新的探针设计有望改善生物医学成像

显微内窥镜是现代医学诊断的基石——它们让我们能够看到二十年前我们甚至无法描述的东西。该技术在不断改进，ICTER科学家为探针的开发做出了贡献。

使用光纤的显微内窥镜正成为越来越重要的成像工具，但它们具有物理限制。它们对于需要长工作距离、高分辨率和最小探头直径的应用至关重要。

ICTER的KarolKarnowski博士、丹麦技术大学(DTU)的GavrielleUntracht博士、西澳大利亚大学(UWA)的MichaelHackmann博士、ICTER的OnurCetinkaya和DavidSampson教授的新研究论文萨里大学为现代显微内窥镜提供了新的思路。当作者在西澳大学的同一个研究小组工作时，研究工作就开始了。

在他们的论文中，研究人员表明，内窥镜成像探头，特别是那些用于所谓的侧视的探头，结合了光纤(GRIN)和球面透镜，在整个数值孔径范围内提供了出色的性能，并为更广泛的范围开辟了道路的成像应用。在该出版物中，内窥镜成像探头的性能与常用的单聚焦元件探头相当。

什么是显微内窥镜?

微型光纤探头或微型内窥镜允许对深入样本或患者的组织微结构进行成像。内窥镜光学相干断层扫描(OCT)特别有前景。它适用于外部组织和器官内部(例如，上呼吸道、胃肠道或肺小管)的体积成像。

可以区分三种主要的光纤探头范围。对大型中空器官(如上呼吸道以上的器官)的研究需要最大的成像深度范围(距探头表面15毫米或更多)，这通常可以通过低分辨率高斯光束(光斑尺寸为聚焦在30-100μm的范围内)。

中等分辨率范围(10-30μm)有助于更广泛的应用，例如对食道、较小的气道、血管、膀胱、卵巢或耳道进行成像。最大的挑战是获得分辨率优于10μm的光束，这可能有助于动物模型研究。

在开发探头时，必须注意设计参数的权衡及其对成像性能的影响。具有大数值孔径(高分辨率)的光学系统往往具有更短的工作距离(WD)。此外，随着探头直径的减小，更难以实现更好的分辨率和更长的工作距离。

这对于侧视探头来说尤其成问题——与前向成像探头相比，需要更大的最小工作距离。假设探头装在导管或针头中。在这种情况下，这会增加所需的最小工作距离——在许多情况下，这是可实现的最小分辨率或探头直径的限制因素。

值得注意的是，工程师通常对最小化探头直径感兴趣，以减少对样品的干扰和患者的舒适度。更小的探头意味着更灵活的导管，因此患者对测试的耐受性更好。因此，最好的解决方案之一是使用单片光纤探头，其直径受光纤厚度的限制。

这种探头的特点是易于制造，这要归功于光纤焊接技术，这避免了对单个微光学组件进行繁琐的对齐和粘合(通常是胶合)的需要。

不同类型的显微内窥镜

最流行的光纤成像探头设计基于两种聚焦元件：GRIN光纤探头(GFP-GRIN光纤探头)和球透镜探头(BLP-balllensprobe)。GRIN探头易于制作，当周围介质的折射率接近所用光纤的折射率时，它们的GRIN屈光力不会丢失。

市售的GRIN光纤限制了可实现的设计。使用小芯径的GRIN光纤很难实现高分辨率。

对于横向观察探头，光纤(可能还有导管)的曲面会引入失真，从而对成像质量产生不利影响。球形BLP探头不会有这个问题，但通常需要比光纤直径更大的球体才能达到与GFP探头相当的分辨率。

BLP探针的聚焦能力取决于周围介质的折射率，当在靠近或靠近生物样本的介质中工作时，这是一个重要问题。

提高探头性能的一种解决方案是使用多个光聚焦元件，类似于具有长工作距离的透镜的设计。研究表明，结合大量聚光元件可为许多成像目的提供更好的结果。具有多个聚焦元件的探头可以在不牺牲分辨率的情况下以更小的直径实现更好的分辨率，同时提供更长的工作距离。

我们如何改进探针?

在他们的最新工作中，由Karnowski博士领导的研究人员表明，具有两个聚焦元件的探头同时使用GRIN段和球面透镜——称为GRIN球透镜探头(GBLP)——显着提高了单片光纤探头的性能。他们的第一个建模结果已经在2018年和2019年的会议上展示。

GBP探头与最常用的GFP和BLP探头进行了比较，显示出性能优势，特别是对于需要更长操作距离、更高分辨率和小尺寸的应用。

为了直观地可视化探针性能，研究人员引入了一种全面呈现模拟结果的新方法，这在使用两个以上变量时特别有用。

对GRIN光纤长度和球面透镜尺寸的影响分析得出两个有趣的结论：为了获得最佳结果，GRIN光纤长度的范围可以保持在0.25-0.4节距长度(所谓的节距长度)的范围内;即使对于具有高数值孔径的GBLP探针，工作距离(WD)增益不是那么显着，但作者表明，对于两倍直径的搜索，在工作距离方面可以获得相同或更好的性能。此外，与BLP探针相比，新型GBLP探针提供了更高的分辨率。

论文的结论是：

“我们已经展示了GBLP探针设计在工作距离增加的应用中的潜力，这对于横向成像探针具有重要意义，与BLP或GFP探针相比，探针环境折射率的影响大大降低，并且尺寸明显更小。这些优势使GBLP探针成为生物和生物医学研究中许多成像应用值得考虑的工具，特别是对于需要微型内窥镜的项目。”

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