Ljudsko telo sadrži ogromnu, složenu i međusobno povezanu mrežu organskih tunela i prolaza koji provlače svoj put kroz kardiovaskularni, respiratorni i digestivni sistem. Za lekare, posezanje u ovaj lavirint arterija, bronhijalnih cevi i gastrointestinalnih komora da bi videli i lečili obolelo ili oštećeno tkivo može biti – blago rečeno – izazovno.
Mnogi od ovih vodova su dugi i vijugavi, ali malog prečnika i mogu se suziti na mikroskopske dimenzije. Medicinski uređaji napravljeni za navigaciju i optički pregled ovih područja moraju biti fleksibilni, manevarski i sa izvorom svetlosti.
Jedan takav uređaj je endoskop, koji je duga, tanka, fleksibilna cev sa pričvršćenim svetlom – a ponekad i kamerom. Dugo je bio alat izbora za lekare i hirurge za otkrivanje, pregled i lečenje širokog spektra bolesti i stanja, kao što su krvni ugrušci u srcu, blokade disajnih puteva i rani stadijumi raka debelog creva.
Međutim, ovaj uređaj ima svoja ograničenja. Veličina većine endoskopa koji se danas koristi je prevelika i glomazna za pristup mnogim manjim prostorima u telu, kao što su arterije u mozgu ili bronhiole u plućima. Jedan od ograničavajućih faktora je sočivo kamere i izvor svetlosti koji su potrebni na prednjem kraju, koje lekar koristi da pomeri opseg ka otkrivanju, pregledu i lečenju obolelog ili oštećenog tkiva.
Ali sada je istraživački tim na čelu sa profesorom odeljenja za elektrotehniku i računarstvo i fiziku Univerziteta u Vašingtonu Arka Majumdar dizajnirao novu vrstu sistema sočiva za vrh endoskopa, koji bi mogao omogućiti lekarima da vide i tretiraju područja duboko u telu.
Istraživački tim je objavio svoje nalaze u radu objavljenom ovog meseca u časopisu Svetlo: nauka i aplikacije. Da bi napravio ovaj uređaj, tim je konstruisao metalens – ravnu, laganu optičku komponentu koja koristi mikroskopske nanostrukture za manipulaciju svetlošću. Metalense se koriste u širokom spektru tehnologija gde je prostor ograničen; na primer, u kamerama pametnih telefona.
„Mnogi ljudi koji razvijaju endoskopiju rade na softveru, računarskoj strani“, rekao je Majumdar. „Naš tim je odlučio da razvije metalens za optički hardver u endoskopu, i kako je naš rad napredovao, shvatili smo da su mnoga poboljšanja moguća.“
Sićušni, ravni metali koje je tim dizajnirao mogli bi da omoguće smanjenje prečnika najmanjih endoskopa koji se danas koriste za više od 50%, što bi zauzvrat omogućilo korisniku da pogleda dublje u teško dostupne prostore unutar tela. Napredak bi mogao omogućiti lekarima da pristupe područjima koja nikada ranije nisu viđena optičkim snimanjem, kao što su krvni ugrušci duboko u mozgu i obolele arterije bilo gde u telu, uključujući srce. Ovo je veoma dobra vest za pacijente, posebno za lečenje uobičajenih kardiovaskularnih bolesti, kao što su srčani udar i moždani udar, koji su – kada se kombinuju – uzrok broj jedan prerane smrti u svetu.
Endoskop opremljen sistemom sočiva poput onog koji je istraživački tim razvio mogao bi da pruži lekarima vizuelne povratne informacije u realnom vremenu. To znači veću efikasnost, manje medicinskih grešaka i veću stopu uspeha za svaku medicinsku proceduru. Sistem takođe pruža veću rezoluciju i bolji kontrast od rendgenskog zraka, bez neželjenih nuspojava zračenja.
„Pokušavamo da proširimo oči hirurga ili lekara dublje u telo“, rekao je Eric Seibel, profesor mašinstva na UV, koji je koautor rada i decenijama konstruiše endoskope. „Ovo je oblast u kojoj radim već 25 godina, a ova nova tehnologija ima potencijal da preskoči moj prethodni rad. Veoma sam uzbuđen zbog ovog uređaja.“
Ovaj novi metalens sistem koristi kvantitativno fazno snimanje – tehniku mikroskopije koja meri fazu svetlosti dok ona prolazi kroz providni ili polutransparentni uzorak – i senzor dubine da bi se prikazao trodimenzionalni video u punoj boji u realnom vremenu sa vrlo malo računarstva. potrebna. Takođe je malen, sa širinom otvora od 0,5 milimetara, što je otprilike širina pet ljudskih dlaka položenih jedna na drugu. Danas se radi dosta istraživanja na metalensima koji koriste kvantitativno fazno snimanje i senzor dubine, ali ne sa endoskopskom primenom na umu. To je deo onoga što ovaj uređaj čini jedinstvenim.
Još jedan jedinstveni aspekt ovog optičkog hardvera je da koristi hromatsku aberaciju za detekciju dubine i izgradnju trodimenzionalne slike. Hromatska aberacija je prisutna u skoro svim sočivima i obično se smatra smetnjom. Neuspeh sočiva je da fokusira sve boje na istu tačku i može dovesti do pojave obojenih resa na slikama koje proizvodi nekorigovano sočivo. Ali istraživački tim je pronašao način da ovu manu pretvori u osobinu.
„Koristeći sićušne, ravne metale, stvaramo hromatsko razdvajanje duž fokusa, uzrokujući da se svaka boja konvergira na različitoj dubini. U obrnutom smeru, ovaj uzdužni efekat duge omogućava mapiranje dubine u kanale boja kamere“, rekao je Aamod Shanker, koji je bio glavni autor rada, a sada je istraživač u Iberijskoj nacionalnoj laboratoriji u Portugalu. Šanker je učestvovao u ovom radu dok je bio postdoktorski istraživač u Majumdarovoj laboratoriji iu laboratoriji Stevea Bruntona, profesora mašinstva na UV, koji je takođe bio koautor rada.
Ovo istraživanje se odvijalo prvenstveno u Majumdarovoj laboratoriji i u Vašingtonskom postrojenju za nanofabrikaciju tokom dvogodišnjeg perioda. Drugi koautori rada koji su bili povezani sa UV ECE bili su postdoktorski istraživači Johannes Froch i Sasvata Mukherjee, kao i doktorant UV ECE Maksim Zheliezniakov.
Sada kada je tim proizveo dokaz koncepta, sledeći koraci uključuju izgradnju prototipa za testiranje na fizičkom modelu ljudskog organa. Majumdar i Seibel procenjuju da će se raditi o dvogodišnjem procesu. Vrsta optike koju je tim razvio, meta optika, može se proizvoditi i pakovati u velikom obimu, što pruža jedinstvenu priliku da se ovaj sistem sočiva uvede na medicinsko tržište. Takođe planiraju da vode tehnologiju kroz kliničke studije u narednoj deceniji i dalje.
„Ova hromatska aberacija koja pruža informacije o dubini je dobra, ali ovo je i dalje eksperimentalno“, rekao je Majumdar. „Da bismo dobili ono što je hirurgu potrebno, moramo da poboljšamo kvalitet slike, i to je ono čemu težimo.
Seibel je naglasio uticaj ove tehnologije na ljude u budućnosti.
„Ovo je primena meta optike koja ima potencijal da ima praktičan uticaj na svačije živote, uz značajnu količinu razvojnog rada“, rekao je on. „Možda će biti potrebno još 20 godina da se ostvari taj uticaj. Ali to je tehnologija koja ima veliki potencijal i svi bi trebalo da počnu da obraćaju pažnju na nju.“
