A metaoptikai szálak csökkentik az endoszkópok méretét – Fizika világa

A metaoptika néven ismert ultravékony optikai elemek csökkenthetik az endoszkópok hegyének hosszát, ami ezen orvosi eszközök egyik korlátozó tényezője. Ez a Washingtoni Egyetem kutatóinak legújabb megállapítása, akik fordított tervezési megközelítést alkalmaztak a hegy hosszának harmadára csökkentésére. Azt is demonstrálják, hogy az endoszkóp valós időben képes videót rögzíteni a teljes látható spektrumban, ami a korábbi megközelítésekkel nehéznek bizonyult.

Az endoszkópia egy hosszú, hajlékony csövet (amely egy kamerából és egy fényvezetőből áll) behelyezi a testbe, hogy képet kapjon a belső szövetekről. A meglévő eszközökben a cső merev optikai komponenssel van felszerelve, amelynek hossza alapvető korlátja annak, hogy az eszköz kis, csavarodott csatornákon, például artériákon át tudjon haladni.

Ezt a problémát elvileg úgy is meg lehet oldani, hogy egyetlen optikai szálból vagy szálkötegből készítenek endoszkópot, de itt az a bökkenő, hogy a szálakon lefelé haladó fény egy része hibák miatt szétszóródik és a felismerhetetlenségig eltorzul. Ezért nem lehet rekonstruálni, hogy pontos képet kapjunk. Az ilyen eszközök rövid munkatávokra is korlátozódnak.

A lapos metaoptika ígéretes alternatívát kínál. Ezek szubhullámhosszú diffraktív optikai elemek, amelyek nanoméretű fényszóró tömböket tartalmaznak, amelyek a beeső hullámfront fázisát és amplitúdóját alakítják. Ismét van azonban egy probléma, mivel ezek az elemek erős aberrációkkal (vagy elmosódással) szenvednek, ami megnehezíti a nagy látómezőt (FoV) és a színes képalkotást – ami kritikus a klinikai endoszkópia szempontjából. Valójában, míg a metalensek jellemzően éles képeket hoznak létre egy adott hullámhosszon (mondjuk zölden), erősen elmossák a többi színt (piros és kék).

Bár ezek a nehézségek bizonyos mértékig diszperziós tervezéssel megoldhatók, az így kapott eszközök kis nyílásúak (például 125 µm körül), rövidek a munkatávolságuk (kb. 200 µm), vagy bonyolult számítási utófeldolgozást igényelnek, ami valós az idő képalkotása kihívást jelent.

Valós idejű, színes képek készítése

Kutatók által vezetett Johannes Fröch és a Arka Majumdar most megoldást találhatnak ezekre a kihívásokra egy fordított tervezésű metaoptikai elemmel, amelyet úgy optimalizáltak, hogy valós idejű, színes képeket készítsen egy 1 mm átmérőjű koherens szálköteggel. Rendszerük 22.5°-os FoV-t, több mint 30 mm-es mélységélességet (DoF) és merev csúcsot tesz lehetővé, amely mindössze 2.5 mm-es – vagyis 33%-kal kisebb, mint a hagyományos kereskedelmi „gradiens-index” objektív. integrált szálköteg endoszkópok. A bravúr a rövidebb gyújtótávolságnak és az ultravékony metaoptikának köszönhetően lehetséges.

„A metaoptika olyan optikai elemek, amelyek a mindennapi életben megszokott lencséktől eltérő módon manipulálják a fényt” – magyarázza Fröch. „Az ívelt üvegfelület helyett a metaoptika kis nanostruktúrákból áll, amelyek befolyásolják a fény diffrakcióját. Ez azt jelenti, hogy lényegében meg tudjuk hajlítani, és meghatározott irányokba irányítani, vagy más egzotikus funkciókkal rendelkezni.”

Az inverz tervezés egy olyan megközelítés, amelyben a metaoptika szerkezetét a szükséges funkcionalitás alapján alakítják ki – teszi hozzá. „Alapvetően azzal az eredménnyel kezdjük, amit szeretnénk, majd megkeressük azt a struktúrát, amely a legszorosabb eredményt hozza” – mondja. Fizika Világa.

A metaoptika megközelítésének és gyártásának nagyon pontosnak kell lennie, és a kutatók azt mondják, hogy több évet töltöttek a megfelelő szoftvereszközök és gyártási feltételek kidolgozásával, hogy optimalizálják a folyamat összes lépését.

Tökéletesen alkalmas endoszkópos alkalmazásokhoz

A metaoptikával teljes színű képalkotás is rendkívül nagy kihívást jelent, mivel a felbontás általában rosszabbodik a színtartomány növelésével. „A metaoptika gyakran csak egy meghatározott hullámhosszon működik, de amikor elkezdtünk dolgozni ezen a témán, rájöttünk, hogy a metaoptikai szálas endoszkóp felbontását végső soron a koherens szálköteg korlátozza” – mondja Fröch. "Így a színsávszélességet a felbontással a megfelelő módon cserélnénk ki, hogy az ehhez az alkalmazáshoz használt szabványos objektívekhez hasonló színes képalkotást érjünk el."

Ultravékony fotoakusztikus képalkotó szonda egy tű belsejébe illeszkedik

A Washingtoni Egyetem csapata beszámol munkájáról eLight, azt állítja, hogy a meta-optika tökéletesen alkalmas az endoszkópos alkalmazásokra, és potenciálisan ki is lehetne használni sokkal egzotikusabb funkciók megvalósítására, mint például a hiperspektrális képalkotás vagy a fáziskontraszt képalkotás. „Valóban sok lehetőséget nyitnak meg, és most már több más kutatócsoporttal és sebészrel is kapcsolatba lépünk, hogy sok ilyen lehetséges alkalmazáson dolgozzunk” – árulta el Fröch.

Mielőtt azonban a valós alkalmazások napvilágot látnának, elismeri, hogy még mindig sok kihívást kell leküzdeni. Egyrészt a metaoptika tulajdonságait optimalizálni kell, hogy még rövidebb csúcshosszt érjünk el. „Ki kell találnunk a metaoptika és az endoszkóp jobb integrálásának módját is a biztonságos működés érdekében” – mondja. "Végső soron olyan megoldást szeretnénk találni, amely lehetővé teszi a metaoptika alacsony költségű és méretezhető integrálását az optikai szállal, hogy az eszközöket széles körben hozzáférhetővé lehessen tenni."

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/