聚焦 | 折反式光學(xué)MEMS,助力激光掃描顯微鏡實(shí)現(xiàn)先進(jìn)醫(yī)療成像

激光掃描顯微鏡可以通過集成光學(xué)微機(jī)電（MEMS）器件來實(shí)現(xiàn)微型化，以替代現(xiàn)有的大型設(shè)備，對(duì)體內(nèi)微環(huán)境進(jìn)行成像。多功能主動(dòng)式光學(xué)器件是一類新興元件，通過簡化光學(xué)器件中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，支持衍射極限性能的微型化。在最近的一項(xiàng)研究中，美國蒙大拿州立大學(xué)波茲曼分校（Montana State University-Bozeman）電子和計(jì)算機(jī)工程系的Tianbo Liu和皮膚病學(xué)系的研究人員們提出了一種折反式（允許光反射和折射）顯微鏡物鏡，利用集成的光學(xué)MEMS器件來執(zhí)行雙軸掃描、軸向焦點(diǎn)調(diào)整及球面像差控制。

頂部圖片為3D MEMS掃描鏡：（a）釋放工藝后晶圓上的光學(xué)MEMS器件；（b）通過引線鍵合將MEMS掃描鏡安裝于PCB板。底部圖片為共聚焦成像設(shè)置示意圖，以及MEMS掃描鏡、超半球透鏡和樣品臺(tái)的放大視圖。

材料科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了這種內(nèi)置反射式MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)，以支持高數(shù)值孔徑（NA）成像，在更廣泛的角度范圍內(nèi)聚集光線以生成圖像。研究人員通過將MEMS掃描鏡集成在物鏡中實(shí)現(xiàn)了這種新型MEMS物鏡構(gòu)造，其中光束軸垂直于鏡面，而不需要分束器來分離入射光束和反射光束。他們通過使用基于新物鏡設(shè)計(jì)的共聚焦顯微鏡對(duì)硬和軟目標(biāo)進(jìn)行成像，展示了該折反式系統(tǒng)的光學(xué)性能。這種改進(jìn)的成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療狀況的先進(jìn)診斷。該研究成果現(xiàn)已發(fā)表于Light：Science & Applications。

活體動(dòng)物中未經(jīng)處理的器官可以利用掃描激光共聚焦和多光子顯微鏡技術(shù)進(jìn)行體內(nèi)成像。技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了小動(dòng)物模型（如小鼠）的臺(tái)式成像，皮膚病診所中也出現(xiàn)了非侵入性光學(xué)皮膚活檢的醫(yī)學(xué)新應(yīng)用。不過，傳統(tǒng)的激光掃描顯微鏡體積較大，限制了醫(yī)學(xué)和活體動(dòng)物成像應(yīng)用。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)人體診斷應(yīng)用和對(duì)活動(dòng)動(dòng)物的成像，科學(xué)家必須使這些儀器小型化。

集成MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)：（a）包含新物鏡架構(gòu)的小型化共聚焦顯微鏡剖面圖；（b）通過環(huán)形孔的光路和MEMS器件光束掃描圖示；（c）3D MEMS掃描鏡模型。

采用光學(xué)MEMS器件的微型掃描機(jī)構(gòu)，可以取代現(xiàn)有需要掃描和聚焦光束的大型設(shè)備，用于迄今為止還無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。例如，科學(xué)家們可以在自由活動(dòng)的老鼠頭上安裝一臺(tái)重量僅為2.15克的MEMS掃描微型雙光子顯微鏡，用于對(duì)老鼠的腦部成像。這類MEMS器件還有助于激光掃描顯微鏡用于內(nèi)窺鏡平臺(tái)，以及基于MEMS的光學(xué)活檢實(shí)驗(yàn)，以檢測體內(nèi)癌癥。除了更小的占位面積，MEMS掃描鏡通過在其生產(chǎn)過程中結(jié)合多個(gè)自由度和光學(xué)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)微型化。

在目前的工作中，研究人員探索了一種新型的光學(xué)架構(gòu)，用于物鏡內(nèi)部集成3D MEMS掃描鏡的微型高NA掃描激光顯微鏡。他們展示了這種集成MEMS掃描鏡的物鏡架構(gòu)的光學(xué)布局，以制造器件并在體內(nèi)進(jìn)行操作。他們通過成功復(fù)制先前由同一組研究人員引入的方法來設(shè)計(jì)3D MEMS掃描鏡。對(duì)于體內(nèi)顯微鏡檢查，他們操作超半球（提供更寬的視野）透鏡與折射率在1.3~1.4之間的組織接觸。基于這些參數(shù)，研究人員模擬了該裝置的成像性能。他們得出結(jié)論，BK-7玻璃超半球透鏡作為組織顯微鏡的前端透鏡元件是有效的，其中在模擬孔徑處集成了主動(dòng)式3D MEMS掃描鏡。

左圖：光學(xué)MEMS器件晶圓制造示意圖；右：模擬成像性能。

為了演示共聚焦成像，科學(xué)家們使用了一個(gè)帶有集成3D MEMS掃描鏡的物鏡臺(tái)式模型。研究人員用薄層水基超聲凝膠將3D MEMS掃描鏡附在樣品臺(tái)上。作為一個(gè)例子，他們將人臉頰細(xì)胞樣品（~80 um）引入樣品臺(tái)，然后用顯微鏡拍攝它們的圖像。在成像過程中，研究人員使用633 nm氦氖激光進(jìn)行照明。然后，他們將感興趣的樣品附在與超半球透鏡相對(duì)的玻璃晶片上。研究人員在光纖和復(fù)合透鏡元件之間加入了一個(gè)50/50分束器以分離反射光，還利用一個(gè)10 um針孔以對(duì)反射光進(jìn)行空間濾波。

實(shí)驗(yàn)成像結(jié)果：（a）3D MEMS掃描鏡原型的表面共聚焦圖像，圖像的一部分被數(shù)字放大以顯示細(xì)節(jié)；（b）人臉頰細(xì)胞的共聚焦圖像（偽彩色），細(xì)胞核和細(xì)胞膜清晰可見；（c）使用50倍物鏡（NA = 0.8）記錄的類似3D掃描原型的表面數(shù)字裁剪的明場落射照明顯微鏡圖像。

這種MEMS共聚焦顯微鏡還可以對(duì)樣品表面以下成像，研究人員通過對(duì)感興趣的樣品成像證明了這一點(diǎn)。對(duì)于樣品，他們?cè)诔曂干淠z中懸浮了6 um聚苯乙烯微珠，然后通過圖像的體積重建跟蹤成像過程，以更好地說明在不同焦平面上的共聚焦切片。盡管很好的進(jìn)行了成像，但科學(xué)家們觀察到微珠的三維輪廓既不均勻也不對(duì)稱，該技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

研究人員開發(fā)的這種3D MEMS掃描鏡為儀器提供了完整的掃描和聚焦控制，以及球面像差的電子控制。與之前介紹的3D MEMS反射鏡相比，新研究成果顯示出了更高的分辨率，使其可以集成在內(nèi)置MEMS掃描鏡的緊湊型物鏡系統(tǒng)中。

3D成像演示：（a-d）懸浮在超聲凝膠中的6 um直徑聚苯乙烯微珠的共聚焦切片，兩顆微珠用不同的顏色圈出，以顯示它們從一幀到另一幀的焦點(diǎn)變化；（e）從每個(gè)焦平面記錄的圖像進(jìn)行體積重建；（f）通過體積渲染的第一角度投影，以更好地說明不同焦平面上的共聚焦切片。

如此，研究人員提出并開發(fā)了一種折反式光學(xué)MEMS顯微物鏡，通過集成一顆3D MEMS掃描鏡，在成像應(yīng)用中進(jìn)行球面像差受控的雙軸掃描。他們模擬了所提出的儀器架構(gòu)，表明對(duì)于未來體內(nèi)成像應(yīng)用的小型化、高NA激光掃描顯微鏡具有重大應(yīng)用前景。