Του Δρ. Στέφανου Γερολατσίτη
Ερευνητής – University of Bath, U.K.
Οι οπτικές ίνες είναι πολύ λεπτά νήματα από γυαλί με πολύ μικρή διάμετρο (<0.13 mm). Οι πλείστοι τις έχουμε ακουστά από τη χρήση τους στο διαδίκτυο σαν μέσο μεταφοράς δεδομένων υπό μορφή φωτός. Η δομή της οπτικής ίνας είναι πολύ απλή. Στο κέντρο της οπτικής ίνας βρίσκουμε τον πυρήνα (<0.01 mm) όπου ταξιδεύει το φως. Γύρω από αυτό υπάρχει ακόμη μια στρώση γυαλιού, το περίβλημα (<0.13 mm). Το περίβλημα είναι συνήθως κατασκευασμένο με διαφορετικό υλικό και χαμηλότερο δείκτη διάθλασης από ότι ο πυρήνας, έτσι ώστε να επιτευχθεί το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης. Με αυτό τον τρόπο, το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από τον πυρήνα και διανύει χιλιόμετρα μέσα στην οπτική ίνα με ελάχιστες απώλειες. Γύρω από το περίβλημα υπάρχει ακόμη μια εξωτερική μεμβράνη (διάμετρος <0.25 mm) από πλαστικό, η όποια είναι αρκετά ανθεκτική και προστατεύει την οπτική ίνα.
Εικόνα 1: Εικόνα οπτικής ίνας (οριζόντια τομή) από μικροσκόπιο, στο κέντρο ο πυρήνας και γύρω από αυτό το περίβλημα.
Για ιατρικούς σκοπούς, οι οπτικές ίνες κυρίως χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές λέιζερ (για εγχειρήσεις και καυτηριασμούς) ή σαν οπτικοί αγωγοί (με διάμετρο από 1 μέχρι και μερικά χιλιοστόμετρα) για ενδοσκοπήσεις, δίνοντας οπτική εικόνα από εσωτερικά όργανα (π.χ. από τον πνεύμονα) που δεν είναι προσβάσιμα με άλλο τρόπο. Στις ενδοσκοπήσεις, η κάθε οπτική ίνα μεταφέρει το φως από μόνο ένα σημείο του οργάνου και γι’ αυτό μπορούμε να την παραλληλίσουμε σαν ένα pixel από μια εικόνα. Για να σχηματίσουμε την εικόνα χρειάζεται να ενώσουμε όλα τα pixel μαζί, γι’ αυτό οι οπτικοί αγωγοί αποτελούνται από εκατοντάδες οπτικές ίνες ομαδοποιημένες. Για να αποκτήσουμε μια εικόνα υψηλής ευκρίνειας, οι πυρήνες των οπτικών ινών πρέπει να είναι οσο το δυνατό πιο κοντά. Γι’ αυτό το σκοπό, έχουν αναπτυχθεί οπτικές ίνες που έχουν πολλούς πυρήνες αλλά ένα κοινό περίβλημα και μια κοινή εξωτερική μεμβράνη (<1 mm). Με αυτό το τρόπο μπορεί να μειωθεί το μέγεθος του ενδοσκοπίου και να αυξηθεί η ανάλυση της εικόνας. Δυστυχώς όμως, όταν δυο πυρήνες έρθουν κοντά, παρατηρείται μια διαρροή του φωτός από τον ένα πυρήνα στον άλλο, η οποία αυξάνεται όσο μικραίνει η απόσταση μεταξύ των πυρήνων. Η εικόνα θολώνει και πλέον η ανάλυση δεν είναι καθαρή.
Εικόνα 2 Εικόνα οπτικής ίνας με πολλούς ανόμοιους πυρήνες (8100 πυρήνες).
Στην επιστημονική ομάδα, στην οποία συμμετέχω, χρησιμοποιούμε καινοτόμους τρόπους κατασκευής οπτικών ινών για να επιλύσουμε το πιο πάνω πρόβλημα. Αυτοί βασίζονται κυρίως στην ιδιότητα που έχουν ανόμοιοι πυρήνες (με διαφορετική διάμετρο ή διαθλαστικό δείκτη) να περιορίζουν την διαρροή του φωτός. Με τη χρήση αυτής της ιδιότητας, οι οπτικές ίνες που παρασκευάζουμε έχουν χιλιάδες πυρήνες με διάμετρο μικρότερη από 0.6 mm. Παράλληλα, έχουμε τη δυνατότητα να κατασκευάσουμε τα δικά μας ενδοσκόπια χρησιμοποιώντας τις οπτικές ίνες, που κατασκευάζουμε οι ίδιοι, και βιοσυμβατικά υλικά. Ο επιστημονικός μας στόχος, σε συνεργασία με άλλα πανεπιστήμια, είναι να αναπτύξουμε μια επαναστατική τεχνολογία που θα παρέχει γρήγορη διάγνωση και διαχείριση πνευμονικών παθήσεων στο κλινικό περιβάλλον. Με την εξάπλωση του COVID-19, ο οποίος προκαλεί σοβαρή φλεγμονώδη αντίδραση στους πνεύμονες, αποφασίσαμε να επαναπροσδιορίσουμε τον στόχο της επιστημονικής μας μελέτης. Συγκεκριμένα οι ενδοσκοπικές συσκευές που παράγουμε είναι πολύ μικρές (<1.4 mm) και μπορούν να φτάσουν σε μέρη των πνευμόνων που συνήθως είναι πολύ δύσκολο να έχουμε πρόσβαση. Μόλις φτάσει το ενδοσκόπιο μας στις απομακρυσμένες οδούς, μπορούμε να πάρουμε δείγματα πνευμονικού υγρού για ανάλυση ή να εισαγάγουμε ένα δοκιμαστικό φάρμακο. Οι οπτικές ίνες που περιλαμβάνονται στα ενδοσκόπια μεταδίδουν μικροσκοπικές εικόνες σε πραγματικό χρόνο από την ακριβή τοποθεσία όπου διοχετεύονται τα φάρμακα ή λαμβάνονται δείγματα υγρών. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά του πνεύμονα με άτομα που έχουν προσβληθεί από τον COVID-19 και να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη της νόσου ή την κατάσταση του πνεύμονα μετά από φαρμακευτική αγωγή. Ταυτόχρονα, συνεχίζουμε τη μελέτη για κατασκευή οπτικών ινών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μεταδίδουν εικόνες, αλλά και καινοτόμων οπτικών ινών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρακολουθήσουμε τις φυσιολογικές καταστάσεις του πνεύμονα.
Εικόνα 3: Ανθρώπινος πνευμονικός ιστός όπως φαίνεται από τις ενδοσκοπικές συσκευές μας.
Αυτή η τεχνολογία μπορεί να έχει ευεργετικά οφέλη σε εκατομμύρια ανθρώπους για την άμεση-ορθή διάγνωση και ανάρρωση τους και πιο συγκεκριμένα και όσων πλήττονται παγκοσμίως από τον COVID-19.
