MEMS鏡用於光學相干斷層掃描成像和共焦顯微術
MEMS鏡用於光學相干斷層掃描成像和共焦顯微術
生物醫學影像學及其多種模式（如光學相干斷層掃描成像、多光子成像、共焦顯微術和薄層光學顯微術）已經受益於光束掃描技術的大幅增強。2005年，McCormick等人宣布了一項突破性的緊湊型成果，當時他們使用MEMS雙軸光束掃描鏡來實現一個掃描式的三維光學相干斷層掃描探針，該探針小到足以放入標準內視鏡通道中 [1]。這項早期的微型化和成本降低成就以及隨後由研究團隊進行的技術更新，為醫療產業提供了一條低成本甚至是一次性使用的光學相干斷層掃描探針的發展之路。在學術界[2]和商業產品（如Santec的IVS-300和ARGOS，以及Thorlabs的OCTH-1300）中，這項技術的實現形式得到了持續和重要的關注，主要是在手持式光學相干斷層掃描探針的開發方面。
從左到右：Santec的IVS-300便攜式OCT系統、Santec的ARGOS先進光學生物計量儀和ThorLab的OCTH-1300手持式掃描儀以及其生成的樣本OCT影像。所有這些系統都依賴於微機電系統（MEMS）鏡子。
生物醫學成像學及其使用光束掃描技術
近幾十年來，光學相干層析術（OCT）和共焦顯微術的發展不斷強調了生物醫學影像行業對光束掃描技術的需求。換言之，生物醫學影像學界繼續開發和尋找創新的方法和工具，利用光學（顯微鏡）對組織中越來越小和更孤立的部分進行成像。
其中一種方法是使用紅外波長的低相干激光束，可以穿透生物組織，並搭配一種特殊的干涉儀感應器，只感應從組織中特定深度返回的光。這是OCT解決組織中非常狹窄的X-Y-Z體素（體積像素）的方法。共焦顯微術利用空間孔針可以區分失焦光的可能性，提供高分辨率的三維影像，並且不會出現背景光。最後，還有一些方法依賴於非線性激發組織中的螢光標記物，例如多光子成像技術，它依賴於在三維樣本內激發特定位置的能力。
無論各種成像方法如何實現分辨率，隔離微小的三維體素都需要一個能夠掃描感應器在組織樣本上獲取更廣泛或更大體積的三維信息的系統。這些例子包括細胞器的三維成像、整個細胞的成像或組織區域的成像等。因此，研究人員自然會將焦點放在移動他們成像的體素在組織中任意移動的要求上。
隨後，這些成像系統的設計者轉向掃描鏡（傳統上是電控掃描儀，現在是MEMS鏡子）來掃描橫向維度中的前兩個軸，通常在OCT應用中稱為B掃描和C掃描。同時，第三個軸的移動可以通過可編程的折射或反射透鏡。
從掃描振鏡過渡到MEMS鏡片
ThorLabs 掃描振鏡系統（左）和 Mirrorcle MEMS 反射鏡 A8L2.2 5mm MEMS 反射鏡及其隨附的 OCCIE 控制器（右）。尺寸、功耗、熱量產生和成本的顯著降低使 MEMS 反射鏡成為生物醫學成像的理想選擇。
傳統的雷射掃描成像和顯微鏡系統依賴體積笨重且高功耗的電控掃描振鏡作為其光束掃描部件。但隨著行業對更小和低功耗解決方案的需求，研究人員和製造商正在尋找替代技術。微機電系統（MEMS）鏡子能夠滿足行業的需求，提供高速光束掃描的緊湊、低成本和低功耗解決方案。
然而，並非所有的MEMS鏡子都是相同的，許多都不適用於這個行業。現代MEMS鏡子的主要限制特徵是它們的驅動模式：共振與准靜態。在生物醫學成像中，共振驅動模式是不理想的，因為它放棄了光束位置的任何精確控制。另一方面，准靜態提供了完全可編程控制光束的能力，允許重新配置掃描區域和速率。在准靜態能力的MEMS鏡子中，電靜電容式MEMS鏡子是唯一能夠提供成像系統所需的重要孔徑尺寸和角度規格的MEMS鏡子類型。
Mirrorcle Technologies 是靜電驅動、無萬向節、雙軸 MEMS 反射鏡的領先供應商。 Mirrorcle 的 MEMS 反射鏡位於加利福尼亞州里士滿，已成為三大商業 OCT 供應商及其係統的 OCT 掃描儀不可或缺的組成部分：Santec、Wasatch Photonics 和 ThorLabs。為了向醫生、生物學家和研究人員提供緊湊型 OCT 成像工具，這些公司依靠 Mirrorcle MEMS 反射鏡實現緊湊、低功耗和低成本的光束控制。
OCT 和共聚焦顯微鏡的最新發展利用了 Mirrorcle MEMS 反射鏡
正在進行的研究和生物醫學成像行業的最新發展繼續肯定了 Mirrorcle 的 MEMS 反射鏡在成像系統中的適用性和實用性。 2017 年，杜克大學生物醫學工程系、外科系和病理學系組成的聯合團隊在設計深層組織成像系統時使用了 Mirrorcle MEMS 反射鏡。他們的雙軸 OCT (DA-OCT) 通過使用基於微機電系統 (MEMS) 反射鏡的新型光束掃描機制，實現了“與其前身多光譜多散射低相干干涉測量法相比速度提高了 100 倍”。[3]
2018 年，另一個杜克大學團隊發現 MEMS 反射鏡是他們“低成本、便攜式 OCT 系統”中理想的激光束控制組件。該團隊最初無法通過使用液體透鏡配置來小型化他們的 OCT 系統，於是轉而使用 MEMS 反射鏡作為他們的掃描方法。 “與液體透鏡相比，MEMS 反射鏡的孔徑更大，因此光斑尺寸更小。此外，通過將掃描和動態聚焦控制分配給兩個獨立的光學元件，提高了整體掃描速度。通過這種方法，傳感器的採集速度成為採集速度的限制步驟”[4]。因此，研究人員能夠展示一種便攜式、低成本的 OCT 系統，其成像性能可與許多商用系統相媲美。
在共聚焦顯微鏡這一長期依賴振鏡掃描儀的顯微鏡領域，製造商正在尋求同時考慮空間和被處理樣品完整性的解決方案。共聚焦顯微鏡系統通常尺寸非常大，通常會佔據實驗室中的大量空間。此外，為這些顯微鏡準備的樣品本質上無法用於進一步的測試和實驗。隨後，最新的研究進入了創建緊湊、侵入性最小的共聚焦顯微鏡系統。 Yin 等人在他們的“用於即時病理學的基於微型體內 MEMS 的線掃描雙軸共聚焦顯微鏡”中使用了 Mirrorcle MEMS 反射鏡 。[5]
對於Yin等人的微型MEMS基於線掃描的雙軸共焦顯微鏡的元件概述。該團隊選擇了Mirrorcle MEMS鏡片作為其設計中的光束掃描部件。
參考：
[1] DT McCormick、Woonggyu Jung、V. Milanović、Z. Chen、NC Tien， “基於 3-D MEMS 的實時微創內窺鏡光學相干斷層掃描”， 2005 IEEE/LEOS 光學 MEMS 及其應用會議，芬蘭奧盧，2005 年 8 月，第 25-26 頁
[2] Lu, Chen D 等．《採用MEMS掃描鏡的手持式超高速掃描源光學相干斷層掃描儀》生物醫學光學快報vol. 5,1 293-311。2013 年 12 月 20 日，doi:10.1364/BOE.5.000293
[3]趙，楊等。“用於深層組織成像的雙軸光學相干斷層掃描” Optics letters vol. 42,12（2017）：2302-2305。
[4] Kim, Sanghoon 等人。“低成本、便攜式 OCT 系統的設計與實現”生物醫學光學速遞卷。9,3 1232-1243。2018 年 2 月 20 日，doi:10.1364/BOE.9.001232
[5]尹，C等。“用於即時病理學的微型體內基於 MEMS 的線掃描雙軸共聚焦顯微鏡”生物醫學光學快遞卷。7,2 251-63。2016 年 1 月 5 日，doi:10.1364/BOE.7.000251