MEMS-3D共聚焦内窥镜

2021-02-09 13:48:23 浏览:1208

文章名称:MEMS-based 3D confocal scanning microendoscope using MEMS scanners for both lateral and axial scan

发表期刊:Sensors and Actuators A: Physical

发表日期:2013年10月

1 摘要

本文主要介绍了通过使用MEMS执行器进行横向(Lateral)和纵向(Axial)扫描的3D共聚焦荧光内窥镜。内窥镜的MEMS扫描系统在实现± 26°横向扫描范围的同时,还实现了400 μm的深度聚焦调节,此内窥镜系统的横向分辨率和纵向分辨率分别为1.0 μm和7.0 μm。研究人员应用此内窥镜成像系统对洋葱表皮、老鼠脑结构进行了成像[1]

2 背景

传统共聚焦激光扫描显微镜具有分辨率高、对比度高和层析能力强等优点,广泛应用于生物医学成像、工业探测和度量等领域。相对于传统显微成像系统,共聚焦显微镜因为具有点扫描激励、小孔滤波两个结构而具有革命性的进步。但是由于共聚焦显微镜体积较大,其应用环境也相应的限制在实验室等场所。近年来诞生的共聚焦扫描内窥镜,可以对肠胃、肝脏、胰腺等生物组织体内器官进行实时成像,为生物组织在体光学活检和非侵入性的肿瘤检测提供了新手段。3D共聚焦扫描内窥镜技术的实现存在如下难点:(1)激光束纵向、横向扫描执行器小型化;(2)光学系统小型化。

3 成像原理

图 1 MEMS-3D共聚焦扫描内窥镜系统结构图[1]

为解决上述问题,约翰霍普金斯大学生物医学学院Xingde Li课题组的研究人员设计并搭建了MEMS-3D共聚焦激光扫描内窥镜系统,其结构图如图1所示。在这个成像系统中,首先选用638 nm激光器作为光源。激光器输出的激励光首先经过一个由透镜和小孔组成的空间滤波器(Spatial Filter),滤除离焦杂波,使得输出光为一个较为干净的高斯光(Gaussian Beam)。空间滤波器输出的激励光束由透镜扩束后入射进入偏振光分光器(Polarization Beam Splitter,PBS),偏振光分光镜在反射S偏振光的同时,会投射P偏振光,起到选通的作用。偏振光分光镜将激励光中S偏振分量反射进入耦合透镜,耦合透镜将S偏振分量激励光耦合进入单模保偏(Single-Mode Polarized Maintaining,PM)光子晶体光纤中。单模保偏光子晶体光纤在保持激励光偏振极性的同时,将线性偏振激励光传输进入内窥镜探头。

 

图 2 MEMS-3D共聚焦扫描内窥镜探头结构图[1]

内窥镜探头结构如图2所示,由梯度折射率透镜(GRIN)、1/4波片(Quarter Wave Plate,QWP)、MEMS-2D扫描镜、固定反射镜、消色差透镜组和MEMS深度调节透镜组成。首先由梯度折射率透镜汇聚单模保偏光纤发出的发散激励光,经过梯度折射率透镜的线性S偏振激励光以与1/4波片光轴45°的方向照射进入1/4波片,经过1/4波片后,激励光由S偏振方向变为圆偏振光。1/4波片输出的圆偏振光入射进入由MEMS-2D扫描镜和固定反射镜组成的横向光束扫描系统中,通过控制MEMS-2D扫描镜X轴、Y轴扫描驱动,使得激励光可以在一片区域内进行横向(Lateral)扫描。随后的消色差透镜组为图 2中Expander lensⅠ和Expander lensⅡ组成的4F系统,用于对激励光消色差,同时对激励光进行扩束。消色差透镜组输出的激励光会进入MEMS深度调节透镜中,通过MEMS执行器调节其所加持的透镜深度位置,改变输出激励光聚焦纵向(Axial)位置,实现内窥镜成像的深度调节。

 

图 3 MEMS深度调节透镜结构图[1]

如图3所示为MEMS深度调节透镜结构图,分为MEMS执行器(Platform)和物镜夹持(Opening)两个部分,MEMS执行器部分主要功能是通过MEMS器件在保持不产生横向位移的同时进行纵向的深度调节(LSF-LVD),透镜加持部分主要用于固定2.4 mm尺寸的玻璃物镜,对激励光进行聚焦。总之,通过调节MEMS深度调节透镜驱动电压,可以改变物镜深度位置,对激励光聚焦深度进行调节,可以对不同深度的样本进行扫描成像。

激励光照射到样本后会发生散射,产生信号光。信号光偏振极性与激励光相同,在此系统中为圆偏振光。部分散射的信号光会重新进入内窥镜探头系统,先后经过MEMS深度调节透镜、消色差透镜组、固定反射镜、MEMS-2D扫描镜后会再次经过1/4波片。1/4波片会将信号光的圆偏振特性转换为P偏振极性,并通过梯度射射率透镜重新耦合进入单模保偏光纤中。如图1所示,在单模保偏光纤中传播的信号光会由光纤耦合器再次进入偏振光分光器中(PBS),由于信号光为P偏振光,因此会穿过偏振光分光器,进入光电探测器(APD)由光信号转换为电信号,并进一步被模数转换器件(DAQ)采集为数字信号,以便于后期通过计算机(PC)进行图像重构。在此偏振光分光器起到选通的作用,用于分离S偏振的激励光的P偏振的信号光,提高系统信噪比,为后期数据采集成像提供基础。

 

图 4 内窥镜探头实物图

如图4所示为内窥镜探头部分实物图,包括MEMS-2D扫描镜(MEMS Mirror)和MEMS深度调节透镜(MEMS Tunable Lens)两部分的实物图,实际使用时需要协调控制两部分,首先控制MEMS深度调节透镜使得激励光束聚焦于某一深度,随后通过控制MEMS-2D扫描镜X轴、Y轴反射角度,使得激励光束按照一定轨迹在焦平面进行扫描,完成当前深度的样本扫描成像。通过逐渐改变MEMS深度调节透镜位置,可以对一定厚度的样本进行3D成像。

4 成像实验

 

图 5 MEMS-3D共聚焦扫描内窥镜洋葱表皮成像示意图[1]

首先对MEMS-2D扫描镜施加栅格驱动信号,具体做法为:将MEMS-2D扫描镜X轴、Y轴对应为快轴和慢轴,快轴施加450 Hz的斜坡(Ramp)信号用于完成行扫描,慢轴施加0.75 Hz的斜坡信号用于控制行扫描的位置从而完成每一平面的扫描,平面分辨率为300 × 300像素。同时对MEMS深度调节透镜施加1 mHz的斜坡信号,使得成像系统完成每一纵向深度的平面成像后调节至下一深度以完成体成像。图5为使用上述成像方法洋葱表皮成像图,其中图(a)为对洋葱表皮的2D成像,图(b)为对洋葱表皮的3D图像重构,其横向分辨率和纵向分辨率分别为1.0 μm和7.0 μm,成像范围对应实际物体尺寸为180 μm × 180 μm × 270 μm。

5 系统特点

所介绍的MEMS-3D共聚焦内窥镜具有如下特点:

(1)成像系统使用微型化探头,可以进行生物组织体内器官的实时在体(In-Vivo)成像。

(2) 成像系统中引入纵向深度调节执行器件,使得在不改变内窥镜探头位置的同时,可以改变焦平面位置,实现对对不同深度的样本进行扫描,使成像系统具有调焦功能的同时可以对样本进行3D成像。

(3) 配合使用1/4波片和偏振光分光器两个光学器件,将激励光和信号光分别调制为S极化偏振光和P极化偏振光,方便选通激励光与信号光,提高系统信噪比,改善成像质量。

(4) 成像系统的信号产生原理为:将激励光聚焦于样本表面,采集部分样本散射所产生的信号光,根据不同样本表面结构散射光程度不同,对样本进行成像。这种信号方式的特点是,信号光强度相对较大,但是由于光束通路中样本均会产生荧光信号,使得离焦样本也会产生信号光,从而降低了成像系统层析能力,导致成像质量下降。

6 小结

虽然存在一些待改进的问题,但是MEMS-3D共聚焦内窥镜不失为一个生物组织实时在体3D成像的方法,具有一定的应用价值,相信经过不断地发展完善,可以应用于临床医学领域,更好地造福于人类。

参考文献

Liu L , Wang E , Zhang X , et al. MEMS-based 3D confocal scanning microendoscope using MEMS scanners for both lateral and axial scan. Sensors & Actuators A Physical, 2014, 215:89-95.

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