Mikroendoskope sind die Eckpfeiler der modernen medizinischen Diagnostik – sie lassen uns sehen, was wir vor zwei Jahrzehnten noch nicht einmal beschreiben konnten. Die Technologie wird ständig verbessert, wobei ICTER-Wissenschaftler an der Entwicklung der Sonden mitwirken.
Mikroendoskope mit Faseroptik werden zu immer wichtigeren Bildgebungswerkzeugen, aber sie haben physikalische Einschränkungen. Sie sind unerlässlich für Anwendungen, die einen großen Arbeitsabstand, eine hohe Auflösung und einen minimalen Sondendurchmesser erfordern.
Eine neue Forschungsarbeit von Dr. Karol Karnowski vom ICTER, Dr. Gavrielle Untracht von der Technical University of Denmark (DTU), Dr. Michael Hackmann von der University of Western Australia (UWA), Onur Cetinkaya vom ICTER und Prof. David Sampson von der University of Surrey, wirft ein neues Licht auf moderne Mikroendoskope. Die Forschungsarbeit begann, während die Autoren in derselben Forschungsgruppe an der UWA arbeiteten.
In ihrer Arbeit zeigten die Forscher, dass endoskopische Bildgebungssonden, insbesondere solche für die sogenannte Seitenansicht, die faseroptische (GRIN) und sphärische Linsen kombinieren, eine hervorragende Leistung über den gesamten Bereich der numerischen Aperturen bieten und den Weg zu einem breiteren Bereich öffnen von bildgebenden Anwendungen. In der Veröffentlichung ist die Leistung von endoskopischen Bildgebungssonden mit üblicherweise verwendeten Einzelfokussierelement-Sonden vergleichbar.
Was sind Mikroendoskope?
Faseroptische Miniatursonden oder Mikroendoskope ermöglichen die Abbildung von Gewebemikrostrukturen tief in der Probe oder im Patienten. Besonders vielversprechend ist die endoskopische optische Kohärenztomographie (OCT). Es eignet sich für die volumetrische Bildgebung äußerer Gewebe und des Inneren von Organen (z. B. der oberen Atemwege, des Gastrointestinaltrakts oder der Lungentubuli).
Es können drei Hauptbereiche von faseroptischen Sonden unterschieden werden. Untersuchungen an großen Hohlorganen (z. B. oberhalb der oberen Atemwege) erfordern die größten Abbildungstiefenbereiche (bis zu 15 mm oder mehr von der Sondenoberfläche), die normalerweise mit niedrig aufgelösten Gaußschen Strahlen (Spotgröße in Fokus im Bereich von 30-100 μm).
Der mittlere Auflösungsbereich (10–30 μm) ist hilfreich für breitere Anwendungen, wie z. B. die Bildgebung der Speiseröhre, kleiner Atemwege, Blutgefäße, Blase, Eierstöcke oder des Gehörgangs. Die größte Herausforderung besteht darin, Strahlen mit einer Auflösung von besser als 10 μm zu erhalten, was möglicherweise für Tiermodellstudien hilfreich ist.
Bei der Entwicklung einer Sonde müssen die Kompromisse zwischen den Designparametern und deren Auswirkungen auf die Abbildungsleistung berücksichtigt werden. Optische Systeme mit großer numerischer Apertur (hohe Auflösung) haben tendenziell einen kürzeren Arbeitsabstand (WD). Außerdem sind eine bessere Auflösung und ein längerer Arbeitsabstand schwieriger zu erreichen, wenn der Sondendurchmesser verringert wird.
Dies kann besonders problematisch für Sonden mit seitlicher Betrachtung sein – ein größerer Mindestarbeitsabstand ist im Vergleich zu ihren Gegenstücken zur Vorwärtsbildgebung erforderlich. Angenommen, die Sonde ist in einem Katheter oder einer Nadel eingeschlossen. In diesem Fall erhöht sich der erforderliche minimale Arbeitsabstand – in vielen Fällen ist dies der begrenzende Faktor für die minimal erreichbare Auflösung oder den Sondendurchmesser.
Es ist erwähnenswert, dass Ingenieure normalerweise daran interessiert sind, den Sondendurchmesser zu minimieren, um die Störung der Probe und den Patientenkomfort zu reduzieren. Eine kleinere Sonde bedeutet einen flexibleren Katheter und daher eine bessere Verträglichkeit des Tests durch den Patienten. Daher ist eine der besten Lösungen die Verwendung monolithischer faseroptischer Sonden, deren Durchmesser durch die Dicke der optischen Fasern begrenzt ist.
Solche Sonden zeichnen sich durch eine einfache Herstellung dank faseroptischer Schweißtechnologie aus, die das mühsame Ausrichten und Verbinden (normalerweise Kleben) einzelner mikrooptischer Komponenten vermeidet.
Verschiedene Arten von Mikroendoskopen
Die beliebtesten Konstruktionen von faseroptischen Bildgebungssonden basieren auf zwei Arten von Fokussierelementen: GRIN-Fasersonden (GFP – GRIN-Fasersonden) und Kugellinsensonden (BLP – Kugellinsensonden). GRIN-Sonden sind einfach herzustellen, und ihre GRIN-Brechkraft geht nicht verloren, wenn der Brechungsindex des umgebenden Mediums nahe dem der verwendeten Faser liegt.
Im Handel erhältliche GRIN-Fasern schränken die erreichbaren Designs ein. Eine hohe Auflösung ist mit GRIN-Fasern mit kleinen Kerndurchmessern schwer zu erreichen.
Bei Sonden mit seitlicher Betrachtung führt die gekrümmte Oberfläche der Faser (und möglicherweise des Katheters) zu Verzerrungen, die die Bildqualität beeinträchtigen können. Sphärische BLP-Sonden haben dieses Problem nicht, aber oft ist eine Kugel erforderlich, die größer ist als der Faserdurchmesser, um eine mit GFP-Sonden vergleichbare Auflösung zu erreichen.
Die Fokussierleistung einer BLP-Sonde hängt vom Brechungsindex des umgebenden Mediums ab, was ein wichtiger Punkt ist, wenn in einem Medium mit nahen oder nahen biologischen Proben gearbeitet wird.
Eine Lösung zur Verbesserung der Leistung von Sonden ist die Verwendung mehrerer lichtfokussierender Elemente, ähnlich dem Design von Objektiven mit großem Arbeitsabstand. Studien haben gezeigt, dass die Kombination zahlreicher lichtfokussierender Elemente für viele Bildgebungszwecke bessere Ergebnisse liefert. Sonden mit mehreren Fokussierelementen können mit kleineren Durchmessern eine bessere Auflösung erreichen und bieten gleichzeitig größere Arbeitsabstände ohne Auflösungseinbußen.
Wie verbessern wir die Sonden?
In ihrer neuesten Arbeit haben Forscher unter der Leitung von Dr. Karnowski gezeigt, dass Sonden mit zwei Fokussierelementen, die sowohl GRIN-Segmente als auch sphärische Linsen verwenden – sogenannte GRIN-Kugellinsen-Sonden (GBLP) – die Leistung von monolithischen faseroptischen Sonden erheblich verbessern. Ihre ersten Modellierungsergebnisse wurden bereits 2018 und 2019 auf Konferenzen gezeigt.
GBP-Sonden wurden mit den am häufigsten verwendeten GFP- und BLP-Sonden verglichen und zeigten Leistungsvorteile, insbesondere bei Anwendungen, die längere Betriebsabstände, eine bessere Auflösung und eine geringe Größe erfordern.
Zur intuitiven Visualisierung der Sondenleistung führten die Forscher eine neuartige Methode zur umfassenden Darstellung von Simulationsergebnissen ein, die besonders nützlich ist, wenn mehr als zwei Variablen verwendet werden.
Die Analyse der Wirkung der GRIN-Faserlänge und der sphärischen Linsengröße führte zu zwei interessanten Schlussfolgerungen: Für optimale Ergebnisse kann der Bereich der GRIN-Faserlänge im Bereich von 0,25–0,4 Teilungslänge (sogenannte Teilungslänge) gehalten werden; Auch wenn der Arbeitsabstandsgewinn (WD) für GBLP-Sonden mit hoher numerischer Apertur nicht so signifikant ist, zeigten die Autoren, dass die gleiche oder bessere Leistung in Bezug auf den Arbeitsabstand für eine Suche mit doppeltem Durchmesser erzielt wird. Darüber hinaus bieten die neuartigen GBLP-Sonden im Vergleich zu BLP-Sonden eine höhere Auflösung.
Das Fazit des Papiers lautet:
„Wir haben das Potenzial des GBLP-Sondendesigns für Anwendungen mit vergrößertem Arbeitsabstand demonstriert, was für laterale Bildgebungssonden von Bedeutung ist, mit einem stark reduzierten Einfluss des Brechungsindex der Sondenumgebung und einer deutlich geringeren Größe im Vergleich zu BLP- oder GFP-Sonden. Diese Vorteile machen GBLP-Sonden zu einem erwägenswerten Werkzeug für viele Bildgebungsanwendungen in der biologischen und biomedizinischen Forschung, insbesondere für Projekte, die Mikroendoskope erfordern.“
Die Studie wurde veröffentlicht in IEEE Photonics Journal.
Karol Karnowski et al, Überragende Bildgebungsleistung von Vollfaser-Mikroendoskopen mit zwei Fokussierelementen, IEEE Photonics Journal (2022). DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3203219