Máy nội soi thu nhỏ sợi siêu quang học – Physics World

Các thành phần quang học siêu mỏng được gọi là siêu quang học có thể làm giảm chiều dài đầu của ống nội soi, đây là một trong những yếu tố hạn chế của các thiết bị y tế này. Đó là phát hiện mới nhất từ ​​các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington, người đã sử dụng phương pháp thiết kế nghịch đảo để giảm chiều dài đầu xuống một phần ba. Họ cũng chứng minh rằng máy nội soi có thể quay video theo thời gian thực trên toàn bộ quang phổ nhìn thấy được, điều này tỏ ra khó khăn với các phương pháp trước đây.

Nội soi bao gồm việc đưa một ống dài, linh hoạt (bao gồm camera và đèn dẫn hướng) vào cơ thể để thu được hình ảnh của các mô bên trong. Trong các thiết bị hiện có, ống được gắn một bộ phận quang học cứng, chiều dài của nó là hạn chế cơ bản khiến thiết bị có thể di chuyển qua các ống dẫn phức tạp nhỏ như động mạch.

Về nguyên tắc, vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách chế tạo một ống nội soi chỉ từ một sợi quang đơn lẻ hoặc một bó sợi, nhưng vấn đề ở đây là một số ánh sáng truyền xuống các sợi bị tán xạ do khuyết tật và bị biến dạng đến mức không thể nhận dạng được. Do đó, nó không thể được xây dựng lại để có được hình ảnh chính xác. Những thiết bị như vậy cũng bị giới hạn ở khoảng cách làm việc ngắn.

Siêu quang học phẳng cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn. Đây là các phần tử quang học nhiễu xạ bước sóng dưới bao gồm các mảng tán xạ ánh sáng có kích thước nano được thiết kế để định hình pha và biên độ của mặt sóng tới. Tuy nhiên, lại có một vấn đề là những yếu tố này bị quang sai (hoặc mờ) mạnh, khiến cho trường nhìn rộng (FoV) và hình ảnh đầy đủ màu sắc trở nên khó khăn - điều này rất quan trọng đối với nội soi lâm sàng. Thật vậy, trong khi các ống kính kim loại thường tạo ra hình ảnh sắc nét ở một bước sóng cụ thể (ví dụ như màu xanh lá cây), chúng làm mờ các màu khác một cách mạnh mẽ (đỏ và xanh lam).

Mặc dù những khó khăn này có thể được giải quyết ở một mức độ nào đó bằng kỹ thuật phân tán, nhưng các thiết bị thu được có khẩu độ nhỏ (ví dụ: khoảng 125 µm), có khoảng cách làm việc ngắn (khoảng 200 µm) hoặc yêu cầu xử lý hậu kỳ tính toán phức tạp, điều này khiến cho hình ảnh thời gian đầy thách thức.

Chụp ảnh đầy đủ màu sắc theo thời gian thực

Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Johannes Fröch và Arka Majumdar giờ đây có thể có giải pháp cho những thách thức này bằng thành phần siêu quang được thiết kế ngược mà họ đã tối ưu hóa để chụp ảnh đủ màu theo thời gian thực với bó sợi kết hợp đường kính 1 mm. Hệ thống của họ cho phép góc nhìn 22.5°, độ sâu trường ảnh (DoF) hơn 30 mm và đầu ống kính cứng có kích thước chỉ 2.5 mm – tức là nhỏ hơn 33% so với ống kính “chỉ số độ dốc” thương mại truyền thống máy nội soi bó sợi tích hợp. Thành công này có thể thực hiện được nhờ tiêu cự ngắn hơn và siêu quang siêu mỏng.

Fröch giải thích: “Siêu quang học là những thành phần quang học điều khiển ánh sáng theo những cách khác nhau đối với các thấu kính mà chúng ta quen dùng trong cuộc sống hàng ngày”. “Thay vì bề mặt kính cong, siêu quang học bao gồm các cấu trúc nano nhỏ ảnh hưởng đến cách nhiễu xạ ánh sáng. Điều này có nghĩa là về cơ bản chúng tôi có thể uốn cong nó và điều khiển nó theo những hướng cụ thể hoặc có những chức năng kỳ lạ khác.”

Ông cho biết thêm, thiết kế nghịch đảo là một phương pháp trong đó cấu trúc của siêu quang học được thiết kế dựa trên chức năng cần thiết. Ông nói: “Về cơ bản, chúng tôi bắt đầu với kết quả mà chúng tôi mong muốn và sau đó tìm ra cấu trúc sẽ tạo ra kết quả cụ thể đó một cách sát sao nhất”. Thế giới vật lý.

Phương pháp tiếp cận và chế tạo siêu quang học phải rất chính xác và các nhà nghiên cứu cho biết họ đã dành nhiều năm để phát triển các công cụ phần mềm và điều kiện chế tạo phù hợp để tối ưu hóa tất cả các bước trong quy trình.

Hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng nội soi

Việc đạt được hình ảnh đầy đủ màu sắc bằng siêu quang cũng cực kỳ khó khăn vì độ phân giải thường trở nên kém hơn khi dải màu tăng lên. Fröch cho biết: “Siêu quang thường chỉ hoạt động với một bước sóng cụ thể, nhưng khi bắt đầu nghiên cứu chủ đề này, chúng tôi nhận ra rằng độ phân giải của ống nội soi sợi siêu quang cuối cùng bị giới hạn bởi bó sợi kết hợp”. “Do đó, chúng tôi sẽ đánh đổi băng thông màu với độ phân giải theo cách phù hợp để đạt được hình ảnh đầy đủ màu sắc tương đương với ống kính tiêu chuẩn cho ứng dụng này.”

Đầu dò hình ảnh âm thanh siêu mỏng vừa vặn bên trong một cây kim

Nhóm Đại học Washington, báo cáo công việc của mình trong điện tử, nói rằng siêu quang học hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng nội soi và thậm chí có thể được khai thác để hiện thực hóa nhiều chức năng kỳ lạ hơn, chẳng hạn như tạo ảnh siêu phổ hoặc tạo ảnh tương phản pha. Fröch tiết lộ: “Chúng thực sự mở ra rất nhiều cơ hội và chúng tôi hiện đang liên hệ với một số nhóm nghiên cứu và bác sĩ phẫu thuật khác để nghiên cứu nhiều ứng dụng khả thi này”.

Tuy nhiên, trước khi các ứng dụng trong thế giới thực được đưa vào sử dụng, ông thừa nhận rằng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Đầu tiên, các đặc tính của siêu quang học cần phải được tối ưu hóa để đạt được chiều dài đầu thậm chí còn ngắn hơn. Ông nói: “Chúng tôi cũng cần tìm ra cách tích hợp tốt hơn siêu quang học với máy nội soi để đảm bảo hoạt động an toàn”. “Cuối cùng, chúng tôi muốn tìm một giải pháp cho phép tích hợp siêu quang với chi phí thấp và có thể mở rộng với cáp quang để các thiết bị có thể được tiếp cận rộng rãi.”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/