Metaoptična vlakna zmanjšujejo endoskope – svet fizike

Metaoptična vlakna zmanjšujejo endoskope – svet fizike

Časovni žig: 26. julij 2023 4

Nova naprava dosega zmanjšano dolžino konice, hkrati pa ohranja široko vidno polje 22.5° in veliko globino polja, ki presega 30 mm.
Endoskop z metaoptičnimi vlakni Metaoptika je optimizirana za integracijo s koherentnim snopom vlaken. Nova naprava dosega zmanjšano dolžino konice, hkrati pa ohranja široko vidno polje 22.5° in veliko globino polja, ki presega 30 mm. (Z dovoljenjem: JE Fröch, L Huang, QAA Tanguy, S Colburn, A Zhan, A Ravagli, EJ Seibel, K Böhringer in A Majumdar)

Ultratanki optični elementi, znani kot metaoptika, lahko zmanjšajo dolžino konice endoskopov, kar je eden od omejevalnih dejavnikov teh medicinskih pripomočkov. To je najnovejša ugotovitev raziskovalcev z Univerze v Washingtonu, ki so uporabili inverzni pristop oblikovanja, da bi zmanjšali dolžino konice za tretjino. Prav tako dokazujejo, da lahko endoskop zajame video v realnem času v celotnem vidnem spektru, kar se je pri prejšnjih pristopih izkazalo za težavno.

Endoskopija vključuje vstavljanje dolge, upogljive cevi (sestavljene iz kamere in svetlobnega vodnika) v telo za pridobitev slik notranjih tkiv. V obstoječih napravah je cev opremljena s togo optično komponento, katere dolžina je temeljna omejitev, da naprava lahko potuje skozi majhne zavite kanale, kot so arterije.

Načeloma je to težavo mogoče rešiti z izdelavo endoskopa iz enega samega optičnega vlakna ali snopa vlaken, vendar je težava v tem, da se del svetlobe, ki potuje po vlaknih, razprši zaradi napak in se popači do nerazpoznavnosti. Zato ga ni mogoče rekonstruirati, da bi dobili natančno sliko. Takšne naprave so omejene tudi na kratke delovne razdalje.

Ravna metaoptika je obetavna alternativa. To so difrakcijski optični elementi na podvalovni dolžini, ki obsegajo nanometrske nize razpršilcev svetlobe, zasnovane za oblikovanje faze in amplitude vpadne valovne fronte. Vendar spet obstaja težava v tem, da ti elementi trpijo zaradi močnih aberacij (ali zamegljenosti), kar otežuje veliko vidno polje (FoV) in polnobarvno slikanje – nekaj, kar je ključnega pomena za klinično endoskopijo. Medtem ko metalci običajno proizvajajo ostre slike za določeno valovno dolžino (recimo zeleno), močno zameglijo druge barve (rdečo in modro).

Čeprav je te težave mogoče do neke mere rešiti z disperzijskim inženiringom, imajo nastale naprave majhne odprtine (na primer okoli 125 µm), kratke delovne razdalje (približno 200 µm) ali zahtevajo zapleteno računalniško naknadno obdelavo, zaradi česar je resnično časovno slikanje zahtevno.

Zajem barvnih slik v realnem času

Raziskovalci pod vodstvom Johannes Fröch in Arka Majumdar morda imajo zdaj rešitev za te izzive z inverzno zasnovanim metaoptičnim elementom, ki so ga optimizirali za zajemanje barvnih slik v realnem času s koherentnim snopom vlaken s premerom 1 mm. Njihov sistem omogoča vidno polje 22.5°, globinsko ostrino (DoF) več kot 30 mm in togo konico, ki meri le 2.5 mm – kar je 33 % manjša od tradicionalne komercialne leče z indeksom gradienta. integrirani endoskopi s snopom vlaken. Podvig je mogoč zaradi krajše goriščne razdalje in ultratanke metaoptike.

slike naprave z optično mikroskopijo in vrstičnim elektronskim mikroskopom
Karakterizacija naprave Levo: optična mikroskopska slika metaoptike, nameščene pred snopom koherentnih vlaken. Desno: slike izdelane naprave z vrstičnim elektronskim mikroskopom. (Z dovoljenjem: JE Fröch sod)

»Metaoptika so optični elementi, ki manipulirajo s svetlobo na različne načine glede na leče, ki smo jih vajeni v vsakdanjem življenju,« pojasnjuje Fröch. »Namesto ukrivljene steklene površine je meta-optika sestavljena iz majhnih nanostruktur, ki vplivajo na to, kako se svetloba lomi. To pomeni, da ga lahko v bistvu upognemo in usmerimo v določene smeri ali da imamo druge eksotične funkcije.«

Inverzno oblikovanje je pristop, pri katerem je struktura metaoptike zasnovana na podlagi zahtevane funkcionalnosti, dodaja. »V bistvu začnemo z rezultatom, ki si ga želimo, nato pa poiščemo strukturo, ki bo najbolj prinesla ta določen rezultat,« pravi. Svet fizike.

Pristop in izdelava meta-optike morata biti zelo natančna in raziskovalci pravijo, da so porabili več let za razvoj pravih programskih orodij in pogojev izdelave za optimizacijo vseh korakov v procesu.

Popolnoma primeren za endoskopske aplikacije

Doseganje barvnega slikanja z meta-optiko je prav tako izjemno zahtevno, saj se ločljivost običajno poslabša, ko se obseg barv poveča. »Metaoptika pogosto deluje le za eno določeno valovno dolžino, a ko smo se začeli ukvarjati s to temo, smo ugotovili, da je ločljivost endoskopa z metaoptičnimi vlakni na koncu omejena s koherentnim snopom vlaken,« pravi Fröch. "Tako bi zamenjali barvno pasovno širino z ločljivostjo na pravi način, da bi dosegli polno barvno sliko, primerljivo s standardnimi lečami za to aplikacijo."

Ekipa Univerze v Washingtonu poroča o svojem delu v eLight, pravi, da je metaoptika popolnoma primerna za endoskopske aplikacije in bi jo lahko celo potencialno izkoristili za realizacijo veliko bolj eksotičnih funkcij, kot je hiperspektralno slikanje ali slikanje s faznim kontrastom. »Resnično odpirajo veliko priložnosti in zdaj smo v stiku z več drugimi raziskovalnimi skupinami in kirurgi, da bi delali na mnogih od teh možnih aplikacij,« razkriva Fröch.

Preden pa resnične aplikacije ugledajo luč sveta, pa priznava, da je treba premagati še veliko izzivov. Prvič, lastnosti meta-optike je treba optimizirati, da se doseže še krajša dolžina konice. "Prav tako moramo najti način za boljšo integracijo metaoptike z endoskopom, da zagotovimo varno delovanje," pravi. "Navsezadnje želimo najti rešitev, ki omogoča poceni in razširljivo integracijo meta-optike z optičnimi vlakni, tako da so lahko naprave široko dostopne."

Časovni žig:

Več od Svet fizike