La nouvelle conception de la sonde est prometteuse pour de nombreuses applications d’imagerie dans la recherche biologique et biomédicale

Les microendoscopes sont la pierre angulaire du diagnostic médical moderne : ils nous permettent de voir ce que nous ne pouvions même pas décrire il y a deux décennies. La technologie s’améliore constamment et les scientifiques de l’ICTER contribuent 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 « Superior Imaging Performance of All-Fiber Two-Focus Element Microendoscopes » 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 d’Australie occidentale (UWA), Onur Cetinkaya de l’ICTER et le professeur David Sampson de l’Université de Surrey, jettent 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.

Dans ce document, les chercheurs ont démontré que les sondes d’imagerie endoscopique, en particulier celles pour la vision dite latérale, qui combinent la fibre optique (GRIN) et les lentilles sphériques, offrent d’excellentes performances sur toute la gamme d’ouvertures numériques et ouvrent la voie à une gamme plus large de applications d’imagerie. Dans la publication, les performances des sondes d’imagerie endoscopique sont comparables à celles des sondes à élément à focalisation unique couramment utilisées.

Que sont les microendoscopes ?

Les sondes miniatures à fibre optique, ou microendoscopes, permettent l’imagerie des microstructures tissulaires au plus profond de l’échantillon ou du patient. La tomographie par cohérence optique endoscopique (OCT) est particulièrement prometteuse. Il convient à l’imagerie volumétrique des tissus externes et des organes internes (par exemple, voies respiratoires supérieures, tractus gastro-intestinal ou tubules pulmonaires).

Trois gammes principales de sondes à fibre optique peuvent être distinguées. Les études de grands organes creux (tels que ceux 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 (point focalisé taille dans la gamme 30-100 µm). La plage de résolution intermédiaire (10-30 μm) est utile pour les applications plus importantes 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 supérieure à 10 μm, potentiellement utiles pour des études dans des modèles animaux.

Lors du développement d’une sonde, il faut tenir compte des compromis des paramètres de conception et de 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 plus grande distance de travail minimale est requise par rapport à leurs homologues à imagerie frontale. Supposons que la sonde est 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 souvent intéressés à minimiser le diamètre de la sonde pour réduire la perturbation de l’échantillon et le confort du patient. Une sonde plus petite signifie un cathéter plus souple et donc une meilleure tolérance au test par le patient. Ainsi, une des meilleures solutions est d’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) des composants micro-optiques individuels.

Différents types de microendoscopes

Les conceptions de sondes d’imagerie à fibre optique les plus populaires sont 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. Une résolution élevée est difficile à obtenir avec des fibres GRIN avec de petits diamètres de cœur.

Pour les sondes à vision latérale, la surface incurvée de la fibre (et potentiellement du cathéter) introduit une distorsion qui peut affecter négativement la qualité de l’image. 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. Le pouvoir 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 des segments GRIN et des lentilles sphériques, appelées sondes GRIN-ball-lens (GBLP), améliorent significativement les performances des sondes monolithiques à fibre optique. 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 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 holistique 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 la plage de 0,25 à 0, 4 longueur de foulée (dite longueur de foulée) ; même si le gain de distance de travail (WD) n’est pas aussi important pour les sondes GBLP à grande ouverture numérique, les auteurs ont démontré que des performances de distance de travail identiques ou meilleures sont obtenues pour une recherche avec un diamètre double. De plus, les nouvelles sondes GBLP offrent une résolution plus élevée par rapport aux sondes BLP.

La conclusion du document se lit comme suit :

Nous avons démontré le potentiel de la conception de la sonde GBLP pour les applications à plus longue distance de travail, importantes pour les sondes d’imagerie latérale, avec un impact fortement réduit sur l’indice de réfraction de l’environnement de la sonde et une taille nettement plus petite par rapport aux sondes d’imagerie conventionnelles 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 microendoscopes.