利用微型SPAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熒光壽命成像+ToF測距

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，硅單光子雪崩二極管(SPAD)陣列具有優(yōu)異的靈敏度和較低的暗計(jì)數(shù)率。重要的是，用于時(shí)間門控、時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)(TCSPC)和一些數(shù)據(jù)處理的電子器件可在像素級集成。這使得SPAD特別適合諸如熒光壽命顯微成像(FLIM)和寬視場熒光壽命成像(WFLIm)等應(yīng)用。WFLIm是一種成像模式，在該模式下，以足夠精細(xì)的時(shí)間分辨率捕獲宏觀尺度物體的熒光衰減，從而可以計(jì)算熒光壽命。這可以提供僅通過熒光強(qiáng)度無法獲得的額外對比度，突出材料性質(zhì)或組成的變化。

時(shí)間門控SPAD陣列的另一個(gè)常見應(yīng)用是飛行時(shí)間(ToF)測距，例如激光雷達(dá)(LiDAR)，其中時(shí)間分辨率用于測量從物體散射的光子的往返時(shí)間，從而計(jì)算出距離。最近，下文中的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了可從相同的時(shí)間分辨SPAD數(shù)據(jù)中同時(shí)提取WFLIm和ToF數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)熒光物體的3D場景重建和表面映射(DOI: 10.1117/12.2648431和DOI: 10.1117/12.2648431)。這與之前大多數(shù)將ToF和WFLIm結(jié)合的嘗試不同，因?yàn)檫@些嘗試往往側(cè)重于定位樣品深處的外源熒光夾雜物，盡管熒光ToF/LiDAR是一種成熟的技術(shù)，但它往往只關(guān)注熒光強(qiáng)度，而不是熒光壽命。這種復(fù)合技術(shù)，在下文中將被稱之為FLImDAR(具有ToF測距功能的熒光壽命成像)，在內(nèi)窺鏡檢查、手術(shù)指導(dǎo)和診斷成像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用前景。除了在生物醫(yī)學(xué)成像中的應(yīng)用外，這種WFLIm與ToF信息的結(jié)合還可用于勘測和農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域，熒光壽命可提供有關(guān)植物健康和病理學(xué)的信息，或在核反應(yīng)堆等危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遙感。然而，迄今為止，F(xiàn)LImDAR僅使用基于TCSPC的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是具有許多數(shù)據(jù)輸入/輸出(I/O)的大型臺式系統(tǒng)，以滿足TCSPC所需的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，英國愛丁堡大學(xué)(University of Edinburgh)和赫瑞-瓦特大學(xué)(Heriot-Watt University)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)展示了一種基于時(shí)間門控SPAD陣列(以“尖端芯片”的方式運(yùn)行)的微型成像系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)展示了具有不同的視場和工作距離的成像系統(tǒng)的兩個(gè)版本(系統(tǒng)A和系統(tǒng)B)，每個(gè)版本的尺寸均為23 mm?×?23 mm?×?28 mm。初步測試展示了在寬視場熒光成像(WFLIm)模式下不同材料之間的對比度，幀率可達(dá)到?>?2 Hz。隨后，以~1 Hz的幀率獲得了綿羊肺組織中自發(fā)熒光的WFLIm圖像。最后，研究人員還測試了第二個(gè)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行WFLIm和ToF(即FLImDAR)的能力。結(jié)果表明，當(dāng)在3D打印的樣品上進(jìn)行測試時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)4 mm分辨率的物體區(qū)分。此外，該系統(tǒng)還能夠?qū)ψ园l(fā)熒光的肺組織進(jìn)行場景重建。該系統(tǒng)是迄今為止已報(bào)道的最小的尖端芯片WFLIm系統(tǒng)，也是FLImDAR技術(shù)在緊湊型便攜式系統(tǒng)中的首次演示。上述研究成果以“Fluorescence lifetime imaging with distance and ranging using a miniaturised SPAD system”為題發(fā)表于Scientific Reports期刊。

Endocam傳感器(由120 × 128 SPAD像素構(gòu)成，每個(gè)像素都有自己的集成光子計(jì)數(shù)電子元件)被設(shè)計(jì)用于成像系統(tǒng)的遠(yuǎn)端，并且可以在約1米的有線接口上運(yùn)行。然后它可以集成到一個(gè)小型光學(xué)系統(tǒng)中，如圖1a所示。該SPAD成像系統(tǒng)的示意圖如圖1b所示。為了制造本研究提出的微型系統(tǒng)，外殼采用聚乳酸(PLA)3D打印，外部尺寸為23 mm?×?23 mm?×?28 mm。激發(fā)光由濱松(Hamamatsu)Picosecond Light Pulser PLP-10激光二極管頭提供，波長為483 nm，脈沖寬度為80 ps，耦合到多模光纖(數(shù)值孔徑NA = 0.5，Thorlabs M124L02)中，在20 MHz頻率下提供~ 0.3 mW功率。發(fā)射的熒光(圖1b中的橙色箭頭)穿過光圈和二向色鏡，并被第二個(gè)二向色鏡(Thorlabs DMLP550R)進(jìn)一步過濾，以清除外殼內(nèi)散射的任何雜散激發(fā)光。然后它通過一個(gè)低成本塑料非球面透鏡(焦距為3.32 mm，數(shù)值孔徑為0.4，Thorlabs CAY033)聚焦，并在Endocam傳感器上形成圖像。

圖1 微型SPAD成像系統(tǒng)及測試樣品

圖1c所示為3D打印的熒光測試樣品，綿羊肺組織樣品如圖1d所示。為了避免背景光的影響，所有測試都是在暗室中進(jìn)行的，這與在體內(nèi)使用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的條件相同。

對系統(tǒng)A的初始測試是使用門控-掃描模式在3D打印樣品上進(jìn)行的，如圖2所示。在圖2a所示的熒光強(qiáng)度圖中，字母U和E(代表愛丁堡大學(xué))都清晰可見，但圖2b所示的強(qiáng)度圖像直方圖顯示這些材料之間的區(qū)分不明顯。圖2c所示的WFLIm圖像顯示出更好的對比度，如圖2d所示圖像直方圖所示，存在兩個(gè)明確的峰值。

圖2 3D打印熒光樣品的測試結(jié)果(系統(tǒng)A)

圖3a和圖3b分別顯示的是綿羊肺自發(fā)熒光的強(qiáng)度圖像和壽命圖像。為了改善這些壽命圖像的信噪比(SNR)，在進(jìn)行壽命計(jì)算之前，對這些圖像進(jìn)行了2倍的空間下采樣。這導(dǎo)致圖像稍微像素化，但如圖4b所示，使用WFLIm模式時(shí)，圖像中左右兩側(cè)對象壽命的對比度更加明顯，而僅在強(qiáng)度圖像中未能顯現(xiàn)這一點(diǎn)。

圖3 綿羊肺組織的熒光強(qiáng)度和壽命成像(系統(tǒng)B)

如前所述，該研究團(tuán)隊(duì)最近已經(jīng)展示了時(shí)間分辨SPAD傳感器可用于執(zhí)行WFLIm和ToF測距的結(jié)合，以便同時(shí)進(jìn)行熒光壽命對比度和3D場景重建。在圖4中，該團(tuán)隊(duì)使用微型Endocam傳感器系統(tǒng)展示了這種能力，這是首次以這種方式使用手持式移動(dòng)傳感器展示這種模式，也是首次對時(shí)間門控單光子計(jì)數(shù)而不是TCSPC數(shù)據(jù)進(jìn)行FLImDAR分析。

圖4 3D打印樣品的FLImDAR 3D點(diǎn)云(系統(tǒng)B)

圖4a顯示了放置在距離傳感器相同距離處的兩個(gè)3D打印樣品的距離圖像，圖4b則是“E”的位置比“U”的位置近80 mm的結(jié)果。將WFLIm和距離信息結(jié)合起來，可生成圖4d所示的3D點(diǎn)云，其中Z軸表示距離，點(diǎn)的顏色表示熒光壽命，這是首次從FLImDAR數(shù)據(jù)中生成此類可視化圖像。

最后，研究人員將FLImDAR和尖端芯片成像結(jié)合并應(yīng)用于組織自發(fā)熒光，以生成圖5所示的綿羊肺組織的3D點(diǎn)云。

圖5 綿羊肺組織的FLImDAR 3D點(diǎn)云(系統(tǒng)B)

綜上所述，這項(xiàng)研究演示了微型時(shí)間分辨成像傳感器的使用，這種傳感器足夠小，可用于一些體內(nèi)應(yīng)用，并且能夠利用接近每秒1幀的自發(fā)熒光的熒光壽命來提供綿羊肺中不同組織類型之間的對比度。該SPAD成像系統(tǒng)的研究建立在先前工作的基礎(chǔ)上，是首個(gè)小到足以用于某些體內(nèi)應(yīng)用的尖端芯片WFLIm系統(tǒng)。此外，這是通過小型手持系統(tǒng)部署的新型FLImDAR模式的首次演示。盡管采集時(shí)間較慢，但該系統(tǒng)在對明亮樣品成像時(shí)表現(xiàn)出的~4 mm空間分辨率，以及同時(shí)從綿羊肺自身熒光獲得距離和壽命的能力表明，F(xiàn)LImDAR可能是微型內(nèi)窺鏡成像的一種可行模式。