Fibras meta-ópticas reduzem o tamanho dos endoscópios – Physics World

Elementos ópticos ultrafinos conhecidos como meta-óptica podem reduzir o comprimento da ponta dos endoscópios, que é um dos fatores limitantes desses dispositivos médicos. Essa é a descoberta mais recente de pesquisadores da Universidade de Washington, que usaram uma abordagem de design inverso para reduzir o comprimento da ponta em um terço. Eles também demonstram que o endoscópio pode capturar vídeo em tempo real em todo o espectro visível, algo que se mostrou difícil com as abordagens anteriores.

A endoscopia envolve a inserção de um tubo longo e flexível (composto por uma câmera e um guia de luz) no corpo para obter imagens dos tecidos internos. Nos dispositivos existentes, o tubo é encimado por um componente óptico rígido, cujo comprimento é uma limitação fundamental para que o dispositivo possa se deslocar por pequenos dutos tortuosos, como as artérias.

Em princípio, este problema pode ser resolvido fazendo um endoscópio de apenas uma única fibra óptica ou um feixe de fibras, mas o problema aqui é que parte da luz que viaja pelas fibras é espalhada por defeitos e fica distorcida além do reconhecimento. Portanto, não pode ser reconstruído para obter uma imagem precisa. Esses dispositivos também são limitados a curtas distâncias de trabalho.

A meta-óptica plana fornece uma alternativa promissora. Estes são elementos ópticos difrativos de comprimento de onda que compreendem matrizes de dispersão de luz em nanoescala projetadas para moldar a fase e a amplitude de uma frente de onda incidente. Há um problema novamente, no entanto, pois esses elementos sofrem de fortes aberrações (ou desfoque), dificultando o amplo campo de visão (FoV) e a geração de imagens em cores - algo que é crítico para a endoscopia clínica. De fato, embora os metalenses normalmente produzam imagens nítidas para um comprimento de onda específico (digamos, verde), eles desfocam fortemente outras cores (vermelho e azul).

Embora essas dificuldades possam ser resolvidas até certo ponto pela engenharia de dispersão, os dispositivos resultantes sofrem de pequenas aberturas (em torno de 125 µm, por exemplo), têm distâncias de trabalho curtas (em torno de 200 µm) ou exigem complicado pós-processamento computacional, o que torna real- imagens de tempo desafiadoras.

Captura de imagens coloridas em tempo real

Pesquisadores liderados por Johannes Froch e Arka Majumdar podem agora ter uma solução para esses desafios com um elemento de meta-óptica de design inverso que eles otimizaram para capturar imagens coloridas em tempo real com um feixe de fibra coerente de 1 mm de diâmetro. Seu sistema permite um FoV de 22.5°, uma profundidade de campo (DoF) de mais de 30 mm e uma ponta rígida que mede apenas 2.5 mm – ou seja, 33% menor que as lentes comerciais tradicionais de “índice de gradiente” endoscópios de feixe de fibra integrados. A façanha é possível graças à distância focal mais curta e à meta-óptica ultrafina.

“Meta-óptica são elementos ópticos que manipulam a luz de maneiras diferentes das lentes com as quais estamos acostumados no dia a dia”, explica Fröch. “Em vez de uma superfície de vidro curvo, a meta-óptica é composta por pequenas nanoestruturas que afetam a forma como a luz é difratada. Isso significa que podemos basicamente dobrá-lo e direcioná-lo para direções específicas ou para ter outras funcionalidades exóticas.”

O design inverso é uma abordagem na qual a estrutura da meta-óptica é projetada com base na funcionalidade necessária, acrescenta. “Basicamente, começamos com o resultado que desejamos e depois encontramos a estrutura que produzirá mais de perto esse determinado resultado”, conta ele. Mundo da física.

A abordagem e a fabricação da meta-óptica precisam ser muito precisas e os pesquisadores dizem que passaram vários anos desenvolvendo as ferramentas de software certas e as condições de fabricação para otimizar todas as etapas do processo.

Perfeitamente adequado para aplicações endoscópicas

A obtenção de imagens coloridas com meta-óptica também é extremamente desafiadora, pois a resolução geralmente piora à medida que a gama de cores aumenta. “Muitas vezes, a meta-óptica funciona apenas para um comprimento de onda específico, mas quando começamos a trabalhar neste tópico, percebemos que a resolução do endoscópio de fibra meta-óptica é limitada pelo feixe de fibra coerente”, diz Fröch. “Assim, trocaríamos a largura de banda de cores pela resolução da maneira certa para obter imagens em cores comparáveis ​​às lentes padrão para esta aplicação.”

A sonda de imagem fotoacústica ultrafina se encaixa dentro de uma agulha

A equipe da Universidade de Washington, relatando seu trabalho em eLuz, diz que a meta-óptica é perfeitamente adequada para aplicações endoscópicas e pode até ser potencialmente explorada para realizar funcionalidades muito mais exóticas, como imagens hiperespectrais ou imagens de contraste de fase. “Eles realmente abrem muitas oportunidades e agora estamos em contato com vários outros grupos de pesquisa e cirurgiões para trabalhar em muitas dessas possíveis aplicações”, revela Fröch.

Antes que as aplicações do mundo real vejam a luz do dia, no entanto, ele admite que ainda há muitos desafios que precisam ser superados. Por um lado, as propriedades da meta-óptica precisam ser otimizadas para atingir um comprimento de ponta ainda menor. “Também precisamos descobrir uma maneira de integrar melhor a meta-óptica com o endoscópio para garantir uma operação segura”, diz ele. “Em última análise, queremos encontrar uma solução que permita uma integração escalável e de baixo custo da meta-óptica com a fibra óptica, para que os dispositivos possam ser amplamente acessíveis”.

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