چگونه میکروآندوسکوپی را بهبود دهیم؟ طراحی جدید کاوشگر نویدهایی را برای بهبود تصویربرداری زیست پزشکی به ارمغان می آورد

از

برای پروب های دید جانبی، سطح منحنی فیبر (و احتمالاً کاتتر) اعوجاج ایجاد می کند که می تواند بر کیفیت تصویربرداری تأثیر منفی بگذارد. کاوشگرهای کروی BLP این مشکل را نخواهند داشت، اما برای دستیابی به وضوح قابل مقایسه با کاوشگرهای GFP اغلب به یک کره بزرگتر از قطر فیبر نیاز است. قدرت تمرکز یک پروب BLP به ضریب شکست محیط اطراف بستگی دارد، که در هنگام کار در محیطی با نمونه های بیولوژیکی نزدیک یا نزدیک، مسئله مهمی است.

پروب های فیبر نوری مینیاتوری یا میکرو آندوسکوپ ها امکان تصویربرداری از ریزساختارهای بافتی را در عمق نمونه یا بیمار فراهم می کنند. توموگرافی انسجام نوری آندوسکوپی (OCT) به ویژه امیدوارکننده است. برای تصویربرداری حجمی از بافت های خارجی و اندام های داخلی (به عنوان مثال، دستگاه تنفسی فوقانی، دستگاه گوارش، یا لوله های ریه) مناسب است.

شایان ذکر است که مهندسان معمولاً علاقه مند به به حداقل رساندن قطر پروب برای کاهش اختلال در نمونه و راحتی بیمار هستند. پروب کوچکتر به معنای کاتتر انعطاف پذیرتر و در نتیجه تحمل بهتر آزمایش توسط بیمار است. بنابراین، یکی از بهترین راه حل ها، استفاده از پروب های فیبر نوری یکپارچه است که قطر آنها با ضخامت فیبرهای نوری محدود می شود. به لطف فناوری جوشکاری فیبر نوری، که از نیاز به تراز و اتصال (معمولاً چسباندن) تک تک اجزای میکرواپتیکی منفرد، جلوگیری می کند، سهولت ساخت این پروب ها مشخص می شود.

K. Karnowski، G. Untracht، M. Hackmann، O. Cetinkaya و D. Sampson، “عملکرد تصویربرداری برتر از میکروآندوسکوپ های تمام فیبر، دو عنصر متمرکز”، در IEEE Photonics Journal، جلد. 14، شماره 5، ص 1-10، اکتبر 2022، هنر شماره. 7152210، doi: 10.1109/JPHOT.2022.3203219.



منبع

مرجع مجله:

ما پتانسیل طراحی پروب GBLP را برای کاربردهایی با افزایش فاصله کاری، قابل توجه برای پروب های تصویربرداری جانبی، با تأثیر بسیار کاهش یافته ضریب شکست محیط پروب و اندازه قابل توجهی کوچکتر در مقایسه با پروب های BLP یا GFP نشان داده ایم. این مزایا کاوشگرهای GBLP را به ابزاری تبدیل می کند که برای بسیاری از کاربردهای تصویربرداری در تحقیقات بیولوژیکی و زیست پزشکی، به ویژه برای پروژه هایی که نیاز به میکرو آندوسکوپ دارند، ارزش بررسی دارد.

منبع:

هنگام توسعه یک کاوشگر، باید به تغییرات پارامترهای طراحی و تأثیر آنها بر عملکرد تصویربرداری توجه کرد. سیستم‌های نوری با دیافراگم عددی بزرگ (رزولیشن بالا) معمولاً فاصله کاری کوتاه‌تری دارند (WD). علاوه بر این، با کاهش قطر پروب، دستیابی به وضوح بهتر و فاصله کاری طولانی تر دشوارتر است. این می تواند به ویژه برای پروب های دید جانبی مشکل ساز باشد – حداقل فاصله کاری بیشتر در مقایسه با همتایان تصویربرداری رو به جلو آنها مورد نیاز است. فرض کنید پروب در یک کاتتر یا سوزن محصور شده است. در آن صورت، این حداقل فاصله کاری مورد نیاز را افزایش می دهد – در بسیاری از موارد، این عامل محدود کننده در حداقل وضوح قابل دستیابی یا قطر پروب است.

در آن، محققان نشان دادند که کاوشگرهای تصویربرداری آندوسکوپی، به‌ویژه آنهایی که برای به اصطلاح دید جانبی، ترکیبی از فیبر نوری (GRIN) و لنزهای کروی، عملکرد عالی را در کل محدوده دیافراگم‌های عددی ارائه می‌دهند و راه را برای طیف وسیع‌تری از دیافراگم‌ها باز می‌کنند. برنامه های تصویربرداری در این مقاله، عملکرد پروب‌های تصویربرداری آندوسکوپی با پروب‌های تک عنصر فوکوس رایج قابل مقایسه است.

برای تجسم شهودی عملکرد کاوشگر، محققان روش جدیدی را برای ارائه جامع نتایج شبیه‌سازی معرفی کردند، به ویژه زمانی که بیش از دو متغیر استفاده می‌شود. تجزیه و تحلیل اثر طول فیبر GRIN و اندازه لنز کروی به دو نتیجه جالب منجر شد: برای نتایج بهینه، محدوده طول فیبر GRIN را می توان در زمینه طول گام 0.25-0.4 (به اصطلاح طول گام) نگه داشت. حتی اگر بهره فاصله کاری (WD) برای کاوشگرهای GBLP با دیافراگم عددی بالا چندان قابل توجه نباشد، نویسندگان نشان دادند که عملکرد یکسان یا بهتر از نظر فاصله کاری برای جستجو با قطر دو برابر به دست می‌آید. علاوه بر این، پروب‌های جدید GBLP وضوح بالاتری در مقایسه با پروب‌های BLP ارائه می‌دهند.

یک راه حل برای بهبود عملکرد پروب ها، استفاده از چندین عنصر متمرکز کننده نور، مشابه طراحی لنزهایی با فاصله کاری طولانی است. مطالعات نشان داده اند که ترکیب عناصر متعدد با تمرکز نور نتایج بهتری را برای بسیاری از اهداف تصویربرداری ارائه می دهد. پروب هایی با عناصر فوکوس متعدد می توانند وضوح بهتری را با قطرهای کوچکتر به دست آورند در حالی که فواصل کاری طولانی تری را بدون کاهش وضوح ارائه می دهند.

چگونه پروب ها را بهبود دهیم؟

در آخرین کار خود، محققان به رهبری دکتر کارنوفسکی نشان داده‌اند که کاوشگرهایی با دو عنصر فوکوس با استفاده از هر دو بخش GRIN و لنزهای کروی – به نام پروب‌های لنز توپی GRIN (GBLP) – عملکرد پروب‌های فیبر نوری یکپارچه را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشند. اولین نتایج مدل‌سازی آن‌ها قبلاً در کنفرانس‌هایی در سال‌های 2018 و 2019 نشان داده شده است. پروب‌های GBP با رایج‌ترین پروب‌های GFP و BLP مقایسه شدند و مزایای عملکردی را نشان دادند، به‌ویژه برای برنامه‌هایی که نیاز به فواصل عملیاتی طولانی‌تر، وضوح بهتر و اندازه کوچک دارند.

در نتیجه گیری این روزنامه آمده است:

محبوب‌ترین طرح‌های پروب‌های تصویربرداری فیبر نوری بر اساس دو نوع عنصر فوکوس هستند: پروب‌های فیبر GRIN (پروب‌های فیبر GFP – GRIN) و پروب‌های لنز توپی (BLP – پروب‌های لنز توپی). پروب های GRIN به راحتی ساخته می شوند و قدرت انکسار GRIN آنها زمانی که ضریب شکست محیط اطراف نزدیک به الیاف مورد استفاده باشد از بین نمی رود. الیاف GRIN موجود در بازار، طرح های قابل دستیابی را محدود می کند. دستیابی به وضوح بالا با الیاف GRIN با قطر هسته کوچک دشوار است.

انواع مختلف میکروآندوسکوپی

میکروآندوسکوپی چیست؟

سه محدوده اصلی از پروب های فیبر نوری قابل تشخیص است. مطالعات اندام‌های توخالی و بزرگ (مانند آنهایی که در بالای دستگاه تنفسی فوقانی قرار دارند) به بزرگترین محدوده عمق تصویربرداری (تا 15 میلی‌متر یا بیشتر از سطح پروب) نیاز دارند که معمولاً با پرتوهای گاوسی با وضوح پایین (اندازه لکه در تمرکز در محدوده 30-100 میکرومتر). محدوده تفکیک متوسط ​​(30-10 میکرومتر) برای کاربردهای وسیع‌تر مانند تصویربرداری از مری، راه‌های هوایی کوچکتر، رگ‌های خونی، مثانه، تخمدان‌ها یا مجرای گوش مفید است. بزرگترین چالش بدست آوردن پرتوهایی با وضوح بهتر از 10 میکرومتر است که به طور بالقوه برای مطالعات مدل حیوانی مفید است.

موسسه شیمی فیزیک آکادمی علوم لهستان

میکروآندوسکوپ‌هایی که از فیبر نوری استفاده می‌کنند در حال تبدیل شدن به ابزارهای مهم تصویربرداری هستند، اما محدودیت‌های فیزیکی دارند. آنها برای کاربردهایی که نیاز به فاصله کاری طولانی، وضوح بالا و حداقل قطر پروب دارند ضروری هستند. مقاله تحقیقاتی با عنوان “عملکرد تصویربرداری برتر میکروآندوسکوپی های تمام فیبر و دو عنصر متمرکز” توسط دکتر کارول کارنوفسکی از ICTER، دکتر گاوریل اونتراکت از دانشگاه فنی دانمارک (DTU)، دکتر مایکل هاکمن از دانشگاه از استرالیای غربی (UWA)، اونور چتینکایا از ICTER و پروفسور دیوید سامپسون از دانشگاه ساری، نور جدیدی را بر روی میکروآندوسکوپ های مدرن می اندازند. شایان ذکر است که کار پژوهشی زمانی آغاز شد که نویسندگان در همان گروه تحقیقاتی در UWA کار می کردند.

میکروآندوسکوپ‌ها سنگ بنای تشخیص پزشکی مدرن هستند – آنها به ما اجازه می‌دهند آنچه را که دو دهه پیش حتی نمی‌توانستیم توصیف کنیم، ببینیم. این فناوری به طور مداوم در حال بهبود است و دانشمندان ICTER در توسعه کاوشگرها مشارکت دارند.