Fibrele meta-optice reduc dimensiunile endoscoapelor – Physics World

Elementele optice ultrasubțiri cunoscute sub numele de meta-optică pot reduce lungimea vârfului endoscoapelor, care este unul dintre factorii limitatori ai acestor dispozitive medicale. Aceasta este cea mai recentă descoperire de la cercetătorii de la Universitatea din Washington, care au folosit o abordare de proiectare inversă pentru a reduce lungimea vârfului cu o treime. Ei demonstrează, de asemenea, că endoscopul poate captura video în timp real pe întregul spectru vizibil, lucru care s-a dovedit dificil cu abordările anterioare.

Endoscopia presupune introducerea în corp a unui tub lung și flexibil (format dintr-o cameră și un ghid de lumină) pentru a obține imagini ale țesuturilor interne. În dispozitivele existente, tubul este înclinat cu o componentă optică rigidă, a cărei lungime este o limitare fundamentală pentru ca dispozitivul să poată călători prin mici conducte contorte, cum ar fi arterele.

În principiu, această problemă poate fi rezolvată prin realizarea unui endoscop dintr-o singură fibră optică sau dintr-un mănunchi de fibre, dar problema aici este că o parte din lumina care călătorește pe fibre este împrăștiată de defecte și este distorsionată fără a fi recunoscută. Prin urmare, nu poate fi reconstruită pentru a obține o imagine exactă. Astfel de dispozitive sunt, de asemenea, limitate la distanțe scurte de lucru.

Meta-optica plate oferă o alternativă promițătoare. Acestea sunt elemente optice difractive cu lungimea de subundă care cuprind rețele de dispersare a luminii la scară nanometrică concepute pentru a modela faza și amplitudinea unui front de undă incident. Totuși, există din nou o problemă, în sensul că aceste elemente suferă de aberații puternice (sau neclare), ceea ce face dificilă câmpul vizual mare (FoV) și imagistica color - ceva care este esențial pentru endoscopia clinică. Într-adevăr, în timp ce metalensele produc de obicei imagini clare pentru o anumită lungime de undă (să zicem verde), ele estompează puternic alte culori (roșu și albastru).

Deși aceste dificultăți pot fi rezolvate într-o oarecare măsură prin inginerie de dispersie, dispozitivele rezultate suferă de deschideri mici (aproximativ 125 µm, de exemplu), au distanțe scurte de lucru (aproximativ 200 µm) sau necesită o post-procesare computațională complicată, ceea ce face real- imaginea timpului provocatoare.

Captură de imagini color în timp real

Cercetătorii conduși de Johannes Fröch și Arka Majumdar ar putea avea acum o soluție la aceste provocări cu un element meta-optică proiectat invers, pe care l-au optimizat pentru a capta imagini color în timp real cu un fascicul de fibre coerente cu diametrul de 1 mm. Sistemul lor permite un FoV de 22.5°, o adâncime de câmp (DoF) de peste 30 mm și un vârf rigid care măsoară doar 2.5 mm - adică cu 33% mai mic decât lentilele comerciale tradiționale cu „indice de gradient” endoscoape integrate cu fascicul de fibre. Isprava este posibila datorita distantei focale mai scurte si a meta-opticului ultrasubtire.

„Meta-optica sunt elemente optice care manipulează lumina în moduri diferite față de lentilele cu care suntem obișnuiți în viața de zi cu zi”, explică Fröch. „În loc de o suprafață curbată de sticlă, meta-optica este compusă din nanostructuri mici care afectează modul în care este difractată lumina. Aceasta înseamnă că, în esență, îl putem îndoi și direcționa în direcții specifice sau pentru a avea alte funcționalități exotice.”

Designul invers este o abordare în care structura meta-opticii este proiectată pe baza funcționalității necesare, adaugă el. „În principiu, începem cu rezultatul pe care ni-l dorim și apoi găsim structura care va produce cel mai îndeaproape acel rezultat”, spune el. Lumea fizicii.

Abordarea și fabricarea meta-opticii trebuie să fie foarte precise, iar cercetătorii spun că au petrecut câțiva ani dezvoltând instrumentele software și condițiile de fabricație potrivite pentru a optimiza toți pașii procesului.

Perfect potrivit pentru aplicații endoscopice

Obținerea imaginilor full-color cu meta-optică este, de asemenea, extrem de dificilă, deoarece rezoluția devine de obicei mai proastă pe măsură ce gama de culori crește. „Meta-optica funcționează adesea doar pentru o anumită lungime de undă, dar când am început să lucrăm la acest subiect, ne-am dat seama că rezoluția endoscopului cu fibră meta-optică este limitată în cele din urmă de pachetul coerent de fibre”, spune Fröch. „Așadar, am schimba lățimea de bandă de culoare cu rezoluția în modul corect pentru a obține imagini full-color comparabile cu lentilele standard pentru această aplicație.”

Sonda ultrasubțire de imagistică fotoacustică se potrivește în interiorul unui ac

Echipa Universității din Washington și-a raportat activitatea în eLight, spune că meta-optica este perfect potrivită pentru aplicațiile endoscopice și ar putea fi chiar exploatate pentru a realiza funcționalități mult mai exotice, cum ar fi imagistica hiperspectrală sau imagistica cu contrast de fază. „Ele chiar deschid o mulțime de oportunități și suntem acum în contact cu alte câteva grupuri de cercetare și chirurgi pentru a lucra la multe dintre aceste aplicații posibile”, dezvăluie Fröch.

Cu toate acestea, înainte ca aplicațiile din lumea reală să vadă lumina zilei, el admite că încă mai sunt multe provocări care trebuie depășite. În primul rând, proprietățile meta-opticii trebuie optimizate pentru a obține o lungime și mai mică a vârfului. „De asemenea, trebuie să găsim o modalitate de a integra mai bine meta-optica cu endoscopul pentru a asigura funcționarea în siguranță”, spune el. „În cele din urmă, dorim să găsim o soluție care să permită o integrare scalabilă și cu costuri reduse a meta-opticii cu fibra optică, astfel încât dispozitivele să poată fi accesibile pe scară largă.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. Automobile/VE-uri, carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• BlockOffsets. Modernizarea proprietății de compensare a mediului. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/