Žmogaus kūne yra didžiulis, sudėtingas ir tarpusavyje sujungtas organinių tunelių ir kanalų tinklas, kuris eina per širdies ir kraujagyslių, kvėpavimo ir virškinimo sistemas. Gydytojams patekti į šį arterijų, bronchų ir virškinimo trakto ertmių labirintą, norint apžiūrėti ir gydyti sergančius ar pažeistus audinius, gali būti, švelniai tariant, sudėtinga.
Daugelis šių vamzdžių yra ilgi ir vingiuoti, bet mažo skersmens ir gali susiaurėti iki mikroskopinių matmenų. Medicinos prietaisai, skirti naviguoti ir optiškai peržiūrėti šias sritis, turi būti lankstūs, manevringi ir turėti šviesos šaltinį.
Vienas iš tokių prietaisų yra endoskopas, kuris yra ilgas, plonas, lankstus vamzdelis su pritvirtinta šviesa, o kartais ir kamera. Tai jau seniai gydytojų ir chirurgų pasirinkimo priemonė, skirta aptikti, stebėti ir gydyti įvairias ligas ir sąlygas, tokias kaip kraujo krešuliai širdyje, kvėpavimo takų užsikimšimas ir ankstyvosios gaubtinės žarnos vėžio stadijos.
Tačiau šis įrenginys turi savo apribojimų. Dauguma šiandien naudojamų endoskopų yra per dideli ir nepatogūs, kad galėtų pasiekti daug mažesnių kūno erdvių, pavyzdžiui, smegenų arterijų ar plaučių bronchiolių. Vienas iš ribojančių veiksnių yra fotoaparato objektyvas ir šviesos šaltinis, reikalingas priekyje, kurį gydytojas naudoja, kad aptiktų, apžiūrėtų ir gydytų sergančius ar pažeistus audinius.
Tačiau dabar Vašingtono universiteto Elektros ir kompiuterių inžinerijos ir fizikos katedros vadovaujama tyrimų grupė profesorė Arka Majumdar sukūrė naujos rūšies lęšių sistemą endoskopo antgaliui, kuri leistų gydytojams apžiūrėti ir gydyti sritis giliai kūno viduje. .
Tyrimo grupė paskelbė savo išvadas šį mėnesį paskelbtame dokumente Šviesa: mokslas ir programos. Norėdami sukurti šį įrenginį, komanda sukūrė metaleną – plokščią, lengvą optinį komponentą, kuris naudoja mikroskopines nanostruktūras manipuliuoti šviesa. Metalensai naudojami įvairiose technologijose, kur erdvė ribota; pavyzdžiui, išmaniųjų telefonų kamerose.
„Daugelis žmonių, kuriančių endoskopiją, dirba su programine įranga, skaičiavimo puse”, – sakė Majumdaras. „Mūsų komanda nusprendė sukurti endoskopo optinės įrangos metaleną, o mūsų darbui tobulėjant supratome, kad galima daug patobulinimų.
Dėl mažų, plokščių metalų, kuriuos sukūrė komanda, galima sumažinti mažiausių šiandien naudojamų endoskopų skersmenį daugiau nei 50 %, o tai savo ruožtu įgalintų vartotoją giliau pažvelgti į sunkiai pasiekiamas kūno vietas. Pažanga leistų gydytojams patekti į sritis, kurių iki šiol nematė optinis vaizdas, pvz., kraujo krešulius giliai smegenyse ir sergančias arterijas bet kurioje kūno vietoje, įskaitant širdį. Tai labai gera žinia pacientams, ypač gydant įprastas širdies ir kraujagyslių ligas, tokias kaip širdies priepuolis ir insultas, kurie kartu yra pirmoji pirmalaikės mirties priežastis pasaulyje.
Endoskopas, aprūpintas lęšių sistema, tokia, kokią sukūrė tyrimų grupė, galėtų suteikti gydytojams vaizdinį grįžtamąjį ryšį realiu laiku. Tai reiškia didesnį efektyvumą, mažiau medicininių klaidų ir didesnį kiekvienos medicininės procedūros sėkmės rodiklį. Sistema taip pat užtikrina didesnę skiriamąją gebą ir didesnį kontrastą nei rentgeno spinduliai, be nepageidaujamo radiacijos poveikio.
„Mes stengiamės išplėsti chirurgo ar gydytojo akis giliau į kūną”, – sakė Eric Seibel, UW mechanikos inžinerijos tyrimų profesorius, kuris buvo šio dokumento bendraautoris ir dešimtmečius kuria endoskopus. „Tai sritis, kurioje dirbu 25 metus, o ši nauja technologija turi potencialo peršokti į ankstesnį mano darbą. Labai džiaugiuosi šiuo įrenginiu.”
Chromatinės aberacijos panaudojimas metalenuose
Šioje naujoje metalenų sistemoje naudojamas kiekybinis fazių vaizdavimas – mikroskopijos technika, kuri matuoja šviesos fazę, kai ji praeina per skaidrų arba pusiau permatomą mėginį, ir gylio jutimą, kad realiuoju laiku būtų pateiktas trimatis spalvotas vaizdo įrašas su labai mažais skaičiavimais. reikia. Jis taip pat yra mažas, jo diafragmos plotis yra 0,5 milimetro, tai yra maždaug penkių žmogaus plaukų plotis, išdėstytas vienas į kitą. Šiandien atliekama daug tyrimų apie metalensus, kurie naudoja kiekybinį fazės vaizdavimą ir gylio jutimą, bet ne endoskopinį taikymą. Tai yra dalis to, kas daro šį įrenginį unikalų.
Kitas unikalus šios optinės įrangos aspektas yra tai, kad ji naudoja chromatinę aberaciją gylio jutimui ir trimačiui vaizdui kurti. Chromatinė aberacija yra beveik visuose lęšiuose ir paprastai laikoma nepatogumu. Tai yra objektyvo nesugebėjimas sufokusuoti visas spalvas į tą patį tašką ir dėl to gali atsirasti spalvotų kraštelių vaizduose, padarytuose naudojant nekoreguotą objektyvą. Tačiau tyrimo grupė rado būdą, kaip šį trūkumą paversti savybe.
„Naudodami mažyčius, plokščius metalenus, sukuriame chromatinį skilimą išilgai fokusavimo, todėl kiekviena spalva susilieja skirtingu gyliu. Atvirkščia kryptimi šis išilginis vaivorykštės efektas leidžia priskirti gylį į fotoaparato spalvų kanalus”, – sakė Aamod. Shanker, kuris buvo pagrindinis šio straipsnio autorius ir dabar yra Iberijos nacionalinės laboratorijos, Portugalijos, mokslinis bendradarbis. Shankeris dalyvavo šiame darbe, kol buvo doktorantūros tyrėjas Majumdaro laboratorijoje ir Steve'o Bruntono, UW mechanikos inžinerijos profesoriaus, kuris taip pat buvo šio straipsnio bendraautorius, laboratorijoje.
Šis tyrimas daugiausia vyko Majumdaro laboratorijoje ir Vašingtono nanofabrikačių gamykloje per dvejus metus. Kiti su UW ECE susiję šio straipsnio bendraautoriai buvo doktorantai Johannes Fröch ir Saswata Mukherjee, taip pat UW ECE doktorantas Maksym Zhelyeznyakov.
Ateities vizija
Dabar, kai komanda parengė koncepcijos įrodymą, kiti žingsniai apima prototipo kūrimą, kad būtų galima išbandyti fizinį žmogaus organo modelį. Majumdaras ir Seibelis apskaičiavo, kad tai truks maždaug dvejus metus. Komandos sukurta optikos rūšis, meta optika, gali būti gaminama ir supakuota dideliu mastu, o tai suteikia unikalią galimybę šią lęšių sistemą pristatyti medicinos rinkoje. Jie taip pat planuoja vadovautis technologija klinikiniais tyrimais per ateinantį dešimtmetį ir vėliau.
„Ši chromatinė aberacija, teikianti informaciją apie gylį, yra gera, tačiau tai vis dar yra eksperimentinė“, – sakė Majumdaras. „Kad gautume tai, ko reikia chirurgui, turime pagerinti vaizdo kokybę, ir to siekiame.
Seibel pabrėžė, kokį poveikį ši technologija gali turėti ateityje.
„Tai metaoptikos taikymas, galintis turėti praktinį poveikį kiekvieno žmogaus gyvenimui, atliekant daug kūrimo darbų“, – sakė jis. „Gali prireikti dar 20 metų, kad padarytumėte tokį poveikį. Tačiau tai technologija, turinti didelį potencialą, ir kiekvienas turėtų pradėti į tai atkreipti dėmesį.”