Forskare har tillverkat en ny typ av luftfylld optisk fiberbunt som kraftigt kan förbättra endoskop som används för medicinska ingrepp som minimalt invasiva operationer eller bronkoskopier. Den nya tekniken kan också leda till endoskop som producerar bilder med infraröda våglängder, vilket skulle möjliggöra diagnostiska förfaranden som inte är möjliga med endoskop idag.
Endoskop använder buntar av optiska fibrer för att överföra bilder inifrån kroppen. Ljus som faller på ena änden av fiberknippet går genom varje fiber till den bortre änden, så att en bild kan bäras i form av tusentals fläckar som liknar pixlarna i en digital bild.
Optiska fibrer består av en inre kärna och en ytterbeklädnad med olika optiska egenskaper, som fångar ljuset inuti och gör det möjligt att färdas ner i fibern. Snarare än att använda kärnor och beklädnader gjorda av två typer av glas som de flesta fiberknippen, de nya buntarna använder en uppsättning glaskärnor omgiven av ihåliga glaskapillärer fyllda med luft som fungerar som beklädnad.
I tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare visar att deras nya fiberbuntar, som de kallar luftklädda bildfibrer, bibehålla upplösningen för de bästa kommersiella bildfibrerna vid det dubbla våglängdsintervallet som de kommersiella fibrerna kan användas. Den nya fibern kan användas för att skapa endoskop som är mindre eller har högre upplösningar än de som finns tillgängliga idag.
"Högre upplösning är alltid till hjälp för kliniker som utför endoskopiska ingrepp, men de mest känsliga jobben, som i hjärnan, kräver vanligtvis de tunnaste instrumenten, "sa tidningens första författare, Harry Wood från University of Bath. "Dessa instrument är vanligtvis så smala att bildfibrerna innehåller för få kärnor för att få en tydlig bild. Våra luftbeklädda buntar gör att fler fibrer kan packas till en mindre diameter och kommer därför troligen att vara särskilt användbara i dessa situationer."
Förutom applikationer inom medicinsk diagnostik och behandling, den nya fibern kan visa sig vara användbar för industriella tillämpningar som övervakning av innehållet i farliga maskiner eller avbildning av insidan av olja och mineralborrar.
Kombinerar luft och glas
När ett fibrbunt innehåller ett större antal kärnor inom ett givet tvärsnittsområde, det kommer att producera mer detaljerade bilder på samma sätt som en kamera med fler pixlar skapar bilder med högre upplösning. Dock, om kärnorna är för små och nära varandra, ljus kan läcka från en till en annan och bilden blir suddig.
"Honeycomb -strukturen vi utvecklade kombinerar glas och luft för att innehålla ljus mycket tätare i kärnorna än traditionella bildfibrer som använder två typer av glas, "sa Wood." Detta gör att vi kan föra kärnorna närmare varandra än någonsin tidigare, eller pressa in längre våglängder av ljus, utan den suddighet som skulle ses med konventionella tillvägagångssätt. "
Det faktum att de nya fibrerna fungerar bra med våglängder längre in i den infraröda delen av spektrumet kan möjliggöra utveckling av endoskop som bildar fluorescerande markörer som avger vid dessa våglängder. Infrarött ljus kan också användas för att bildceller som är inbäddade djupare i vävnaden än vad som kan avbildas med synliga våglängder.
"Det finns fluorescerande markörprober som avger ljus av specifika våglängder som svar på vissa bakterier eller immunceller, "sa Wood." Dessa kan vara mycket effektiva för att lyfta fram sjukdomar i lungan, till exempel, men vi kan för närvarande endast använda en eller två sådana sonder i det våglängdsområde som erbjuds av dagens endoskopteknik. "
Jämför fiberprestanda
För att testa bildfibrerna, forskarna gjorde en luftklädd fiberbunt som matchade upplösningen för en ledande kommersiell fiber eftersom den hade samma avstånd mellan kärnorna. De kunde införliva mer än 11, 000 kärnor i fibern genom att stapla ihop flera mindre bikakestrukturer tillsammans.
Forskarna påpekar att principen bakom de nya fibrerna har varit känd i åratal men att tillverkningen närmar sig, särskilt för fibrer med luftgap, har nyligen avancerat till den punkt där dessa fibrer skulle kunna tillverkas.
Forskarna använde sitt nya luftklädda fiberpaket och den kommersiella fibern för att avbilda en standardtestmålbild. "Vi var mycket glada över att upptäcka att den luftklädda fibern fungerade långt utanför det våglängdsområde som vår synliga kamera kunde upptäcka, "sa Wood." När vi bytte till en infraröd kamera, vi såg att fibern skapade en tydlig bild vid dubbel våglängd som den kommersiella fibern nådde. "
