Přenosná diagnostika na dosah: Nový metapovrch zmenší lékařské zobrazování pro smartphony

Vědci z australského Centra excelence pro transformativní metaoptické systémy (TMOS) vyvinuli průlomovou technologii, která by mohla zásadně změnit lékařské zobrazování.

Vědci z australského Centra excelence pro transformativní metaoptické systémy (TMOS) vyvinuli průlomovou technologii, která by mohla zásadně změnit lékařské zobrazování. Vytvořili metapovrch, který funguje jako dvě zařízení v jednom, což otevírá cestu k výrazně menším a kompaktnějším lékařským zobrazovacím přístrojům pro diagnostiku přímo u pacienta.

Tato inovace umožňuje zobrazovat mikroskopické objekty, které jsou jinak téměř neviditelné. Hlavní technika, kterou vědci používají, se nazývá fázová mikroskopie. Místo intenzity světla, jako u běžných kamer, vytváří obraz z drobných posunů ve vlnách světla. To umožňuje pozorovat vzorky bez nutnosti barvení, které je časově náročné a může vzorek pozměnit. Ačkoliv existuje mnoho fázových mikroskopů, všechny se potýkají s kompromisy mezi základními možnostmi, kompaktností a dobou provozu. Nový metapovrch TMOS však spojuje několik pokroků v nanofotonice na jediném povrchu, což umožňuje vytvářet informačně bohatá zařízení s dosud nevídanou kompaktností.

Klíčovým cílem výzkumu bylo nejen vytvářet fázově kontrastní obrazy, ale dosáhnout kvantitativní fázové mikroskopie (QPM). QPM poskytuje nejen obecný tvar vzorku, ale také přesný fázový posun světla v každé oblasti obrazu. To umožňuje objektivní měření vlastností, jako je index lomu a suchá hmotnost tkání, což je zásadní pro přesnější diagnostiku a výzkum. Pro dosažení QPM v kompaktním, rychlém a přenosném provedení bylo nutné integrovat více funkcí metapovrchu do jediného designu.

Vědci dosáhli kompaktnosti díky návrhu „nelokálního“ metapovrchu, který zpracovává obraz jako celek, nikoli jen jednotlivé světelné paprsky. To šetří místo, protože metapovrch lze umístit přímo před vzorek bez velkých mezer mezi optickými prvky. Plná QPM vyžaduje měření fázových změn ve dvou kolmých směrech obrazu, což obvykle znamená pořízení dvou samostatných snímků a fyzickou změnu nastavení. Tým však zjistil, že se tomu může vyhnout, pokud dokáže integrovat schopnost provádět obě měření na jediném povrchu. Toho dosáhli navržením nanostruktur metapovrchu tak, aby reagovaly pouze na velmi úzké pásmo světla. Díky tomu mohli na povrchu vytvořit dvě sady struktur, z nichž každá je citlivá na jinou vlnovou délku světla. To znamená, že funkce metapovrchu lze volit na základě vlnové délky použitého světla, čímž odpadá nutnost fyzicky měnit nastavení. Tento princip multiplexování také umožnil začlenit techniku diferenciálního fázového kontrastu, která snižuje šum ve výsledných QPM obrazech.

S více funkcemi na jediném čipu se otevírá potenciál pro menší zařízení a zjednodušený proces zobrazování, což se může ukázat jako neocenitelné při diagnostice nemocí, jako je srpkovitá anémie, různé druhy rakoviny a neurodegenerativní onemocnění, které se opírají o pozorování tvaru buněk a růstových vzorců. V budoucnu by se tato technologie mohla uplatnit v malých zařízeních pro diagnostiku přímo u pacienta, například jako mikroskop na chytrém telefonu nebo na hlavě endoskopu pro zobrazování uvnitř těla. I když je třeba překonat překážky v nákladech na hardware a výrobu, vědci jsou optimističtí a již pracují na integraci designu do komerčních mikroskopů s jednoduššími infračervenými LED diodami. Cílem je miniaturizace senzorů, které najdou uplatnění od mikroskopické vnitřní medicíny až po astronomii.