I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per creare in modo flessibile vari raggi laser a forma di ago. Questi fasci lunghi e stretti possono essere utilizzati per migliorare la tomografia a coerenza ottica (OCT), uno strumento di imaging non invasivo e versatile utilizzato per la ricerca scientifica e vari tipi di diagnosi cliniche.

"I raggi laser a forma di ago possono estendere efficacemente la profondità di messa a fuoco di un sistema OCT, migliorando la risoluzione laterale, il rapporto segnale-rumore, il contrasto e la qualità dell'immagine su un lungo intervallo di profondità", ha affermato il leader del team di ricerca Adam de la Zerda della Stanford University School of Medicine. "Tuttavia, prima d'ora, l'implementazione di una specifica trave a forma di ago è stata difficile a causa della mancanza di un metodo di generazione comune e flessibile."

In Ottica , i ricercatori descrivono la loro nuova piattaforma per la creazione di travi a forma di ago con diverse lunghezze e diametri. Può essere utilizzato per creare vari tipi di fasci, ad esempio uno con una profondità di campo estremamente lunga o uno inferiore al limite di diffrazione della luce.

I fasci a forma di ago generati con questo metodo potrebbero avvantaggiare una varietà di applicazioni OCT. Ad esempio, l'utilizzo di un raggio lungo e stretto potrebbe consentire l'imaging OCT ad alta risoluzione della retina senza alcuna messa a fuoco dinamica, rendendo il processo più veloce e quindi più confortevole per i pazienti. Potrebbe anche estendere la profondità di messa a fuoco per l'endoscopia OCT, migliorando l'accuratezza della diagnosi.

"La rapida capacità di imaging ad alta risoluzione dei raggi a forma di ago può anche eliminare gli effetti negativi che si verificano a causa dei movimenti umani durante l'acquisizione dell'immagine", ha affermato il primo autore del documento Jingjing Zhao. "Questo può aiutare a individuare il melanoma e altri problemi della pelle utilizzando l'OCT."

Una soluzione flessibile

In quanto strumento di imaging non invasivo, l'OCT presenta una risoluzione assiale costante lungo la sua profondità di imaging. Tuttavia, la sua risoluzione assiale, determinata dalla sorgente luminosa, ha una profondità di messa a fuoco molto ridotta. Per affrontare questo problema, gli strumenti OCT sono spesso realizzati in modo che la messa a fuoco possa essere spostata lungo la profondità per acquisire immagini nitide di un'intera regione di interesse. Tuttavia, questa messa a fuoco dinamica può rendere l'immagine più lenta e non funziona bene per applicazioni in cui il campione non è statico.

L'OCT in genere utilizza una lente dell'obiettivo che genera un punto focale con una singola profondità di messa a fuoco ridotta. Per aumentare la profondità di messa a fuoco, i ricercatori hanno utilizzato un elemento ottico diffrattivo noto come maschera di fase che utilizza microstrutture per creare vari modelli di luce risultanti in numerosi punti focali lungo la direzione assiale. Hanno progettato la maschera di fase con gruppi di pixel distribuiti casualmente e modellati in modo speciale per creare una nuova messa a fuoco diversa da quella originale. L'intera maschera di fase può quindi essere utilizzata per generare fuochi densamente distanziati in direzione assiale, formando un raggio a forma di ago con una lunga profondità di messa a fuoco.

"La flessibilità è il vantaggio principale di questo nuovo approccio", ha affermato Zhao. "Sia la lunghezza del raggio che il suo diametro possono essere modificati in modo flessibile e preciso modificando le posizioni dei fuochi e la differenza di fase tra ogni due fuochi adiacenti". Questa flessibilità è possibile grazie a un modello computazionale sviluppato dai ricercatori per rivelare la relazione tra le proprietà del fascio e i parametri di progettazione dei fuochi multipli in modo preciso e quantitativo. Hanno anche sviluppato una procedura di fabbricazione ad alte prestazioni per realizzare elementi ottici diffrattivi basati sui calcoli del modello.

Selezione del raggio giusto

Per testare il loro modello, i ricercatori hanno creato forme del raggio adatte per l'imaging di diversi tipi di campioni. Ad esempio, per visualizzare le singole cellule all'interno di un intero strato di epidermide umana, hanno creato un raggio a forma di ago con un diametro inferiore a 2 micron (risoluzione cellulare) e una lunghezza di almeno 80 micron (spessore dell'epidermide). Sono stati anche in grado di acquisire immagini dinamiche ad alta risoluzione di un cuore che batte in una larva di drosofila vivente, che è un organismo modello importante per lo studio delle malattie cardiache. Ciò richiedeva un raggio lungo 700 micron e con un diametro di 8 micron per visualizzare la struttura dell'organo su un lungo intervallo di profondità.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare l'approccio sostituendo l'elemento ottico diffrattivo e l'obiettivo attualmente utilizzati per creare un raggio a forma di ago con un singolo metallo piatto basato sul loro modello. Questo metallo può essere posizionato sul cranio di un topo per osservare in tempo reale la dinamica dei neuroni all'interno del cervello del topo.

Il nuovo lavoro potrebbe anche trovare applicazioni oltre al miglioramento dell'OCT. "I fasci a forma di ago possono essere utilizzati per migliorare la risoluzione di tutti i sistemi di microscopia, compresa la manipolazione delle particelle con pinzette ottiche, l'elaborazione dei materiali, la microscopia confocale, la microscopia multifotonica, la fotolitografia e la tomografia fotoacustica", ha affermato Zhao. "Il nostro modello può essere applicato anche alle onde elettromagnetiche per l'imaging terahertz e persino alle onde meccaniche utilizzate nell'imaging a ultrasuoni". + Esplora ulteriormente

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