими элементами», подготовленная доктором Каролем Карновски из ICTER, доктором Гавриэль Унтрахт из Датского технического университета (DTU), доктором Майклом Хакманном из Университета. из Западной Австралии (UWA), Онур Четинкая из ICTER и профессор Дэвид Сэмпсон из Университета Суррея проливают новый свет на современные микроэндоскопы. Примечательно, что исследовательская работа началась, когда авторы работали в одной исследовательской группе в УГА.

В нем исследователи показали, что датчики для эндоскопической визуализации, особенно датчики для так называемого бокового обзора, сочетающие волоконно-оптические (GRIN) и сферические линзы, обеспечивают превосходную производительность во всем диапазоне числовых апертур и открывают путь к более широкому диапазону приложения для работы с изображениями. В публикации производительность датчиков эндоскопической визуализации сравнима с обычно используемыми датчиками с одним фокусирующим элементом.

Что такое микроэндоскопы?

Миниатюрные волоконно-оптические зонды или микроэндоскопы позволяют визуализировать микроструктуры тканей глубоко в образце или пациенте. Эндоскопическая оптическая когерентная томография (ОКТ) особенно перспективна. Он подходит для объемной визуализации внешних тканей и внутренней части органов (например, верхних дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта или легочных канальцев).

Можно выделить три основных диапазона волоконно-оптических датчиков. Исследования больших полых органов (например, над верхними дыхательными путями) требуют самых больших диапазонов глубины изображения (до 15 мм или более от поверхности датчика), что обычно может быть достигнуто с помощью гауссовых лучей с низким разрешением (размер пятна в фокус в диапазоне 30-100 мкм). Диапазон среднего разрешения (10–30 мкм) полезен для более широких областей применения, таких как визуализация пищевода, небольших дыхательных путей, кровеносных сосудов, мочевого пузыря, яичников или слухового прохода. Самой большой проблемой является получение лучей с разрешением лучше 10 мкм, что может быть полезно для исследований на животных моделях.

При разработке зонда необходимо помнить о компромиссах конструктивных параметров и их влиянии на качество изображения. Оптические системы с большой числовой апертурой (высокое разрешение), как правило, имеют более короткое рабочее расстояние (РД). Кроме того, при уменьшении диаметра зонда труднее достичь лучшего разрешения и большего рабочего расстояния. Это может быть особенно проблематично для датчиков бокового обзора — требуется большее минимальное рабочее расстояние по сравнению с их аналогами, формирующими переднее изображение. Предположим, зонд заключен в катетер или иглу. В этом случае увеличивается требуемое минимальное рабочее расстояние — во многих случаях это ограничивающий фактор минимально достижимого разрешения или диаметра зонда.

Bluebonnet Nutrition, Зеаксантин плюс лютеин, 60 мягких желатиновых капсул

Стоит отметить, что инженеры обычно заинтересованы в минимизации диаметра зонда, чтобы уменьшить возмущение образца и обеспечить комфорт пациента. Меньший зонд означает более гибкий катетер и, следовательно, лучшую переносимость теста пациентом. Таким образом, одним из лучших решений является использование монолитных волоконно-оптических зондов, диаметр которых ограничен толщиной оптических волокон. Такие датчики отличаются простотой изготовления благодаря технологии сварки оптоволокна, которая позволяет избежать утомительной центровки и склеивания (обычно склеивания) отдельных микрооптических компонентов.

Различные типы микроэндоскопов

Наиболее популярны конструкции волоконно-оптических преобразователей изображения, основанные на двух типах фокусирующих элементов: волоконных зондах GRIN (GFP — GRIN fiber probes) и зондах с шариковыми линзами (BLP — ball Lens probes). Датчики GRIN просты в изготовлении, и их преломляющая способность GRIN не теряется, когда показатель преломления окружающей среды близок к показателю преломления используемого волокна. Коммерчески доступные волокна GRIN ограничивают достижимые конструкции. Высокого разрешения трудно достичь с помощью волокон GRIN с малым диаметром сердцевины.

Для датчиков бокового обзора изогнутая поверхность волокна (и, возможно, катетера) вносит искажения, которые могут неблагоприятно повлиять на качество изображения. Сферические датчики BLP не будут иметь этой проблемы, но часто требуется сфера, превышающая диаметр волокна, для достижения разрешения, сравнимого с датчиками GFP. Фокусирующая способность зонда BLP зависит от показателя преломления окружающей среды, что является важным вопросом при работе в среде с близкими биологическими образцами.

Одним из решений для улучшения характеристик зондов является использование нескольких фокусирующих свет элементов, аналогичных конструкции линз с большим рабочим расстоянием. Исследования показали, что сочетание множества светофокусирующих элементов обеспечивает лучшие результаты для многих целей визуализации. Датчики с несколькими фокусирующими элементами могут достигать лучшего разрешения при меньшем диаметре, обеспечивая при этом большее рабочее расстояние без ущерба для разрешения.

Как мы улучшаем зонды?

В своей последней работе исследователи под руководством доктора Карновски показали, что зонды с двумя фокусирующими элементами, использующие как сегменты GRIN, так и сферические линзы, называемые зондами с шариковыми линзами GRIN (GBLP), значительно улучшают характеристики монолитных волоконно-оптических зондов. Их первые результаты моделирования уже были продемонстрированы на конференциях в 2018 и 2019 годах. Датчики GBP сравнивались с наиболее часто используемыми датчиками GFP и BLP и продемонстрировали преимущества в производительности, особенно для приложений, требующих больших рабочих расстояний, лучшего разрешения и небольшого размера.

Для интуитивно понятной визуализации работы зонда исследователи представили новый способ всестороннего представления результатов моделирования, особенно полезный, когда используется более двух переменных. Анализ влияния длины волокна GRIN и размера сферической линзы привел к двум интересным выводам: для достижения оптимальных результатов диапазон длины волокна GRIN можно удерживать в области 0,25-0,4 шаговой длины (так называемая шаговая длина); даже если прирост рабочего расстояния (WD) не так значителен для зондов GBLP с высокой числовой апертурой, авторы показали, что такая же или лучшая производительность с точки зрения рабочего расстояния достигается для поиска с удвоенным диаметром. Кроме того, новые датчики GBLP обеспечивают более высокое разрешение по сравнению с датчиками BLP.

Заключение газеты гласит:

Мы продемонстрировали потенциал конструкции датчика GBLP для приложений с увеличенным рабочим расстоянием, значительным для датчиков боковой визуализации, с сильно уменьшенным влиянием показателя преломления окружающей среды датчика и значительно меньшим размером по сравнению с датчиками BLP или GFP. Эти преимущества делают зонды GBLP достойным внимания инструментом для многих приложений визуализации в биологических и биомедицинских исследованиях, особенно для проектов, требующих микроэндоскопов.