Nuevo sistema de lentes para endoscopios proporciona visión sin precedentes del interior del cuerpo

El cuerpo humano es una red de conductos complejos e interconectados que atraviesan los sistemas cardiovascular, respiratorio y digestivo. Para los médicos, alcanzar y tratar tejidos enfermos o dañados dentro de estas estrechas y sinuosas arterias, tubos bronquiales y cámaras gastrointestinales puede ser una tarea desafiante. Muchas de estas vías no solo tienen un diámetro reducido, sino que también pueden estrecharse hasta tamaños microscópicos, lo que dificulta su acceso para el tratamiento. Los dispositivos médicos que se utilizan para navegar y ver estas áreas deben ser flexibles, maniobrables y estar equipados con una fuente de luz. Uno de estos dispositivos es un endoscopio, un tubo largo, delgado y flexible que lleva una luz, y a menudo una cámara, en su punta. Los endoscopios han sido durante mucho tiempo una herramienta vital para detectar, observar y tratar diversas condiciones médicas, como coágulos de sangre en el corazón, obstrucciones de las vías respiratorias y cáncer de colon en etapa temprana.

Sin embargo, los endoscopios actuales no están exentos de limitaciones. El tamaño de muchos endoscopios utilizados hoy en día es demasiado voluminoso para alcanzar espacios más pequeños dentro del cuerpo, como las arterias del cerebro o los bronquiolos de los pulmones.Esta restricción de tamaño se debe principalmente a la lente de la cámara y la fuente de luz necesarias en la punta del dispositivo, elementos esenciales para detectar, observar y tratar tejidos enfermos. En respuesta, los investigadores han diseñado un innovador sistema de lentes que podría permitir a los médicos visualizar y tratar mejor áreas profundas del cuerpo. Los investigadores han diseñado una metalente, un componente óptico plano y liviano que manipula la luz a través de nanoestructuras microscópicas. Las metalentes tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas tecnologías donde el espacio es limitado, como en las cámaras de los teléfonos inteligentes.

Imagen: Una ilustración del sistema de lentes del endoscopio (foto cortesía de Aamod Shanker/UW ECE)

La diminuta y plana metalente diseñada por el equipo de investigación del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Washington (Seattle, WA, EUA) podría reducir el diámetro de los endoscopios más pequeños en más de un 50 %. Esta reducción permitiría a los médicos acceder a áreas más profundas y de difícil alcance dentro del cuerpo. El sistema es increíblemente pequeño, con un ancho de apertura de solo 0,5 milímetros, aproximadamente el ancho de cinco cabellos humanos uno al lado del otro. El nuevo sistema de metalentes utiliza imágenes de fase cuantitativas, una técnica de microscopía que mide la fase de la luz al pasar por una muestra, y detección de profundidad para generar un video tridimensional a todo color en tiempo real con requisitos computacionales mínimos. Si bien la investigación ha explorado el uso de imágenes de fase cuantitativas y detección de profundidad en otros contextos, su aplicación en procedimientos endoscópicos es un desarrollo único e innovador.

Otra característica novedosa del sistema óptico es el uso de la aberración cromática para la detección de profundidad y la obtención de imágenes en 3D. Normalmente, la aberración cromática se considera un defecto óptico que provoca franjas de color en las imágenes debido a la incapacidad de una lente para enfocar todos los colores en el mismo punto. Sin embargo, el equipo encontró una forma de convertir esta imperfección en una ventaja. Mediante el uso de una metalente diminuta y plana, crearon un efecto de división cromática, lo que hace que cada color converja a diferentes profundidades. Este efecto de arco iris longitudinal permite mapear la profundidad en los canales de color de una cámara. Los resultados de este estudio, publicado en Nature Light: Science & Applications, muestran que un endoscopio con un sistema de lentes de este tipo podría proporcionar información visual en tiempo real a los médicos, mejorando la eficiencia, la precisión y la tasa de éxito de los procedimientos médicos. El sistema también ofrece una resolución más alta y un mejor contraste que los rayos X sin la exposición a la radiación dañina.

Este avance abre la posibilidad de que los médicos accedan a áreas previamente inaccesibles, como coágulos de sangre profundos en el cerebro o arterias enfermas en todo el cuerpo, incluyendo el corazón. Se trata de un avance prometedor, en particular para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares como ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares, que son las principales causas de muerte prematura en todo el mundo. Tras desarrollar una prueba de concepto, el equipo de investigación planea ahora construir un prototipo para probarlo en un modelo físico de un órgano humano. La tecnología metaóptica que han creado se puede fabricar y ampliar, lo que presenta una oportunidad única para llevar este sistema de lentes al mercado médico. También pretenden guiar la tecnología a través de ensayos clínicos durante la próxima década y más allá.

“Estamos tratando de extender los ojos del cirujano o del médico a lo más profundo del cuerpo”, dijo Eric Seibel, profesor de investigación en ingeniería mecánica de la UW, coautor del artículo y que ha estado diseñando endoscopios durante décadas. “Esta es una aplicación de la metaóptica que tiene el potencial de tener un impacto práctico en la vida de todos, con una cantidad significativa de trabajo de desarrollo. Puede que se necesiten 20 años más para lograr ese impacto. Pero es una tecnología que tiene un gran potencial y todos deberían comenzar a prestarle atención”.