新的探針設(shè)計有望改善生物醫(yī)學成像

顯微內(nèi)窺鏡是現(xiàn)代醫(yī)學診斷的基石——它們讓我們能夠看到二十年前我們甚至無法描述的東西。該技術(shù)在不斷改進，ICTER科學家為探針的開發(fā)做出了貢獻。

使用光纖的顯微內(nèi)窺鏡正成為越來越重要的成像工具，但它們具有物理限制。它們對于需要長工作距離、高分辨率和最小探頭直徑的應(yīng)用至關(guān)重要。

ICTER的KarolKarnowski博士、丹麥技術(shù)大學(DTU)的GavrielleUntracht博士、西澳大利亞大學(UWA)的MichaelHackmann博士、ICTER的OnurCetinkaya和DavidSampson教授的新研究論文薩里大學為現(xiàn)代顯微內(nèi)窺鏡提供了新的思路。當作者在西澳大學的同一個研究小組工作時，研究工作就開始了。

在他們的論文中，研究人員表明，內(nèi)窺鏡成像探頭，特別是那些用于所謂的側(cè)視的探頭，結(jié)合了光纖(GRIN)和球面透鏡，在整個數(shù)值孔徑范圍內(nèi)提供了出色的性能，并為更廣泛的范圍開辟了道路的成像應(yīng)用。在該出版物中，內(nèi)窺鏡成像探頭的性能與常用的單聚焦元件探頭相當。

什么是顯微內(nèi)窺鏡?

微型光纖探頭或微型內(nèi)窺鏡允許對深入樣本或患者的組織微結(jié)構(gòu)進行成像。內(nèi)窺鏡光學相干斷層掃描(OCT)特別有前景。它適用于外部組織和器官內(nèi)部(例如，上呼吸道、胃腸道或肺小管)的體積成像。

可以區(qū)分三種主要的光纖探頭范圍。對大型中空器官(如上呼吸道以上的器官)的研究需要最大的成像深度范圍(距探頭表面15毫米或更多)，這通?？梢酝ㄟ^低分辨率高斯光束(光斑尺寸為聚焦在30-100μm的范圍內(nèi))。

中等分辨率范圍(10-30μm)有助于更廣泛的應(yīng)用，例如對食道、較小的氣道、血管、膀胱、卵巢或耳道進行成像。最大的挑戰(zhàn)是獲得分辨率優(yōu)于10μm的光束，這可能有助于動物模型研究。

在開發(fā)探頭時，必須注意設(shè)計參數(shù)的權(quán)衡及其對成像性能的影響。具有大數(shù)值孔徑(高分辨率)的光學系統(tǒng)往往具有更短的工作距離(WD)。此外，隨著探頭直徑的減小，更難以實現(xiàn)更好的分辨率和更長的工作距離。

這對于側(cè)視探頭來說尤其成問題——與前向成像探頭相比，需要更大的最小工作距離。假設(shè)探頭裝在導管或針頭中。在這種情況下，這會增加所需的最小工作距離——在許多情況下，這是可實現(xiàn)的最小分辨率或探頭直徑的限制因素。

值得注意的是，工程師通常對最小化探頭直徑感興趣，以減少對樣品的干擾和患者的舒適度。更小的探頭意味著更靈活的導管，因此患者對測試的耐受性更好。因此，最好的解決方案之一是使用單片光纖探頭，其直徑受光纖厚度的限制。

這種探頭的特點是易于制造，這要歸功于光纖焊接技術(shù)，這避免了對單個微光學組件進行繁瑣的對齊和粘合(通常是膠合)的需要。

不同類型的顯微內(nèi)窺鏡

最流行的光纖成像探頭設(shè)計基于兩種聚焦元件：GRIN光纖探頭(GFP-GRIN光纖探頭)和球透鏡探頭(BLP-balllensprobe)。GRIN探頭易于制作，當周圍介質(zhì)的折射率接近所用光纖的折射率時，它們的GRIN屈光力不會丟失。

市售的GRIN光纖限制了可實現(xiàn)的設(shè)計。使用小芯徑的GRIN光纖很難實現(xiàn)高分辨率。

對于橫向觀察探頭，光纖(可能還有導管)的曲面會引入失真，從而對成像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。球形BLP探頭不會有這個問題，但通常需要比光纖直徑更大的球體才能達到與GFP探頭相當?shù)姆直媛省?/p>

BLP探針的聚焦能力取決于周圍介質(zhì)的折射率，當在靠近或靠近生物樣本的介質(zhì)中工作時，這是一個重要問題。

提高探頭性能的一種解決方案是使用多個光聚焦元件，類似于具有長工作距離的透鏡的設(shè)計。研究表明，結(jié)合大量聚光元件可為許多成像目的提供更好的結(jié)果。具有多個聚焦元件的探頭可以在不犧牲分辨率的情況下以更小的直徑實現(xiàn)更好的分辨率，同時提供更長的工作距離。

我們?nèi)绾胃倪M探針?

在他們的最新工作中，由Karnowski博士領(lǐng)導的研究人員表明，具有兩個聚焦元件的探頭同時使用GRIN段和球面透鏡——稱為GRIN球透鏡探頭(GBLP)——顯著提高了單片光纖探頭的性能。他們的第一個建模結(jié)果已經(jīng)在2018年和2019年的會議上展示。

GBP探頭與最常用的GFP和BLP探頭進行了比較，顯示出性能優(yōu)勢，特別是對于需要更長操作距離、更高分辨率和小尺寸的應(yīng)用。

為了直觀地可視化探針性能，研究人員引入了一種全面呈現(xiàn)模擬結(jié)果的新方法，這在使用兩個以上變量時特別有用。

對GRIN光纖長度和球面透鏡尺寸的影響分析得出兩個有趣的結(jié)論：為了獲得最佳結(jié)果，GRIN光纖長度的范圍可以保持在0.25-0.4節(jié)距長度(所謂的節(jié)距長度)的范圍內(nèi);即使對于具有高數(shù)值孔徑的GBLP探針，工作距離(WD)增益不是那么顯著，但作者表明，對于兩倍直徑的搜索，在工作距離方面可以獲得相同或更好的性能。此外，與BLP探針相比，新型GBLP探針提供了更高的分辨率。

論文的結(jié)論是：

“我們已經(jīng)展示了GBLP探針設(shè)計在工作距離增加的應(yīng)用中的潛力，這對于橫向成像探針具有重要意義，與BLP或GFP探針相比，探針環(huán)境折射率的影響大大降低，并且尺寸明顯更小。這些優(yōu)勢使GBLP探針成為生物和生物醫(yī)學研究中許多成像應(yīng)用值得考慮的工具，特別是對于需要微型內(nèi)窺鏡的項目。”

標簽：