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Los elementos ópticos ultrafinos conocidos como metaópticas pueden reducir la longitud de la punta de los endoscopios, que es uno de los factores limitantes de estos dispositivos médicos. Este es el último hallazgo de investigadores de la Universidad de Washington, que utilizaron un enfoque de diseño inverso para reducir la longitud de la punta en un tercio. También demuestran que el endoscopio puede capturar vídeo en tiempo real en todo el espectro visible, algo que ha resultado difícil con enfoques anteriores.

La endoscopia implica insertar un tubo largo y flexible (que consta de una cámara y una guía de luz) en el cuerpo para obtener imágenes de los tejidos internos. En los dispositivos existentes, el tubo tiene en la punta un componente óptico rígido, cuya longitud es una limitación fundamental para que el dispositivo pueda viajar a través de pequeños conductos sinuosos, como las arterias.

En principio, este problema se puede resolver fabricando un endoscopio a partir de una sola fibra óptica o de un haz de fibras, pero el problema aquí es que parte de la luz que viaja por las fibras se dispersa por defectos y se distorsiona hasta quedar irreconocible. Por lo tanto, no se puede reconstruir para obtener una imagen precisa. Estos dispositivos también están limitados a distancias de trabajo cortas.

La metaóptica plana ofrece una alternativa prometedora. Se trata de elementos ópticos difractivos de longitud de onda inferior que comprenden matrices de dispersión de luz a nanoescala diseñadas para dar forma a la fase y amplitud de un frente de onda incidente. Sin embargo, nuevamente surge el problema de que estos elementos sufren fuertes aberraciones (o desenfoques), lo que dificulta un gran campo de visión (FoV) y la obtención de imágenes a todo color, algo que es fundamental para la endoscopia clínica. De hecho, si bien los metalentes suelen producir imágenes nítidas para una longitud de onda específica (por ejemplo, el verde), difuminan mucho otros colores (rojo y azul).

Aunque estas dificultades pueden resolverse hasta cierto punto mediante ingeniería de dispersión, los dispositivos resultantes adolecen de pequeñas aperturas (alrededor de 125 µm, por ejemplo), tienen distancias de trabajo cortas (alrededor de 200 µm) o requieren un posprocesamiento computacional complicado, lo que hace que sea real. imágenes del tiempo desafiantes.

Los investigadores dirigidos por Johannes Fröch y Arka Majumdar ahora pueden tener una solución a estos desafíos con un elemento metaóptico de diseño inverso que optimizaron para capturar imágenes a todo color en tiempo real con un haz de fibras coherentes de 1 mm de diámetro. Su sistema permite un FoV de 22,5°, una profundidad de campo (DoF) de más de 30 mm y una punta rígida que mide solo 2,5 mm, es decir, un 33 % más pequeña que la lente comercial tradicional de “índice de gradiente”. Endoscopios de haz de fibras integrados. La hazaña es posible gracias a la distancia focal más corta y a la metaóptica ultrafina.

"La metaóptica son elementos ópticos que manipulan la luz de forma diferente a las lentes a las que estamos acostumbrados en la vida cotidiana", explica Fröch. “En lugar de una superficie de vidrio curvada, la metaóptica se compone de pequeñas nanoestructuras que afectan la forma en que se difracta la luz. Esto significa que básicamente podemos doblarlo y dirigirlo hacia direcciones específicas o tener otras funcionalidades exóticas”.

El diseño inverso es un enfoque en el que la estructura de la metaóptica se diseña en función de la funcionalidad requerida, añade. "Básicamente comenzamos con el resultado que deseamos y luego encontramos la estructura que producirá ese resultado particular de manera más precisa", le dice a Physics World.

El enfoque y la fabricación de la metaóptica deben ser muy precisos y los investigadores dicen que han pasado varios años desarrollando las herramientas de software y las condiciones de fabricación adecuadas para optimizar todos los pasos del proceso.

Lograr imágenes a todo color con metaóptica también es un gran desafío, ya que la resolución suele empeorar a medida que aumenta la gama de colores. "La metaóptica a menudo sólo funciona para una longitud de onda específica, pero cuando empezamos a trabajar en este tema, nos dimos cuenta de que la resolución del endoscopio de fibra óptica metaóptica está limitada en última instancia por el haz de fibras coherente", afirma Fröch. "De este modo, equilibraríamos el ancho de banda de color con la resolución de la manera correcta para lograr imágenes a todo color comparables a las lentes estándar para esta aplicación".

Una sonda de imágenes fotoacústicas ultrafina cabe dentro de una aguja

El equipo de la Universidad de Washington, informando sobre su trabajo en eLight, dice que la metaóptica se adapta perfectamente a aplicaciones endoscópicas e incluso podría explotarse para realizar funcionalidades mucho más exóticas, como imágenes hiperespectrales o imágenes de contraste de fase. "Realmente abren muchas oportunidades y ahora estamos en contacto con otros grupos de investigación y cirujanos para trabajar en muchas de estas posibles aplicaciones", revela Fröch.

Sin embargo, antes de que las aplicaciones del mundo real vean la luz, admite que todavía quedan muchos desafíos por superar. Por un lado, es necesario optimizar las propiedades de la metaóptica para lograr una longitud de punta aún más corta. "También necesitamos encontrar una manera de integrar mejor la metaóptica con el endoscopio para garantizar un funcionamiento seguro", afirma. "En última instancia, queremos encontrar una solución que permita una integración escalable y de bajo costo de la metaóptica con la fibra óptica para que los dispositivos puedan ser ampliamente accesibles".