Comment améliorer les microendoscopes ? La nouvelle conception de la sonde promet d’améliorer l’imagerie biomédicale

Les microendoscopes sont la pierre angulaire des diagnostics médicaux modernes – ils nous permettent de voir ce que nous ne pouvions même pas décrire il y a deux décennies. La technologie s’améliore constamment, les scientifiques de l’ICTER contribuant au développement des sondes.

Les microendoscopes utilisant des fibres optiques deviennent des outils d’imagerie de plus en plus importants, mais ils ont des limites physiques. Ils sont essentiels pour les applications nécessitant une longue distance de travail, une haute résolution et un diamètre de sonde minimum. Le document de recherche intitulé “Performance d’imagerie supérieure des microendoscopes à deux éléments à fibre optique”, par le Dr Karol Karnowski de l’ICTER, le Dr Gavrielle Untracht de l’Université technique du Danemark (DTU), le Dr Michael Hackmann de l’Université de l’Australie-Occidentale (UWA), Onur Cetinkaya de l’ICTER et le professeur David Sampson de l’Université de Surrey, jette un nouvel éclairage sur les microendoscopes modernes. Il est à noter que les travaux de recherche ont commencé alors que les auteurs travaillaient dans le même groupe de recherche à l’UWA.

Les chercheurs y ont montré que les sondes d’imagerie endoscopique, notamment celles à visée dite latérale, associant fibres optiques (GRIN) et lentilles sphériques, offrent d’excellentes performances sur toute la plage d’ouvertures numériques et ouvrent la voie à une plus large gamme d’ouvertures. applications d’imagerie. Dans la publication, les performances des sondes d’imagerie endoscopique sont comparables à celles des sondes à élément de focalisation unique couramment utilisées.

Que sont les microendoscopes ?

Les sondes à fibre optique miniatures, ou micro-endoscopes, permettent l’imagerie des microstructures tissulaires profondément dans l’échantillon ou le patient. La tomographie par cohérence optique endoscopique (OCT) est particulièrement prometteuse. Il convient à l’imagerie volumétrique des tissus externes et de l’intérieur des organes (par exemple, les voies respiratoires supérieures, le tractus gastro-intestinal ou les tubules pulmonaires).

Trois gammes principales de sondes à fibre optique peuvent être distinguées. Les études de gros organes creux (tels que ceux situés au-dessus des voies respiratoires supérieures) nécessitent les plus grandes plages de profondeur d’imagerie (jusqu’à 15 mm ou plus de la surface de la sonde), ce qui peut généralement être obtenu avec des faisceaux gaussiens à faible résolution (taille du spot en mise au point dans la plage de 30 à 100 μm). La plage de résolution intermédiaire (10-30 μm) est utile pour des applications plus larges, telles que l’imagerie de l’œsophage, des voies respiratoires plus petites, des vaisseaux sanguins, de la vessie, des ovaires ou du conduit auditif. Le plus grand défi est d’obtenir des faisceaux avec une résolution meilleure que 10 μm, potentiellement utile pour les études de modèles animaux.

Lors du développement d’une sonde, il faut être attentif aux compromis des paramètres de conception et à leur impact sur les performances d’imagerie. Les systèmes optiques à grande ouverture numérique (haute résolution) ont tendance à avoir une distance de travail (WD) plus courte. De plus, une meilleure résolution et une distance de travail plus longue sont plus difficiles à obtenir car le diamètre de la sonde est réduit. Cela peut être particulièrement problématique pour les sondes à vision latérale – une distance de travail minimale plus grande est requise par rapport à leurs homologues d’imagerie avant. Supposons que la sonde soit enfermée dans un cathéter ou une aiguille. Dans ce cas, cela augmente la distance de travail minimale requise – dans de nombreux cas, c’est le facteur limitant de la résolution minimale réalisable ou du diamètre de la sonde.

Il convient de noter que les ingénieurs sont généralement intéressés à minimiser le diamètre de la sonde pour réduire les perturbations de l’échantillon et le confort du patient. Une sonde plus petite signifie un cathéter plus souple et donc une meilleure tolérance du test par le patient. Ainsi, une des meilleures solutions consiste à utiliser des sondes à fibres optiques monolithiques, dont le diamètre est limité par l’épaisseur des fibres optiques. Ces sondes se caractérisent par leur facilité de fabrication, grâce à la technologie de soudage par fibre optique, qui évite le besoin d’un alignement et d’un collage fastidieux (généralement le collage) de composants micro-optiques individuels.

Différents types de microendoscopes

Les conceptions les plus populaires de sondes d’imagerie à fibre optique sont celles basées sur deux types d’éléments de focalisation : les sondes à fibre GRIN (GFP – sondes à fibre GRIN) et les sondes à lentille sphérique (BLP – sondes à lentille sphérique). Les sondes GRIN sont faciles à fabriquer, et leur pouvoir de réfraction GRIN n’est pas perdu lorsque l’indice de réfraction du milieu environnant est proche de celui de la fibre utilisée. Les fibres GRIN disponibles dans le commerce limitent les conceptions réalisables. La haute résolution est difficile à obtenir avec les fibres GRIN à petit diamètre de cœur.

Pour les sondes de visualisation latérale, la surface incurvée de la fibre (et potentiellement du cathéter) introduit une distorsion qui peut nuire à la qualité de l’imagerie. Les sondes BLP sphériques n’auront pas ce problème, mais une sphère plus grande que le diamètre de la fibre est souvent nécessaire pour obtenir une résolution comparable aux sondes GFP. La puissance de focalisation d’une sonde BLP dépend de l’indice de réfraction du milieu environnant, ce qui est un problème important lorsque l’on travaille dans un milieu avec des échantillons biologiques proches ou proches.

Une solution pour améliorer les performances des sondes consiste à utiliser plusieurs éléments de focalisation de la lumière, similaires à la conception des lentilles à longue distance de travail. Des études ont montré que la combinaison de nombreux éléments de focalisation de la lumière fournit de meilleurs résultats à de nombreuses fins d’imagerie. Les sondes avec plusieurs éléments de focalisation peuvent atteindre une meilleure résolution avec des diamètres plus petits tout en offrant des distances de travail plus longues sans sacrifier la résolution.

Comment améliorer les sondes ?

Dans leurs derniers travaux, les chercheurs dirigés par le Dr Karnowski ont montré que les sondes à deux éléments de focalisation utilisant à la fois des segments GRIN et des lentilles sphériques – appelées sondes GRIN-ball-lens (GBLP) – améliorent considérablement les performances des sondes à fibre optique monolithiques. Leurs premiers résultats de modélisation ont déjà été présentés lors de conférences en 2018 et 2019. Les sondes GBP ont été comparées aux sondes GFP et BLP les plus couramment utilisées et ont montré des avantages en termes de performances, en particulier pour les applications nécessitant des distances de fonctionnement plus longues, une meilleure résolution et une petite taille.

Pour une visualisation intuitive des performances de la sonde, les chercheurs ont introduit une nouvelle façon de présenter de manière exhaustive les résultats de simulation, particulièrement utile lorsque plus de deux variables sont utilisées. L’analyse de l’effet de la longueur de la fibre GRIN et de la taille de la lentille sphérique a conduit à deux conclusions intéressantes : pour des résultats optimaux, la plage de longueur de la fibre GRIN peut être maintenue dans le domaine de 0,25 à 0,4 longueur de pas (dite longueur de pas) ; même si le gain de distance de travail (WD) n’est pas si important pour les sondes GBLP à grande ouverture numérique, les auteurs ont montré que des performances identiques ou meilleures en termes de distance de travail sont obtenues pour une recherche avec deux fois le diamètre. De plus, les nouvelles sondes GBLP offrent une résolution plus élevée par rapport aux sondes BLP.

La conclusion de l’article se lit comme suit :

Nous avons démontré le potentiel de la conception des sondes GBLP pour des applications avec une distance de travail accrue, significative pour les sondes d’imagerie latérale, avec un impact très réduit de l’indice de réfraction de l’environnement de la sonde et une taille significativement plus petite par rapport aux sondes BLP ou GFP. Ces avantages font des sondes GBLP un outil à considérer pour de nombreuses applications d’imagerie dans la recherche biologique et biomédicale, en particulier pour les projets nécessitant des micro-endoscopes.