Metaoptische Fasern verkleinern Endoskope – Physics World

Ultradünne optische Elemente, sogenannte Metaoptiken, können die Spitzenlänge von Endoskopen reduzieren, was einer der limitierenden Faktoren dieser medizinischen Geräte ist. Das ist die neueste Erkenntnis von Forschern der University of Washington, die einen umgekehrten Designansatz nutzten, um die Spitzenlänge um ein Drittel zu verkürzen. Sie zeigen auch, dass das Endoskop Videos über das gesamte sichtbare Spektrum in Echtzeit aufnehmen kann, was sich bei früheren Ansätzen als schwierig erwiesen hat.

Bei der Endoskopie wird ein langer, flexibler Schlauch (bestehend aus einer Kamera und einem Lichtleiter) in den Körper eingeführt, um Bilder des inneren Gewebes zu erhalten. Bei bestehenden Geräten ist der Schlauch mit einer starren optischen Komponente versehen, deren Länge eine grundlegende Einschränkung dafür darstellt, dass das Gerät durch kleine gewundene Kanäle wie Arterien wandern kann.

Im Prinzip lässt sich dieses Problem lösen, indem man ein Endoskop aus nur einer einzigen optischen Faser oder einem Faserbündel herstellt. Der Haken dabei ist, dass ein Teil des Lichts, das durch die Fasern wandert, durch Defekte gestreut wird und bis zur Unkenntlichkeit verzerrt wird. Es kann daher nicht rekonstruiert werden, um ein genaues Bild zu erhalten. Auch solche Geräte sind auf kurze Arbeitsabstände beschränkt.

Flache Metaoptiken bieten eine vielversprechende Alternative. Hierbei handelt es sich um diffraktive optische Elemente im Subwellenlängenbereich, die nanoskalige Lichtstreuer-Arrays umfassen, die die Phase und Amplitude einer einfallenden Wellenfront formen sollen. Es besteht jedoch erneut ein Problem darin, dass diese Elemente unter starken Aberrationen (oder Unschärfen) leiden, was ein großes Sichtfeld (FoV) und eine Vollfarbbildgebung erschwert – etwas, das für die klinische Endoskopie von entscheidender Bedeutung ist. Tatsächlich erzeugen Metalllinsen normalerweise scharfe Bilder für eine bestimmte Wellenlänge (z. B. Grün), andere Farben (Rot und Blau) verwischen sie jedoch stark.

Obwohl diese Schwierigkeiten bis zu einem gewissen Grad durch Dispersionstechnik gelöst werden können, leiden die resultierenden Geräte unter kleinen Aperturen (z. B. etwa 125 µm), weisen kurze Arbeitsabstände auf (etwa 200 µm) oder erfordern eine komplizierte rechnerische Nachbearbeitung, was die Realität erheblich vereinfacht. Zeitbildgebung herausfordernd.

Aufnahme von Vollfarbbildern in Echtzeit

Forscher angeführt von Johannes Fröch und Arka Majumdar Möglicherweise haben sie nun eine Lösung für diese Herausforderungen mit einem invers gestalteten Metaoptikelement, das sie für die Aufnahme von Vollfarbbildern in Echtzeit mit einem kohärenten Faserbündel von 1 mm Durchmesser optimiert haben. Ihr System ermöglicht ein FoV von 22.5°, eine Schärfentiefe (DoF) von mehr als 30 mm und eine starre Spitze, die nur 2.5 mm misst – also 33 % kleiner als herkömmliche kommerzielle „Gradientenindex“-Linsen Integrierte Faserbündel-Endoskope. Möglich ist das Kunststück dank der kürzeren Brennweite und der ultradünnen Metaoptik.

„Metaoptiken sind optische Elemente, die Licht auf andere Weise manipulieren als die Linsen, die wir aus dem Alltag gewohnt sind“, erklärt Fröch. „Statt einer gekrümmten Glasoberfläche bestehen Metaoptiken aus kleinen Nanostrukturen, die beeinflussen, wie das Licht gebeugt wird. Das bedeutet, dass wir es im Wesentlichen biegen und in bestimmte Richtungen lenken oder andere exotische Funktionen erhalten können.“

Inverses Design sei ein Ansatz, bei dem die Struktur der Metaoptik auf der Grundlage der erforderlichen Funktionalität entworfen werde, fügt er hinzu. „Wir beginnen grundsätzlich mit dem gewünschten Ergebnis und finden dann die Struktur, die diesem bestimmten Ergebnis am nächsten kommt“, erzählt er Physik-Welt.

Der Ansatz und die Herstellung der Metaoptik müssen sehr genau sein und die Forscher geben an, dass sie mehrere Jahre damit verbracht haben, die richtigen Softwaretools und Herstellungsbedingungen zu entwickeln, um alle Schritte im Prozess zu optimieren.

Perfekt geeignet für endoskopische Anwendungen

Auch die Erzielung einer vollfarbigen Abbildung mit Metaoptik stellt eine große Herausforderung dar, da die Auflösung typischerweise mit zunehmender Farbpalette schlechter wird. „Meta-Optik funktioniert oft nur für eine bestimmte Wellenlänge, aber als wir begannen, uns mit diesem Thema zu beschäftigen, wurde uns klar, dass die Auflösung des meta-optischen Faserendoskops letztendlich durch das kohärente Faserbündel begrenzt ist“, sagt Fröch. „Wir würden also die Farbbandbreite genau mit der Auflösung abwägen, um für diese Anwendung eine Vollfarbbildgebung zu erreichen, die mit Standardobjektiven vergleichbar ist.“

Ultradünne photoakustische Bildgebungssonde passt in eine Nadel

Das Team der University of Washington berichtet über seine Arbeit in eLight, sagt, dass Metaoptiken perfekt für endoskopische Anwendungen geeignet sind und möglicherweise sogar genutzt werden könnten, um viel exotischere Funktionalitäten wie hyperspektrale Bildgebung oder Phasenkontrastbildgebung zu realisieren. „Sie eröffnen wirklich viele Möglichkeiten und wir stehen jetzt mit mehreren anderen Forschungsgruppen und Chirurgen in Kontakt, um an vielen dieser möglichen Anwendungen zu arbeiten“, verrät Fröch.

Bevor jedoch reale Anwendungen das Licht der Welt erblicken, gibt er zu, dass noch viele Herausforderungen gemeistert werden müssen. Zum einen müssen die Eigenschaften der Metaoptik optimiert werden, um eine noch kürzere Spitzenlänge zu erreichen. „Wir müssen auch einen Weg finden, die Metaoptik besser in das Endoskop zu integrieren, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten“, sagt er. „Letztendlich wollen wir eine Lösung finden, die eine kostengünstige und skalierbare Integration der Metaoptik mit der Glasfaser ermöglicht, damit die Geräte allgemein zugänglich gemacht werden können.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/