Los investigadores han desarrollado un nuevo método para crear de forma flexible varios rayos láser en forma de aguja. Estos haces largos y estrechos se pueden utilizar para mejorar la tomografía de coherencia óptica (OCT), una herramienta de imagen no invasiva y versátil que se utiliza para la investigación científica y varios tipos de diagnósticos clínicos.

"Los rayos láser en forma de aguja pueden extender de manera efectiva la profundidad de enfoque de un sistema OCT, mejorando la resolución lateral, la relación señal-ruido, el contraste y la calidad de imagen en un amplio rango de profundidad", dijo el líder del equipo de investigación, Adam de la Zerda de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford. "Sin embargo, antes de ahora, la implementación de un haz específico en forma de aguja ha sido difícil debido a la falta de un método de generación flexible y común".

En Óptica , los investigadores describen su nueva plataforma para crear vigas en forma de aguja con diferentes longitudes y diámetros. Se puede usar para crear varios tipos de haces, como uno con una profundidad de campo extremadamente larga o uno que es más pequeño que el límite de difracción de la luz, por ejemplo.

Los rayos en forma de aguja generados con este método podrían beneficiar una variedad de aplicaciones de OCT. Por ejemplo, la utilización de un haz estrecho y largo podría permitir obtener imágenes OCT de alta resolución de la retina sin ningún enfoque dinámico, lo que hace que el proceso sea más rápido y, por lo tanto, más cómodo para los pacientes. También podría ampliar la profundidad de enfoque para la endoscopia OCT, lo que mejoraría la precisión del diagnóstico.

"La rápida capacidad de imágenes de alta resolución de los haces en forma de aguja también puede eliminar los efectos adversos que se producen debido a los movimientos humanos durante la adquisición de imágenes", dijo el primer autor del artículo, Jingjing Zhao. "Esto puede ayudar a identificar el melanoma y otros problemas de la piel usando OCT".

Una solución flexible

Como herramienta de imagen no invasiva, la OCT presenta una resolución axial que es constante a lo largo de su profundidad de imagen. Sin embargo, su resolución axial, que está determinada por la fuente de luz, tiene una profundidad de foco muy pequeña. Para abordar este problema, los instrumentos OCT a menudo se fabrican de modo que el foco se pueda mover a lo largo de la profundidad para capturar imágenes claras de toda una región de interés. Sin embargo, este enfoque dinámico puede hacer que la imagen sea más lenta y no funciona bien para aplicaciones en las que la muestra no es estática.

La OCT suele utilizar una lente objetivo que genera un punto focal con una única profundidad de foco corta. Para aumentar la profundidad de enfoque, los investigadores utilizaron un elemento óptico difractivo conocido como máscara de fase que utiliza microestructuras para crear varios patrones de luz que dan como resultado numerosos puntos focales a lo largo de la dirección axial. Diseñaron la máscara de fase con grupos de píxeles que se distribuyeron aleatoriamente y se modelaron especialmente para crear un nuevo foco diferente al original. La máscara de fase completa se puede usar para generar focos densamente espaciados en la dirección axial, formando un haz en forma de aguja con una gran profundidad de foco.

"La flexibilidad es la principal ventaja de este nuevo enfoque", dijo Zhao. "Tanto la longitud del haz como su diámetro se pueden cambiar de manera flexible y precisa modificando las ubicaciones de los focos y la diferencia de fase entre cada dos focos adyacentes". Esta flexibilidad es posible gracias a un modelo computacional que los investigadores desarrollaron para revelar la relación entre las propiedades del haz y los parámetros de diseño de los múltiples focos de forma cuantitativa y precisa. También desarrollaron un procedimiento de fabricación de alto rendimiento para fabricar elementos ópticos difractivos basados ​​en los cálculos del modelo.

Seleccionar el haz correcto

Para probar su modelo, los investigadores crearon formas de haz adecuadas para obtener imágenes de varios tipos diferentes de muestras. Por ejemplo, para obtener imágenes de células individuales dentro de una capa completa de epidermis humana, crearon un haz en forma de aguja con un diámetro inferior a 2 micras (resolución celular) y una longitud de al menos 80 micras (grosor de la epidermis). También pudieron capturar imágenes dinámicas de alta resolución de un corazón que late en una larva viva de drosófila, que es un organismo modelo importante para estudiar las enfermedades del corazón. Esto requirió un haz de 700 micras de largo y 8 micras de diámetro para visualizar la estructura del órgano en un amplio rango de profundidad.

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar el enfoque al reemplazar el elemento óptico difractivo y el objetivo que se usa actualmente para hacer un haz en forma de aguja con un solo metal plano basado en su modelo. Este metalens podría colocarse en el cráneo de un ratón para observar la dinámica de las neuronas dentro del cerebro del ratón en tiempo real, por ejemplo.

El nuevo trabajo también podría encontrar aplicaciones más allá de mejorar OCT. "Los haces en forma de aguja se pueden utilizar para mejorar la resolución de todos los sistemas de microscopía, incluida la manipulación de partículas con pinzas ópticas, el procesamiento de materiales, la microscopía confocal, la microscopía multifotónica, la fotolitografía y la tomografía fotoacústica", dijo Zhao. "Nuestro modelo también se puede aplicar a ondas electromagnéticas para imágenes de terahercios e incluso a las ondas mecánicas utilizadas en imágenes de ultrasonido". + Explora más

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