Un gruppo di ricerca coordinato nell’ambito dell’Università di Stoccarda ha sviluppato un sistema ottico miniaturizzato che combina illuminazione e microscopia all’interno di un unico endoscopio in fibra, con dimensioni nell’ordine di mezzo millimetro. Il lavoro affronta uno dei problemi più complessi nella progettazione degli endoscopi ultracompatti: riuscire a portare luce sul campione e, nello stesso tempo, raccogliere un’immagine sufficientemente nitida senza dover affiancare fibre, lenti e canali ottici separati.
Il prototipo utilizza micro-ottiche realizzate mediante stampa 3D multiphoton e integrate direttamente alle estremità di un fascio coerente di fibre ottiche. Nella parte frontale, quella destinata a entrare nella cavità da osservare, il componente monolitico stampato in 3D raggiunge un diametro di circa 550 micrometri e riunisce in una sola struttura il sistema di imaging, le guide ottiche per l’illuminazione e gli elementi necessari a lavorare anche in immersione liquida.
Lo studio è stato condotto da Marco Wende, Jule Grunewald, Ada Bachmann, Fabian Wilde, Michael Heymann, Alois M. Herkommer, Valese Aslani e Andrea Toulouse. Tra le strutture scientifiche coinvolte figurano l’Institute of Applied Optics dell’Università di Stoccarda, il Research Center SCoPE dell’Università di Stoccarda, il Center for Optical Technologies della Aalen University, l’Institute of Medical Device Technology dell’Università di Stoccarda, l’Helmholtz-Zentrum Hereon e l’Institute of Biomaterials and Biomolecular Systems.
Perché miniaturizzare un endoscopio è più difficile di quanto sembri
Ridurre il diametro di un endoscopio non significa soltanto utilizzare lenti più piccole. Un dispositivo endoscopico deve illuminare la superficie da osservare, raccogliere la luce riflessa o emessa dal tessuto e trasferire l’immagine fino al sistema di acquisizione posto all’esterno del corpo.
Negli endoscopi convenzionali queste funzioni possono essere distribuite su elementi differenti. Un gruppo di fibre trasporta la luce di illuminazione, mentre un’altra parte del sistema è dedicata all’immagine. Quando però il diametro complessivo scende sotto il millimetro, ogni canale aggiuntivo occupa uno spazio rilevante.
La soluzione più comune consiste nell’utilizzare fibre di illuminazione disposte intorno a un canale centrale dedicato all’immagine. Questa architettura funziona, ma rende più difficile scendere ulteriormente con le dimensioni.
Esistono anche endoscopi senza lenti che utilizzano fibre multimodali o fasci coerenti di fibre e ricostruiscono l’immagine attraverso algoritmi. Alcuni possono raggiungere diametri nell’ordine di 100 micrometri. In cambio, possono richiedere apparati ottici complessi sul lato esterno, sistemi di modulazione della luce, procedure di calibrazione e tempi di acquisizione incompatibili con determinate applicazioni in tempo reale. La deformazione o la flessione della fibra può inoltre modificare le proprietà di propagazione della luce e rendere necessarie nuove calibrazioni.
Il progetto sviluppato dal gruppo tedesco segue una strada differente: mantenere il principio dell’imaging diretto attraverso un fascio coerente di fibre, ma utilizzare la microstampa 3D per suddividere lo stesso fascio tra una zona centrale dedicata all’immagine e una zona periferica destinata all’illuminazione.
Una singola fibra per trasportare luce e immagine
L’elemento centrale del prototipo è un coherent fibre bundle, abbreviato CFB, prodotto da Fujikura Ltd. Il fascio utilizzato nello studio contiene circa 10.000 core ottici individuali.
I ricercatori hanno suddiviso funzionalmente la superficie del fascio senza separarla fisicamente in due dispositivi. I core centrali vengono utilizzati principalmente per trasferire l’immagine, mentre una corona di core periferici trasporta la luce necessaria a illuminare il campione.
Questa separazione è importante anche per limitare le riflessioni indesiderate. Quando illuminazione e imaging attraversano lo stesso sistema ottico, parte della luce inviata verso il campione può essere riflessa dalle superfici della fibra e arrivare direttamente al sensore. Il risultato è una perdita di contrasto che può coprire i dettagli dell’immagine.
Per ridurre questo problema, il team ha progettato un elemento ottico diffrattivo anulare, indicato come DOE, stampato direttamente sull’estremità posteriore del fascio di fibre.
Un elemento diffrattivo di pochi micrometri controlla l’illuminazione
Il DOE ha un diametro esterno di circa 325 micrometri, un diametro interno di 266 micrometri e forma un anello largo circa 29,5 micrometri. Copre approssimativamente il 33% della superficie del fascio, corrispondente a circa 3.300 dei 10.000 core disponibili.
La luce viene fornita obliquamente con un LED da 625 nanometri di Thorlabs. L’angolo di incidenza impiegato negli esperimenti è di 30 gradi. La geometria del DOE devia la luce verso i core periferici, lasciando invece la regione centrale libera dalla maggior parte della luce utilizzata per l’illuminazione.
L’elemento diffrattivo è spesso soltanto 2,05 micrometri ed è sostenuto da uno strato di adesione di 10 micrometri.
La sua fabbricazione è stata eseguita attraverso il sistema di microstampa 3D Photonic Professional GT2 di Nanoscribe GmbH, utilizzando il fotoresist IP-Dip della stessa Nanoscribe GmbH.
La tecnologia è basata sulla polimerizzazione a due fotoni, un processo nel quale il materiale fotosensibile viene solidificato soltanto nelle regioni attraversate dal fuoco del laser con condizioni energetiche sufficienti. Rispetto a una normale stampa 3D a strati, questo metodo consente di costruire strutture tridimensionali con caratteristiche dell’ordine dei micrometri e geometrie ottiche difficili da ottenere con lavorazioni convenzionali.
Nel caso del DOE, la precisione del processo è stata importante anche per realizzare le scanalature necessarie alla diffrazione della luce.
Quattro microlenti asferiche sulla punta dell’endoscopio
All’altra estremità della fibra, quella rivolta verso il campione, il gruppo ha costruito un sistema ancora più complesso.
La micro-ottica comprende un obiettivo formato da quattro lenti asferiche integrate nella stessa struttura stampata in 3D. La progettazione ottica è stata ottimizzata con Zemax OpticStudio di Ansys, utilizzando simulazioni di ray tracing per controllare aberrazioni, apertura numerica, campo visivo e comportamento della luce nei diversi mezzi.
Il modello meccanico finale è stato poi assemblato in ambiente CAD utilizzando Solidworks di Dassault Systèmes.
L’obiettivo è stato progettato per fornire un campo dell’oggetto di circa 140 micrometri con prestazioni prossime al limite di diffrazione previsto dal progetto.
Accanto alle microlenti corre un sistema anulare di guide ottiche stampate in 3D. Queste guide ricevono la luce trasportata dai core periferici del fascio e la convogliano verso la regione osservata dal microscopio.
La struttura funziona sfruttando anche la riflessione interna totale tra il materiale polimerico IP-S di Nanoscribe GmbH e il mezzo circostante. All’estremità delle guide sono state create geometrie a cuneo che deviano la luce verso il campo visivo dell’obiettivo.
La simulazione prevedeva un’area illuminata di circa 170 micrometri, sufficiente a coprire il campo ottico progettato per la microscopia.
Il problema dei liquidi biologici
Una micro-ottica progettata per funzionare in aria non può essere trasferita automaticamente all’interno del corpo umano. Acqua, soluzioni fisiologiche, fluidi biologici e mezzi di coltura hanno indici di rifrazione differenti dall’aria e cambiano il modo in cui le superfici ottiche deviano la luce.
Inoltre, una struttura stampata con cavità interne può riempirsi di liquido. Se questo avviene tra due microlenti progettate per avere aria nello spazio intermedio, le prestazioni dell’obiettivo cambiano.
Il gruppo di Stoccarda ha quindi integrato nella struttura minuscoli canali microfluidici. Dopo la stampa e lo sviluppo del componente, questi canali vengono riempiti per capillarità con il materiale IP-S di Nanoscribe GmbH e successivamente polimerizzati mediante luce ultravioletta.
In questo modo il sistema ottico viene sigillato e può essere immerso direttamente in un liquido senza che il mezzo esterno penetri nelle cavità interne dell’obiettivo.
La corretta sigillatura è stata verificata attraverso microtomografia a raggi X presso la beamline P05 di PETRA III al DESY, operata dall’Helmholtz-Zentrum Hereon.
La produzione è stata pensata anche per lavorare più componenti insieme
Un aspetto interessante del processo riguarda il metodo con cui vengono fabbricate le micro-ottiche frontali.
Invece di stampare ogni obiettivo direttamente sulla fibra, i ricercatori hanno prodotto più sistemi ottici su un substrato di vetro utilizzando supporti sacrificabili. Dopo la stampa, la punta del fascio di fibre viene allineata con una struttura di centraggio integrata nel componente.
Il collegamento viene fissato attraverso materiale fotosensibile e polimerizzazione UV. I punti di connessione sacrificabili vengono quindi spezzati e il sistema ottico rimane attaccato alla fibra.
Questo approccio permette, almeno a livello di processo, di preparare più micro-ottiche all’interno dello stesso ciclo di stampa anziché realizzarle una alla volta direttamente sulle fibre.
Per la stampa è stato impiegato il Photonic Professional GT2 di Nanoscribe GmbH, insieme al fotoresist IP-S di Nanoscribe GmbH e a un obiettivo LD LCI Plan-Apochromat 25×/0.8 di Zeiss. Le fasi di sviluppo e lavaggio hanno utilizzato solventi forniti da Merck KGaA, mentre la polimerizzazione UV è stata effettuata con un sistema di Hoenle AG.
Come è stato verificato il prototipo
Il gruppo ha utilizzato diversi sistemi di misura per verificare sia la qualità della stampa sia il comportamento ottico del dispositivo.
Il DOE è stato osservato con un microscopio VHX-7000 di Keyence. La sua geometria è stata analizzata anche mediante microscopia elettronica con un Phenom XL G2 di Thermo Fisher Scientific e microscopia a forza atomica con un Dimension 3100d di Veeco.
Per misurare il comportamento diffrattivo è stata utilizzata la sorgente LED di Thorlabs e una telecamera uEye U3180CP-M di IDS Imaging Development Systems GmbH.
Durante gli esperimenti di microscopia sono stati impiegati obiettivi di Mitutoyo Corporation e Zeiss/Carl Zeiss AG. Le prove in immersione sono state effettuate anche con Immersol Sil 406 N di Carl Zeiss AG.
Per valutare la risoluzione sono stati utilizzati target ottici di Edmund Optics e JD Photo Data, insieme ad altri campioni tra cui materiali per pulizia ottica di Thorlabs.
Queste aziende hanno fornito tecnologie, materiali o componenti commerciali utilizzati nell’apparato sperimentale; il loro impiego non equivale necessariamente a una partecipazione scientifica o industriale diretta allo sviluppo del prototipo.
Una risoluzione di pochi micrometri
Nei test in aria l’illuminazione integrata ha coperto circa 110 micrometri dei 140 micrometri previsti per il campo ottico. Nei test effettuati in immersione, l’area illuminata ha raggiunto approssimativamente l’intero campo di 140 micrometri.
Le immagini sono state acquisite con tempi di esposizione compresi tra 150 e 300 millisecondi.
Il prototipo è riuscito a distinguere elementi di un target USAF con linee larghe circa 6,2 micrometri in aria. In immersione sono state risolte linee di circa 3,5 micrometri.
I ricercatori hanno inoltre acquisito immagini di strutture in cromo su vetro, motivi composti da linee e punti e materiali fibrosi organici.
Il fascio coerente di fibre introduce una caratteristica struttura a pixel dovuta ai singoli core. Per ridurne la visibilità, le immagini sono state elaborate attraverso filtri di smoothing e median filtering. Questo processo migliora la leggibilità visiva, ma comporta una certa attenuazione dei bordi più fini, un compromesso che gli autori indicano esplicitamente nello studio.
Da 3 a 6,5 immagini al secondo
Uno dei risultati rilevanti riguarda la velocità di acquisizione.
Il sistema sperimentale ha raggiunto valori compresi tra circa 3 e 6,5 fotogrammi al secondo. Secondo i ricercatori, il limite principale non deriva dal principio ottico utilizzato, ma dalla quantità di potenza luminosa disponibile sul campione.
Con una sorgente e un sistema di accoppiamento più efficienti, l’architettura potrebbe quindi consentire frequenze superiori.
Il prototipo mantiene inoltre il funzionamento quando il fascio di fibre viene piegato. Questo comportamento è importante perché alcuni sistemi endoscopici basati sulla ricostruzione dell’immagine attraverso fibre multimodali sono molto sensibili alla deformazione della fibra: una variazione della geometria può modificare il percorso della luce e invalidare la calibrazione necessaria per ricostruire l’immagine.
Nel sistema sviluppato a Stoccarda l’immagine viene invece trasportata dai singoli core del fascio coerente, rendendo l’architettura meno dipendente da una precisa configurazione geometrica della fibra.
Il contrasto beneficia dell’illuminazione ad anello
Il modo in cui la luce viene introdotta nel fascio non serve soltanto a ridurre le dimensioni dell’endoscopio.
Separare spazialmente i core dedicati all’illuminazione da quelli centrali impiegati per l’imaging contribuisce a limitare la luce parassita che raggiunge il sensore.
Negli esperimenti il sistema di illuminazione anulare integrato ha prodotto un contrasto d’immagine circa 2,5 volte superiore rispetto alla configurazione di epi-illuminazione usata come confronto.
È proprio questo principio a rendere interessante l’impiego del DOE posteriore: la sorgente luminosa può essere aggiunta con incidenza obliqua senza dover riprogettare completamente il sistema di acquisizione posto all’esterno dell’endoscopio.
Dalla dimostrazione di laboratorio alle applicazioni biomediche
Il dispositivo rimane un prototipo di ricerca. Gli esperimenti pubblicati sono stati effettuati su campioni prevalentemente piatti e controllati, una condizione molto diversa da quella incontrata all’interno di un organismo.
I tessuti biologici sono tridimensionali, irregolari e fortemente diffusivi. La luce può essere assorbita e dispersa in molte direzioni, riducendo il contrasto e producendo contributi fuori fuoco.
Il prototipo non dispone inoltre di sezionamento ottico assiale. Di conseguenza, in un tessuto spesso, strutture poste a profondità differenti possono sovrapporsi nell’immagine.
Gli autori considerano la microscopia confocale come uno dei possibili sviluppi. Un sistema confocale potrebbe limitare la luce fuori fuoco e consentire una migliore discriminazione delle strutture a diverse profondità.
La stessa piattaforma potrebbe essere estesa anche a illuminazione dark-field e microscopia a fluorescenza.
Tra gli scenari biomedici studiati dalla comunità scientifica per endoscopi di queste dimensioni figurano l’osservazione microscopica del tratto gastrointestinale e l’accesso a strutture particolarmente strette, comprese le tube di Falloppio.
Prima di una possibile applicazione clinica devono però essere affrontati aspetti che vanno oltre la sola qualità ottica: biocompatibilità dei materiali, sterilizzazione, stabilità meccanica, durata del dispositivo, sicurezza dei sistemi di illuminazione e riproducibilità della produzione.
Il lavoro si inserisce in un programma più ampio sulla microfabbricazione endoscopica
Andrea Toulouse, una delle autrici principali dello studio, dirige anche il gruppo di ricerca 3D Endoscopic Microfabrication – 3DEndoFab, avviato presso l’Università di Stoccarda con il sostegno della Carl-Zeiss-Stiftung.
Il programma ha ricevuto un finanziamento di circa 1,8 milioni di euro nell’ambito dell’iniziativa CZS Nexus e guarda oltre la sola microscopia. Uno degli obiettivi di lungo periodo è studiare tecnologie di microfabbricazione basate sulla fibra capaci di portare processi di stampa 3D ad alta risoluzione direttamente in regioni del corpo difficili da raggiungere.
Si tratta di un filone differente e più ampio rispetto al prototipo di endomicroscopia descritto nello studio, ma condivide diversi elementi tecnologici: miniaturizzazione delle ottiche, utilizzo della fibra per trasportare la luce e fabbricazione additiva di strutture ottiche all’estremità di sonde sottili.
Le aziende e le tecnologie presenti nell’apparato sperimentale
Il progetto mostra anche quanto un sistema di micro-ottica avanzata dipenda dall’integrazione di tecnologie provenienti da numerosi fornitori.
Nanoscribe GmbH ha fornito la piattaforma Photonic Professional GT2 e i materiali IP-Dip e IP-S utilizzati per la microstampa. Fujikura Ltd. ha fornito il fascio coerente di fibre. Thorlabs compare nella sorgente LED e in parte della componentistica ottica. Zeiss/Carl Zeiss AG ha fornito obiettivi e il mezzo per immersione. Ansys è presente attraverso Zemax OpticStudio per la progettazione ottica, mentre Dassault Systèmes attraverso Solidworks è stata utilizzata per il modello CAD.
Nelle fasi di caratterizzazione sono stati impiegati strumenti di Keyence, Thermo Fisher Scientific, Veeco e IDS Imaging Development Systems GmbH. Il processo ha inoltre utilizzato materiali di Merck KGaA, una sorgente UV di Hoenle AG, ottiche di Mitutoyo Corporation e target di misura di Edmund Optics e JD Photo Data.
La Carl-Zeiss-Stiftung, che è una fondazione e non va confusa con il ruolo di Carl Zeiss AG come fornitore di componenti ottici, figura tra gli enti che hanno sostenuto finanziariamente la ricerca insieme all’Università di Stoccarda, alla Baden-Württemberg Stiftung e alla Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Perché la microstampa 3D è il punto centrale del progetto
Il valore tecnico del lavoro non consiste soltanto nell’avere costruito una lente molto piccola. L’aspetto più significativo è la possibilità di combinare in un singolo componente funzioni che con la produzione tradizionale richiederebbero più elementi da realizzare, posizionare e allineare separatamente.
Nel volume di circa mezzo millimetro della punta sono presenti l’obiettivo microscopico, le guide per la luce, le superfici dedicate alla riflessione interna totale, i canali utilizzati per la sigillatura e le strutture necessarie all’allineamento con il fascio di fibre.
Sul lato posteriore, un secondo componente stampato direttamente sulla fibra controlla invece il modo in cui la luce entra nel sistema.
La stampa 3D multiphoton permette quindi di considerare la superficie terminale della fibra non più soltanto come la fine di un cavo ottico, ma come una piattaforma sulla quale costruire un vero microsistema fotonico.
Il passaggio dalla dimostrazione sperimentale a un dispositivo biomedicale utilizzabile richiederà ulteriori verifiche e modifiche. Il lavoro fornisce però una dimostrazione concreta di come microfabbricazione additiva, ottica diffrattiva, guide d’onda e fibre coerenti possano essere progettate come un unico sistema per ridurre il diametro di un endomicroscopio senza rinunciare all’illuminazione integrata.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
