Endoscopios retráctiles con meta

Aug 23, 2023

7 de junio de 2023

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por la Academia China de Ciencias

Los endoscopios ultracompactos y ágiles con un gran campo de visión (FoV), una gran profundidad de campo (DoF) y una longitud de punta rígida corta son esenciales para desarrollar operaciones mínimamente invasivas y nuevas cirugías experimentales. A medida que se desarrollan estos campos, los requisitos de miniaturización y mayor precisión se vuelven cada vez más exigentes.

En los endoscopios existentes, la longitud rígida de la punta es una limitación fundamental de la agilidad del dispositivo dentro de pequeños conductos tortuosos, como una arteria. Está limitado principalmente por el tamaño de los elementos ópticos necesarios para la formación de imágenes. Por lo tanto, se necesitan urgentemente soluciones alternativas para reducir la longitud de la punta.

En un nuevo artículo publicado en eLight, un equipo de científicos dirigido por el Dr. Johannes Fröch y el profesor Arka Majumdar de la Universidad de Washington han desarrollado una técnica novedosa para reducir la longitud de la punta rígida.

Las soluciones existentes incluyen imágenes computacionales y sin lentes con fibras individuales o haces de fibras coherentes. Sin embargo, estos suelen estar limitados a una distancia de trabajo corta y, a menudo, son extremadamente sensibles a la flexión y torsión de la fibra óptica, lo que afecta o incluso impide una reconstrucción computacional precisa.

Las metaópticas planas son una idea emergente y versátil en la comunidad fotónica para crear elementos ópticos miniaturizados. Se trata de elementos ópticos difractivos de sublongitud de onda compuestos por matrices de dispersión a nanoescala. Están diseñados para dar forma a la fase, amplitud y respuesta espectral de un frente de onda incidente. Estas ópticas planas ultrafinas no solo reducen drásticamente el tamaño de las ópticas tradicionales, sino que también pueden combinar múltiples funcionalidades en una sola superficie.

Las metaópticas planas son compatibles con la tecnología de fabricación de semiconductores de gran volumen y pueden crear ópticas desechables. Estas propiedades ya han inspirado a los investigadores a explorar el potencial de la metaóptica para la endoscopia, incluida la endoscopia con fibra integrada, la endoscopia de escaneo de fibra única de visión lateral y la endoscopia de visión frontal de fibra de escaneo.

Desafortunadamente, la meta-óptica tradicionalmente sufre de fuertes aberraciones, lo que hace que las imágenes a todo color y con grandes campos de visión sean un desafío. Varios trabajos han demostrado que el diseño de metalens estándar no es adecuado para capturar simultáneamente información de color en todo el espectro visible.

Por lo general, da como resultado imágenes nítidas para la longitud de onda de diseño (p. ej., verde) pero fuertemente aberradas/borrosas para otros colores (rojo y azul). Si bien algunos enfoques, como la ingeniería de dispersión y las técnicas de imagen computacional, pueden reducir la aberración cromática, sufren de aperturas pequeñas, aperturas numéricas bajas o requieren un paso de procesamiento posterior computacional, lo que complica la captura de video en tiempo real.

De manera similar, una apertura adicional antes de la meta-óptica puede proporcionar un FoV más grande. Sin embargo, tiene el costo de una menor captación de luz y un mayor grosor de la óptica. Hasta ahora, estas limitaciones han restringido a la mayoría de los endoscopios metaópticos a operar con una sola longitud de onda.

Aunque, recientemente, se demostró un doblete meta-óptico junto con un haz de fibras coherente para imágenes policromáticas. Dicha formación de imágenes policromáticas no es adecuada para la iluminación de banda ancha, que suele ser el caso de la endoscopia clínica. Además, la apertura frontal se limitó a 125 μm, con una distancia de trabajo corta de 200 μm.

El equipo de investigación notó el deseo de una metaóptica ultradelgada de banda ancha para la endoscopia. Sin embargo, hacerlo más pequeño que el diámetro de la fibra óptica no es propicio y limita severamente la captación de luz. Como tal, aún no se ha logrado una endoscopia metaóptica a todo color con un campo de visión y una profundidad de campo aceptables y una apertura lo suficientemente grande.

En este trabajo, el equipo de investigación demostró una metaóptica de diseño inverso optimizada para capturar escenas a todo color en tiempo real con un haz de fibra coherente de 1 mm de diámetro. La meta-óptica permite operaciones a un FoV de 22,5°, un DoF de > 30 mm (que supera el 300 % de la distancia de trabajo de diseño nominal) y una longitud de punta rígida mínima de solo ~ 2,5 mm.

Esta es una reducción del 33 % en la longitud de la punta en comparación con un endoscopio de haz de fibra integrado con lente de índice de gradiente comercial tradicional (GRIN). Esto se debe a la distancia focal más corta y la naturaleza ultrafina de la metaóptica.

Al mismo tiempo, se mantienen un rendimiento de imagen y una distancia de trabajo comparables. Para lograr un rendimiento excepcional de FoV, DoF y color del endoscopio de fibra óptica meta (MOFIE), el equipo de investigación abordó este problema de diseño desde una perspectiva a nivel de sistema.

Creían que el diámetro y el espaciado de los núcleos de fibra individuales dentro del paquete limitan la calidad de imagen alcanzable, lo que también limita el FoV alcanzable y la función de transferencia de modulación (MTF). Este aspecto se implementa en un marco de diferenciación automática utilizando el volumen promedio bajo la curva de la función de transferencia de modulación (MTF) multicromática como figura de mérito.

Al asegurarse de que la metaóptica tenga una MTF dentro de las limitaciones del haz de fibras, el equipo de investigación logró una operación a todo color sin necesidad de un paso de reconstrucción computacional, lo que facilitó la operación en tiempo real. El equipo enfatizó que su enfoque de diseño difiere fundamentalmente de los esfuerzos de diseño tradicionales de metales acromáticos.

Los investigadores formularon un problema de optimización para encontrar la mejor solución para imágenes a todo color. Esto fue en lugar de tratar de lograr un rendimiento limitado por difracción en todas las longitudes de onda, lo que puede plantear un problema físicamente irresoluble.

Este enfoque es importante porque no se limita a este sistema en particular. Puede extenderse a tamaños de apertura más grandes y admite pasos de posprocesamiento computacional. Para resaltar esto, también demostraron un ejemplo de una metaóptica con una apertura de 1 cm e imágenes a todo color en condiciones de luz ambiental.

Más información: Johannes E. Fröch et al, Imágenes a todo color en tiempo real en un endoscopio de fibra óptica meta, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00044-4

Proporcionado por la Academia de Ciencias de China