Meta-optiset kuidut pienentävät endoskooppeja – Physics World

Ultraohuet optiset elementit, jotka tunnetaan nimellä meta-optiikka, voivat lyhentää endoskooppien kärjen pituutta, mikä on yksi näiden lääkinnällisten laitteiden rajoittavista tekijöistä. Tämä on Washingtonin yliopiston tutkijoiden viimeisin havainto, joka käytti käänteistä suunnittelutapaa pienentääkseen kärjen pituutta kolmanneksella. Ne osoittavat myös, että endoskooppi voi kaapata videota reaaliajassa koko näkyvällä spektrillä, mikä on osoittautunut vaikeaksi aikaisemmilla lähestymistavoilla.

Endoskopiaan kuuluu pitkän, joustavan putken (joka koostuu kamerasta ja valoohjaimesta) työntäminen kehoon kuvien saamiseksi sisäisistä kudoksista. Olemassa olevissa laitteissa putken kärjessä on jäykkä optinen komponentti, jonka pituus on perustavanlaatuinen rajoitus laitteen kyvylle kulkea pienten mutkaisten kanavien, kuten valtimoiden, läpi.

Periaatteessa tämä ongelma voidaan ratkaista tekemällä endoskooppi vain yhdestä optisesta kuidusta tai kuitukimppusta, mutta ongelmana tässä on se, että osa kuituja pitkin kulkevasta valosta hajoaa vikojen takia ja vääristyy huomaamattomasti. Siksi sitä ei voida rekonstruoida tarkan kuvan saamiseksi. Tällaiset laitteet on myös rajoitettu lyhyille työmatkoille.

Litteä meta-optiikka tarjoaa lupaavan vaihtoehdon. Nämä ovat aliaallonpituuden diffraktiivisia optisia elementtejä, jotka käsittävät nanomittakaavan valonsirontaryhmiä, jotka on suunniteltu muotoilemaan tulevan aaltorintaman vaihetta ja amplitudia. Ongelmana on kuitenkin jälleen se, että nämä elementit kärsivät voimakkaista poikkeavuuksista (tai hämärtymisestä), mikä tekee laajan näkökentän (FoV) ja täysvärikuvantamisen vaikeaksi – mikä on kriittistä kliinisen endoskopian kannalta. Itse asiassa, vaikka metaleenit tuottavat tyypillisesti teräviä kuvia tietyllä aallonpituudella (esimerkiksi vihreällä), ne sumentavat voimakkaasti muita värejä (punainen ja sininen).

Vaikka nämä vaikeudet voidaan jossain määrin ratkaista dispersiotekniikalla, tuloksena olevat laitteet kärsivät pienistä aukoista (esim. noin 125 µm), niillä on lyhyet työskentelyetäisyydet (noin 200 µm) tai ne vaativat monimutkaista laskennallista jälkikäsittelyä, mikä tekee todellisista aikakuvaus haastavaa.

Reaaliaikaisten täysvärikuvien ottaminen

Tutkijat johdolla Johannes Fröch ja Arka Majumdar voi nyt löytää ratkaisun näihin haasteisiin käänteisesti suunnitellulla meta-optisella elementillä, jonka he optimoivat ottamaan reaaliaikaisia ​​täysvärikuvia halkaisijaltaan 1 mm:n koherentilla kuitukimppulla. Niiden järjestelmä mahdollistaa 22.5 asteen FoV:n, yli 30 mm:n syväterävyysalueen (DoF) ja jäykän kärjen, joka on vain 2.5 mm – eli 33 % pienempi kuin perinteinen kaupallinen "gradienttiindeksi" integroidut kuitukimppuendoskoopit. Tämä saavutus on mahdollista lyhyemmän polttovälin ja erittäin ohuen meta-optiikan ansiosta.

"Metaoptiikka ovat optisia elementtejä, jotka käsittelevät valoa eri tavoin kuin linssejä, joihin olemme tottuneet jokapäiväisessä elämässä", Fröch selittää. ”Kaarevan lasipinnan sijaan metaoptiikka koostuu pienistä nanorakenteista, jotka vaikuttavat valon taittumiseen. Tämä tarkoittaa, että voimme olennaisesti taivuttaa sitä ja ohjata sitä tiettyihin suuntiin tai saada muita eksoottisia toimintoja.

Käänteinen suunnittelu on lähestymistapa, jossa metaoptiikan rakenne suunnitellaan vaaditun toiminnallisuuden perusteella, hän lisää. "Aloitamme periaatteessa siitä tuloksesta, jonka haluamme ja sitten löydämme rakenteen, joka tuottaa juuri tuon tuloksen", hän kertoo. Fysiikan maailma.

Meta-optiikan lähestymistavan ja valmistuksen on oltava erittäin tarkkaa, ja tutkijat sanovat käyttäneensä useita vuosia oikeiden ohjelmistotyökalujen ja valmistusolosuhteiden kehittämiseen prosessin kaikkien vaiheiden optimoimiseksi.

Sopii täydellisesti endoskooppisiin sovelluksiin

Täysvärikuvauksen saavuttaminen metaoptiikalla on myös erittäin haastavaa, koska resoluutio yleensä huononee värivalikoiman kasvaessa. "Metaoptiikka toimii usein vain yhdelle tietylle aallonpituudelle, mutta kun aloimme työskennellä tämän aiheen parissa, ymmärsimme, että meta-optisen kuituendoskoopin resoluutio on viime kädessä rajoitettu koherentin kuitukimpun takia", Fröch sanoo. "Täten vaihtaisimme värin kaistanleveyden ja resoluution juuri oikealla tavalla saavuttaaksemme täysvärikuvan, joka on verrattavissa tämän sovelluksen vakiolinsseihin."

Ultraohut fotoakustinen kuvantamisanturi sopii neulan sisään

Washingtonin yliopiston tiimi raportoi työstään eLight, sanoo, että meta-optiikka sopii täydellisesti endoskooppisiin sovelluksiin ja sitä voitaisiin mahdollisesti hyödyntää paljon eksoottisempien toimintojen, kuten hyperspektrisen kuvantamisen tai vaihekontrastikuvauksen, toteuttamiseen. "Ne tarjoavat todella paljon mahdollisuuksia, ja olemme nyt yhteydessä useisiin muihin tutkimusryhmiin ja kirurgeihin työstääksemme monia näistä mahdollisista sovelluksista", paljastaa Fröch.

Ennen kuin todelliset sovellukset näkevät päivänvalon, hän kuitenkin myöntää, että monia haasteita on vielä voitettava. Ensinnäkin meta-optiikan ominaisuudet on optimoitava, jotta saadaan vielä lyhyempi kärjen pituus. "Meidän on myös keksittävä tapa integroida metaoptiikka paremmin endoskoopin kanssa turvallisen toiminnan varmistamiseksi", hän sanoo. "Haluamme viime kädessä löytää ratkaisun, joka mahdollistaa edullisen ja skaalautuvan meta-optiikan integroinnin optiseen kuituun, jotta laitteet voidaan tehdä laajalti saavutettaviksi."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/