美国华盛顿大学的研究团队成功开发了元光纤内窥镜技术，通过逆向设计优化，实现了内窥镜尖端长度缩小三分之一的突破性进展。新器件在保持宽阔视场和大景深的同时，能够捕获整个可见光谱范围内的实时全彩图像，为医学影像技术的进步开辟了新的可能性。
近日，华盛顿大学的研究团队在内窥镜技术领域取得了重大突破，成功研发了元光纤内窥镜技术。内窥镜检查作为一种常用的医疗诊断手段，通过将一根长的柔性管(由相机和光导组成)插入体内，可获取人体内部组织的图像。然而，传统内窥镜设备由于顶端刚性光学部件的限制，其尖端长度一直限制了在狭小管道中的应用。
为解决尖端长度限制，研究人员转向了名为“元光学”的超薄光学元件，它由纳米级光散射体阵列组成，旨在塑造入射波前的相位和振幅。然而，以往的元光学器件在全彩色成像和视场范围方面存在挑战。在这项研究中，研究团队采用逆向设计方法，成功优化了元光学器件，实现了内窥镜尖端长度的显著缩小。
左图：放置在相干光纤束前的元光学器件的光学显微镜图像;右图：该器件的扫描电子显微镜图像。
新型元光纤内窥镜器件具备多项优势。首先，该器件保持了22.5°的宽阔视场和超过30毫米的大景深，使医生能够获得更清晰全面的图像。其次，尖端长度仅为2.5毫米，相较传统商用“梯度折射率”镜头缩小了33%，使得内窥镜在更为狭小的通道内操作成为可能。
更为引人注目的是，新型元光纤内窥镜器件实现了在整个可见光谱范围内的实时全彩图像捕获。此前，全彩成像一直是内窥镜技术的难点，但通过逆向设计的元光学器件，研究人员成功克服了这一挑战，使得内窥镜可以在多种波长下进行清晰成像，进一步提高了其应用的临床价值。
虽然取得了重要进展，但研究团队指出，仍有一些挑战需要解决。优化元光学器件的特性，以进一步缩小尖端长度，以及更好地集成元光学器件与内窥镜是未来研究的重点。然而，元光纤内窥镜技术的成功开发为医学影像技术的进步带来了新的可能性。此外，研究团队还在探索更多应用领域，例如高光谱成像和相差成像，进一步展示了元光纤技术的广阔前景。虽然还需进一步努力，但这一技术的潜在应用为内窥镜技术的未来发展带来了希望。
在元光纤内窥镜技术的发展中，逆向设计起到了关键作用。研究人员从期望的结果出发，寻找最接近目标的结构，使得内窥镜器件能够实现更小尖端长度、宽阔视场和实时全彩成像。这一逆向设计的方法对于克服光学器件的限制，使其适应医学领域的特殊需求，具有重要的意义。
该研究团队表示，元光学器件的制造和优化过程非常精密和复杂。他们花费了数年时间开发正确的软件工具和制造条件，以确保每个步骤都能达到最优效果。此严谨的研究为元光纤内窥镜技术的实现奠定了坚实基础。
元光学器件不仅能用于内窥镜技术，还具备其他潜在应用。研究团队正在与其他研究小组和外科医生合作，探索该技术在高光谱成像、相差成像等领域的可能性。这些合作有望进一步扩展元光学技术的应用范围，并推动其在医学领域的全面应用。
尽管取得了重要的突破，研究团队也意识到在元光纤内窥镜技术的实际应用中，仍存在挑战需要克服。其一，元光学器件的特性需要进一步优化，以进一步缩小尖端长度。其二，如何更好地集成元光学器件与内窥镜，确保操作的安全性也是一个重要议题。为此，研究人员希望找到一种解决方案，实现元光学与光纤的低成本且可扩展的集成，从而使元光纤内窥镜技术能够广泛普及和应用。
总体而言，元光纤内窥镜技术的成功开发为医学影像技术带来了新的突破，并有望为临床医学提供更准确和全面的诊断手段。随着元光学技术不断发展和完善，内窥镜检查将在视觉质量和精准度上迈上新的台阶，为医学界带来更多可能性和希望。
