Meta-optiske fibre reduserer endoskoper – Physics World

Ultratynne optiske elementer kjent som meta-optikk kan redusere spisslengden på endoskoper, som er en av de begrensende faktorene til disse medisinske enhetene. Det er det siste funnet fra forskere ved University of Washington, som brukte en omvendt designtilnærming for å redusere spisslengden med en tredjedel. De demonstrerer også at endoskopet kan fange opp video i sanntid over hele det synlige spekteret, noe som har vist seg vanskelig med tidligere tilnærminger.

Endoskopi innebærer å sette inn et langt, fleksibelt rør (bestående av et kamera og en lysleder) inn i kroppen for å få bilder av indre vev. I eksisterende enheter er røret tippet med en stiv optisk komponent, hvis lengde er en grunnleggende begrensning for at enheten kan bevege seg gjennom små kronglete kanaler som arterier.

I prinsippet kan dette problemet løses ved å lage et endoskop av bare en enkelt optisk fiber eller en bunt med fibre, men ulempen her er at noe av lyset som beveger seg nedover fibrene blir spredt av defekter og blir forvrengt til det ugjenkjennelige. Den kan derfor ikke rekonstrueres for å få et nøyaktig bilde. Slike enheter er også begrenset til korte arbeidsavstander.

Flat meta-optikk gir et lovende alternativ. Disse er subbølgelengde diffraktive optiske elementer som omfatter lysspredningsarrayer i nanoskala designet for å forme en innfallende bølgefronts fase og amplitude. Det er imidlertid et problem igjen, ved at disse elementene lider av sterke aberrasjoner (eller uskarphet), noe som gjør stort synsfelt (FoV) og fullfargeavbildning vanskelig – noe som er kritisk for klinisk endoskopi. Selv om metalenses vanligvis produserer skarpe bilder for en bestemt bølgelengde (for eksempel grønt), gjør de andre farger (rød og blå) kraftig uskarp.

Selv om disse vanskelighetene til en viss grad kan løses ved hjelp av dispersjonsteknikk, lider de resulterende enhetene av små åpninger (rundt 125 µm, for eksempel), har korte arbeidsavstander (rundt 200 µm) eller krever komplisert beregningsmessig etterbehandling, noe som gjør sanntidsbilde utfordrende.

Ta fullfargebilder i sanntid

Forskere ledet av Johannes Fröch og Arka Majumdar kan nå ha en løsning på disse utfordringene med et omvendt designet meta-optikkelement som de optimaliserte for å fange sanntids fullfargebilder med en koherent fiberbunt på 1 mm i diameter. Systemet deres tillater en FoV på 22.5°, en dybdeskarphet (DoF) på mer enn 30 mm, og en stiv spiss som kun måler 2.5 mm – det vil si 33 % mindre enn tradisjonelle kommersielle “gradient-index” linse integrerte fiberbunt-endoskoper. Bragden er mulig takket være den kortere brennvidden og den ultratynne meta-optikken.

"Meta-optikk er optiske elementer som manipulerer lys på forskjellige måter til linsene som vi er vant til i hverdagen," forklarer Fröch. «I stedet for en buet glassoverflate, er meta-optikk sammensatt av små nanostrukturer som påvirker hvordan lyset blir diffraktert. Dette betyr at vi i hovedsak kan bøye den og styre den til bestemte retninger eller for å ha andre eksotiske funksjoner."

Invers design er en tilnærming der strukturen til meta-optikken er designet basert på den nødvendige funksjonaliteten, legger han til. "Vi starter i utgangspunktet med det resultatet vi ønsker, og finner deretter strukturen som vil produsere det bestemte resultatet nærmest," forteller han Fysikkens verden.

Tilnærmingen og fabrikasjonen av meta-optikken må være svært nøyaktig, og forskerne sier de har brukt flere år på å utvikle de riktige programvareverktøyene og fabrikasjonsforholdene for å optimalisere alle trinnene i prosessen.

Perfekt egnet for endoskopiske applikasjoner

Å oppnå fullfargeavbildning med meta-optikk er også ekstremt utfordrende siden oppløsningen vanligvis blir dårligere ettersom fargespekteret økes. "Metaoptikk fungerer ofte bare for én spesifikk bølgelengde, men da vi begynte å jobbe med dette emnet, innså vi at oppløsningen til det metaoptiske fiberendoskopet til syvende og sist begrenses av den koherente fiberbunten," sier Fröch. "Vi vil dermed bytte ut fargebåndbredden med oppløsningen på akkurat den riktige måten for å oppnå fullfargeavbildning som kan sammenlignes med standardobjektiver for denne applikasjonen."

Ultratynn fotoakustisk bildesonde passer inn i en nål

University of Washington-teamet rapporterer sitt arbeid i eLight, sier at meta-optikk er perfekt egnet for endoskopiske applikasjoner og kan til og med potensielt utnyttes til å realisere mye mer eksotiske funksjoner, som hyperspektral avbildning eller fasekontrastavbildning. "De åpner virkelig opp for mange muligheter, og vi er nå i kontakt med flere andre forskningsgrupper og kirurger for å jobbe med mange av disse mulige bruksområdene," avslører Fröch.

Før virkelige applikasjoner ser dagens lys, innrømmer han imidlertid at det fortsatt er mange utfordringer som må overvinnes. For det første må egenskapene til meta-optikken optimaliseres for å oppnå en enda kortere spisslengde. "Vi må også finne en måte å bedre integrere meta-optikken med endoskopet for å sikre sikker drift," sier han. "Til syvende og sist ønsker vi å finne en løsning som muliggjør en rimelig og skalerbar integrasjon av meta-optikk med den optiske fiberen, slik at enhetene kan gjøres allment tilgjengelige."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/