Metalente comandata in tensione: due fuochi per il microscopio fotoacustico

Un gruppo di ricerca di POSTECH ha realizzato un microscopio fotoacustico che cambia profondità focale variando una tensione di pilotaggio. La lente non si muove mai. Secondo l'articolo del gruppo pubblicato su Light: Science & Applications, una metalente nanostrutturata in nitruro di silicio commuta tra due modi focali limitati dalla diffrazione a una lunghezza d'onda visibile, con tensioni di commutazione di 0,87 V e 1,03 V e un tempo di risposta di 250 ms. I due fuochi insieme offrono 1,2 mm di copertura assiale, mantenendo la risoluzione laterale a 3,7 μm. Il lavoro è stato guidato da Junsuk Rho e Chulhong Kim.

Il risultato è un passo modesto ma concreto. Non produce una lente a sintonia continua, ma una lente a due stati, e basta a ridurre un compromesso fondamentale dell'imaging fotoacustico a risoluzione ottica.

01Il problema della profondità di fuoco

La microscopia fotoacustica illumina il tessuto con luce laser pulsata. Gli assorbitori, come l'emoglobina, si riscaldano ed emettono ultrasuoni, che un trasduttore registra. Nella variante a risoluzione ottica la luce viene focalizzata in modo stretto per ottenere una risoluzione laterale su scala micrometrica. Una focalizzazione più stretta accorcia però la profondità di fuoco, per cui a ogni istante solo una sottile porzione assiale è a fuoco.

Il rimedio abituale è un fascio di Bessel o un altro fascio non diffrattivo, che mantiene un nucleo stretto su un intervallo assiale più lungo. Il prezzo da pagare sono i lobi laterali. Il gruppo di Chulhong Kim li descrive come causa di una riduzione del rapporto segnale-rumore e di una dispersione dell'energia laser su un volume più ampio, con conseguente calo dell'intensità del segnale. L'approccio di POSTECH mantiene invece un tradizionale fuoco singolo e lo sposta elettronicamente tra due piani. Ogni immagine si forma con uno spot focale compatto e senza il piedistallo dei lobi laterali.

02Come la metalente codifica due lunghezze focali

La lente è una matrice piana di nanostrutture in nitruro di silicio (SiNx). È progettata per luce a 532 nm, dove l'emoglobina assorbe fortemente, e focalizza la luce polarizzata circolarmente a destra e a sinistra su due lunghezze focali diverse, F₁ e F₂. L'elicità della luce incidente seleziona il fuoco.

Il materiale è stato messo a punto per questo scopo. Tra diverse condizioni di deposizione, il gruppo ha scelto un rapporto SiH₄/N₂ di 1,52, ottenendo un indice di rifrazione di 2,4 e un coefficiente di estinzione di 0,0027 a 532 nm. Ne risultano un elevato contrasto di indice, utile per un forte controllo di fase, e un assorbimento minimo alla lunghezza d'onda del verde. La lente è inoltre ottimizzata per l'uso in acqua, perché l'imaging fotoacustico richiede che le ottiche funzionino in immersione per limitare le perdite di segnale. La geometria ottimale indicata dagli autori prevede nanostrutture alte 1000 nm con un periodo di 340 nm.

Due dettagli progettuali emergono dall'articolo:

• Il meta-atomo scelto si comporta come una lamina a semionda, ed è ciò che rende la risposta dipendente dal verso di rotazione della polarizzazione circolare.
• Poiché la libreria di meta-atomi è limitata, la fase di propagazione è discretizzata su otto livelli. La quantizzazione grossolana della fase è una nota fonte di perdita di efficienza e di luce diffusa. Nel materiale che ho esaminato l'articolo non quantifica questa perdita.

Gli autori hanno progettato due mappe di fase corrispondenti a lunghezze focali di 4,5 mm e 5,2 mm, valide per la lente in aria. In acqua i fuochi si allungano e quelli misurati si trovano a 6,05 mm e 6,96 mm, un allungamento dovuto al cambio del mezzo circostante. I due fuochi sono separati assialmente da 0,9 mm. La copertura totale di 1,2 mm è maggiore di tale distanza perché ciascun fuoco ha il proprio intervallo di profondità utile.

03Il lato elettrico: un ritardatore a cristalli liquidi

Nella metalente in sé nulla risponde alla tensione. La commutazione è affidata a una cella a cristalli liquidi (LC) separata, posta a monte, che stabilisce il verso di rotazione della polarizzazione. L'articolo spiega che le molecole di cristallo liquido si riallineano in risposta a una tensione alternata applicata e agiscono come ritardatore di fase, con un ritardo determinato dallo spessore della cella e dal profilo di birifrangenza. Secondo il resoconto di Phys.org, la cella usa lo stesso tipo di cristallo liquido presente negli schermi degli smartphone. È una tecnologia matura, economica e a bassa tensione, e i livelli di pilotaggio inferiori a 2 V sono coerenti con questo quadro.

La variazione del ritardo fa passare il fascio dalla polarizzazione circolare destra a quella sinistra, e la metalente focalizza ciascuna a una profondità diversa. Dalle fonti esaminate non ho potuto confermare se nella catena ottica sia presente un'ulteriore lamina d'onda, quindi ometto questo dettaglio.

Lo stesso gruppo aveva già usato questo schema: una cella LC abbinata a una metalente, come nel lavoro precedente sulla commutazione elettrica, su scala di millisecondi, tra imaging in campo chiaro e imaging con esaltazione dei bordi. Il nuovo lavoro lo porta in una modalità biomedica.

04Integrazione e dimostrazione sull'occhio

I sistemi fotoacustici richiedono che l'asse ottico e quello acustico coincidano. In questo caso il gruppo ha montato la metalente su un trasduttore a ultrasuoni ad anello, che evita interferenze fisiche e mantiene coassiali le onde ottiche e acustiche. Essendo la lente un elemento sottile e piano, trova posto nell'apertura dell'anello, per cui non serve alcuno stadio di allineamento aggiuntivo.

Per la validazione, il gruppo ha acquisito immagini di occhi con lesione corneale indotta chimicamente. L'abstract dell'articolo parla di occhi di ratto, con monitoraggio della neovascolarizzazione sull'intera profondità dell'occhio. Il riassunto del comunicato su Phys.org parla invece di topi, e non sono riuscito a conciliare le due versioni. Secondo Phys.org, la modalità superficiale ha mostrato i nuovi vasi corneali, mentre quella profonda ha risolto selettivamente i vasi in prossimità dell'iride, a circa 2,2 mm sotto la superficie. Gli autori riportano inoltre che i diametri dei vasi e le aree delle lesioni misurati nelle due modalità concordano strettamente, il che suggerisce artefatti minimi legati alla polarizzazione. È una verifica che vale la pena fare, poiché le lenti a multiplexing di polarizzazione possono differire da un canale all'altro.

La risoluzione varia leggermente a seconda della modalità. Phys.org indica una risoluzione laterale di 3,1–3,7 μm, mentre il dato di riferimento dell'articolo è il caso peggiore, 3,7 μm.

05Che cosa cambia e che cosa no

I vantaggi riguardano soprattutto la meccanica. Senza uno stadio traslatore lungo z, un attuatore voice coil o un barilotto con lente sintonizzabile, ci sono meno parti soggette a deriva, usura o vibrazioni. Una commutazione da 250 ms è inoltre rapida rispetto allo spostamento di una testa di scansione. Rho afferma che l'eliminazione del moto meccanico potrebbe rendere possibili sistemi di imaging più compatti e stabili per usi biomedici e industriali. È un'aspettativa ragionevole, ma l'articolo la dimostra solo per una configurazione da banco.

Anche i limiti sono chiari:

• Due stati, non un continuo. Tutto ciò che sta tra i due fuochi o oltre è irraggiungibile, e l'intervallo di 1,2 mm è fissato dal progetto della metalente. Aggiungere altri fuochi richiederebbe più canali di polarizzazione o un multiplexing spaziale, e ciascuno di questi condivide l'apertura o la luce.
• Acquisizione sequenziale. Ogni modo focale richiede una propria scansione, quindi l'immagine a piena profondità richiede almeno due passaggi.
• Vincolo di lunghezza d'onda. I meta-atomi sono tarati su 532 nm. Le metalenti sono fortemente dispersive, quindi l'imaging funzionale a più lunghezze d'onda, come la saturazione di ossigeno, richiederebbe un ulteriore lavoro di progetto. Le fonti non dicono se sia stato provato.
• Scala dell'occhio. L'intervallo di profondità testato è di circa 2 mm in un piccolo occhio di roditore. L'imaging oftalmico umano comporta distanze di lavoro più lunghe e il movimento, e non vengono riportati dati su esseri umani. Gli autori stessi osservano che l'attuale implementazione può essere migliorata, anche se nel passaggio che ho visto non sono elencate le modifiche specifiche.

I prossimi passi saranno probabilmente più stati focali, un'efficienza maggiore grazie a una quantizzazione di fase più fine e test oltre il segmento anteriore. L'obiettivo che motiva il lavoro è la retinopatia diabetica, ma lo studio si ferma a un modello animale di ustione corneale. Se una lente a due profondità commutata in tensione possa competere con altri metodi di estensione della profondità nell'uso clinico dipenderà da rapporto segnale-rumore, tempo di scansione e facilità di allineamento in una sonda portatile. L'articolo non mostra ancora questi confronti.