Mikroendoskopy to podstawa współczesnej diagnostyki medycznej – pozwalają nam zobaczyć to, czego nie potrafiliśmy opisać dwie dekady temu. Technologia jest stale ulepszana, a naukowcy z ICTER przyczyniają się do rozwoju sond.
Mikroendoskopy wykorzystujące światłowody stają się coraz ważniejszymi narzędziami obrazowania, ale mają ograniczenia fizyczne. Są niezbędne w zastosowaniach wymagających dużej odległości roboczej, wysokiej rozdzielczości i minimalnej średnicy sondy. Artykuł naukowy pt. „Doskonała wydajność obrazowania mikroendoskopów wykonanych w całości z włókna, z dwoma elementami ogniskującymi”, autorstwa dr. Karol Karnowski z ICTER, dr. Gavrielle Untracht z Politechniki Danii (DTU), dr. Michael Hackmann z University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya z ICTER oraz prof. David Sampson z University of Surrey rzuca nowe światło na nowoczesne mikroendoskopy. Warto zauważyć, że prace badawcze rozpoczęły się w czasie, gdy autorzy pracowali w tej samej grupie badawczej na UWA.
Naukowcy wykazali w nim, że sondy do obrazowania endoskopowego, szczególnie te do tzw. widoku bocznego, łączące światłowody (GRIN) i soczewki sferyczne, oferują doskonałą wydajność w całym zakresie apertur numerycznych i torują drogę do szerszego zakresu zastosowań .. obrazu. W publikacji wydajność sond do obrazowania endoskopowego jest porównywalna z powszechnie stosowanymi sondami z elementem jednoogniskowym.
Czym są mikroendoskopy?
Miniaturowe sondy światłowodowe lub mikroendoskopy umożliwiają obrazowanie mikrostruktur tkankowych w głąb próbki lub pacjenta. Szczególnie obiecująca jest endoskopowa optyczna tomografia koherencyjna (OCT). Nadaje się do wolumetrycznego obrazowania tkanek zewnętrznych oraz wnętrza narządów (np. górnych dróg oddechowych, przewodu pokarmowego, kanalików płucnych).
Można wyróżnić trzy główne zakresy sond światłowodowych. Badania dużych, pustych narządów (takich jak te nad górnymi drogami oddechowymi) wymagają najszerszych zakresów głębokości obrazowania (do 15 mm lub więcej od powierzchni sondy), co zwykle można osiągnąć za pomocą wiązek Gaussa o niskiej rozdzielczości (rozmiar punkt skupienia w zakresie 30-100 μm). Pośredni zakres rozdzielczości (10-30 μm) jest przydatny w szerszych zastosowaniach, takich jak obrazowanie przełyku, mniejszych dróg oddechowych, naczyń krwionośnych, pęcherza moczowego, jajników lub przewodu słuchowego. Największym wyzwaniem jest uzyskanie wiązek o rozdzielczości większej niż 10 μm, potencjalnie przydatnych do badań na modelach zwierzęcych.
Podczas opracowywania sondy należy zwrócić uwagę na kompromisy parametrów projektowych i ich wpływ na wydajność obrazu. Systemy optyczne o dużej aperturze numerycznej (wysoka rozdzielczość) mają zwykle krótszą odległość roboczą (WD). Ponadto lepsza rozdzielczość i większa odległość robocza są trudniejsze do osiągnięcia, ponieważ średnica sondy jest zmniejszona. Może to być szczególnie problematyczne w przypadku sond z widokiem z boku – wymagana jest dłuższa minimalna odległość robocza w porównaniu do ich przednich odpowiedników. Załóżmy, że sonda jest owinięta cewnikiem lub igłą. W takim przypadku zwiększa to minimalną wymaganą odległość roboczą – w wielu przypadkach jest to czynnik ograniczający minimalną osiągalną rozdzielczość lub średnicę sondy.
Warto zauważyć, że inżynierowie są często zainteresowani minimalizacją średnicy sondy w celu zmniejszenia zakłóceń próbki i komfortu pacjenta. Mniejsza sonda oznacza bardziej elastyczny cewnik, a tym samym lepszą tolerancję testu przez pacjenta. Dlatego jednym z najlepszych rozwiązań jest zastosowanie monolitycznych sond światłowodowych, których średnica jest ograniczona grubością włókien światłowodowych. Sondy takie charakteryzują się łatwością wykonania, dzięki technologii zgrzewania światłowodów, co pozwala uniknąć żmudnego ustawiania i klejenia (najczęściej klejenia) poszczególnych elementów mikrooptycznych.
Różne rodzaje mikroendoskopów
Najpopularniejszymi konstrukcjami światłowodowych sond obrazujących są te oparte na dwóch rodzajach elementów ogniskujących: światłowodowych sondach GRIN (GFP – fiber GRIN probes) oraz sondach do soczewek sferycznych (BLP – spherical lens probes). Sondy GRIN są łatwe do wykonania, a ich moc refrakcyjna GRIN nie jest tracona, gdy współczynnik załamania otaczającego medium jest zbliżony do zastosowanego światłowodu. Dostępne na rynku włókna GRIN ograniczają osiągalne projekty. Wysoka rozdzielczość jest trudna do osiągnięcia w przypadku włókien GRIN o małych średnicach rdzenia.
W przypadku sond widzenia bocznego zakrzywiona powierzchnia włókna (i potencjalnie cewnika) wprowadza zniekształcenia, które mogą niekorzystnie wpływać na jakość obrazu. Sondy kulkowe BLP nie będą miały tego problemu, ale zwykle wymagana jest kulka większa niż średnica włókna, aby uzyskać rozdzielczość porównywalną z sondami GFP. Moc ogniskowania sondy BLP zależy od współczynnika załamania otaczającego medium, co jest istotną kwestią podczas pracy w medium z blisko lub blisko próbek biologicznych.
Jednym z rozwiązań poprawiających wydajność sond jest zastosowanie wielu elementów skupiających światło, podobnych do konstrukcji soczewek o dużej odległości roboczej. Badania wykazały, że połączenie wielu elementów skupiających światło zapewnia lepsze wyniki w wielu celach obrazowania. Sondy z wieloma elementami ogniskującymi mogą osiągnąć lepszą rozdzielczość przy mniejszych średnicach, oferując dłuższe odległości robocze bez poświęcania rozdzielczości.
Jak możemy ulepszyć sondy?
W swojej najnowszej pracy naukowcy pod kierunkiem dr. Karnowski wykazał, że sondy z dwoma elementami ogniskującymi wykorzystujące segmenty GRIN i soczewki sferyczne – zwane sondami GRIN-ball-lens (GBLP) – znacznie poprawiają wydajność monolitycznych sond światłowodowych. Jego pierwsze wyniki modelowania zostały już pokazane na konferencjach w 2018 i 2019 roku. Sondy GBP zostały porównane z najczęściej używanymi sondami GFP i BLP i wykazały korzyści w zakresie wydajności, szczególnie w zastosowaniach wymagających dłuższych odległości roboczych, lepszej rozdzielczości i małych rozmiarów.
W celu intuicyjnej wizualizacji wydajności sondy naukowcy wprowadzili nowy sposób kompleksowego prezentowania wyników symulacji, szczególnie przydatny w przypadku użycia więcej niż dwóch zmiennych. Analiza wpływu długości włókien GRIN i rozmiaru soczewki sferycznej doprowadziła do dwóch interesujących wniosków: dla najlepszych wyników zakres długości włókien GRIN można utrzymać w zakresie długości skoku 0,25-0,4 (tzw. długość kroku); chociaż wzmocnienie odległości roboczej (WD) nie jest tak znaczące dla sond GBLP o dużej aperturze numerycznej, autorzy wykazali, że takie same lub lepsze wyniki w zakresie odległości roboczej uzyskuje się dla poszukiwań o dwukrotnie większej średnicy. Ponadto nowe sondy GBLP oferują wyższą rozdzielczość w porównaniu z sondami BLP.
W podsumowaniu gazety czytamy:
Pokazujemy potencjał projektu sondy GBLP do zastosowań o zwiększonej odległości roboczej, istotnej dla sond obrazowania bocznego, przy znacznie zmniejszonym wpływie współczynnika załamania światła otoczenia sondy i znacznie mniejszym rozmiarze w porównaniu z sondami BLP lub GFP. Te zalety sprawiają, że sondy GBLP są warte rozważenia w wielu zastosowaniach obrazowania w badaniach biologicznych i biomedycznych, szczególnie w projektach wymagających mikroendoskopów.
Autor komunikatu prasowego: Marcin Powęska
Uwaga: Pierwsze wyniki modelowania „GrIN-ball-lens probes (GBLP)” zostały już pokazane na konferencjach 2018 i 2019:
– Karol Karnowski, Gavrielle R. Untracht, Michael J. Hackmann, Mingze Yang, Onur Cetinkaya, David D. Sampson, „Wszechstronna, pełnowłóknowa sonda do obrazowania widoku z boku do zastosowań w tomografii koherentnej opartej na cewniku”, Photonics West, São Paulo Francisco, USA, luty 2019, prezentacja ustna;
– K. Karnowski, G. Untracht, M. Hackmann, M. Yang, O. Cetinkaya i DD Sampson, „Wszechstronne, monolityczne sondy obrazowania do OCT opartego na cewniku”, 15th Conference on Optics Within Life Sciences, Rottnest Island, Australia, Listopad 2018, prezentacja plakatowa.
Zespół odpowiedzialny za te wyniki rozpoczął pracę na University of Western Australia (UWA), a obecnie prace zostały zakończone w następujących instytucjach: Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk oraz University of Surrey, jeden z autorów pozostając tylko na UWA.
Cytowany artykuł: K. Karnowski, G. Untracht, M. Hackmann, O. Cetinkaya i D. Sampson, „Superior Imaging Performance of All-Fiber, Two-Focusing-Element Microendoscopes”, w IEEE Photonics Journal, tom. 14, nie. 5, s. 1-10 października 2022, art. 7152210, doi: 10.1109/JPHOT.2022.3203219.
Projekt Międzynarodowe Centrum Badań Translacyjnych Oka (MAB/2019/12) realizowany jest przez Instytut Chemii Fizycznej PAN w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unii w ramach Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.
Źródło finansowania:
Narodowa Agencja Wymiany Akademickiej (NAWA) w ramach Programu Polskich Powrotów
Uniwersytet Australii Zachodniej IPRS
Nagroda za rangę funduszu Covid
Australijska Rada ds. Badań Naukowych
Uniwersytet w Surrey
