Los microscopios de escaneo láser se pueden miniaturizar para obtener imágenes de microambientes in vivo mediante la inclusión dentro de los dispositivos del sistema óptico micromecánico (MEMS) para reemplazar los componentes más grandes existentes. Los dispositivos ópticos activos multifuncionales son componentes emergentes que admiten la miniaturización para un rendimiento limitado por difracción con diseños de sistemas ópticos más simples en dispositivos ópticos. En un estudio reciente, Tianbo Liu y un equipo de investigadores en los departamentos de Ingeniería Eléctrica e Informática y Dermatología en los EE. UU. Propusieron una lente de objetivo de microscopio catadióptrico (que permite tanto la reflexión como la refracción de la luz), con un dispositivo MEMS integrado para realizar escaneo biaxial, Ajuste del enfoque axial y control de la aberración esférica.

Los científicos de materiales incluyeron un escáner MEMS reflectante en la arquitectura MEMS en la lente para admitir imágenes de alta apertura numérica (NA) que reúnen la luz en una gama más amplia de ángulos para generar imágenes. Liu y col. implementó la arquitectura MEMS en la lente al incluir el espejo de escaneo en la lente del objetivo, donde el eje del haz era normal a la superficie del espejo sin la necesidad de un divisor de haz para separar el haz incidente y reflejado. Demostraron el rendimiento óptico del sistema catadióptrico (un sistema óptico que permite tanto la refracción como la reflexión de la luz con una aberración mínima) mediante la obtención de imágenes de objetivos duros y blandos utilizando un microscopio confocal basado en el nuevo diseño de la lente del objetivo. La técnica de imagen mejorada permitirá un diagnóstico avanzado de afecciones médicas. Los resultados del estudio se publican ahora en Luz:ciencia y aplicaciones .

Se pueden obtener imágenes in vivo de órganos no preparados y sin limpiar en animales vivos utilizando técnicas de microscopía multifotónica y confocal láser de barrido. Los avances técnicos han facilitado la obtención de imágenes de laboratorio de modelos de animales pequeños como ratones, con aplicaciones médicas adecuadas que también están surgiendo en clínicas dermatológicas para examinar de forma no invasiva biopsias ópticas de piel. Sin embargo, Los microscopios de barrido láser convencionales son grandes y limitan los procedimientos de obtención de imágenes tanto médicos como de animales vivos. Para acceder al cuerpo humano y a la imagen de los animales ambulatorios, por tanto, los científicos deben miniaturizar estos instrumentos.

Los mecanismos de escaneo miniaturizados con instrumentos más pequeños, como los dispositivos del sistema micromecánico, pueden reemplazar los voluminosos mecanismos existentes requeridos para escanear y enfocar el haz para aplicaciones hasta ahora improbables. Por ejemplo, Los científicos pudieron montar un microscopio de dos fotones miniaturizado escaneado con MEMS que pesaba solo 2,15 g en la cabeza de un ratón que se movía libremente para obtener imágenes del cerebro. Los dispositivos también han facilitado que la microscopía de barrido láser se adapte en plataformas endoscópicas y durante experimentos de biopsia óptica basados ​​en MEMS para detectar cáncer in vivo. Junto a su huella más pequeña, un escáner MEMS contribuye a la miniaturización al combinar múltiples grados de libertad durante su producción junto con su arquitectura óptica.

En el presente trabajo, Liu y col. exploró una nueva arquitectura óptica para una miniatura, Microscopio láser de barrido de alta NA con un escáner MEMS 3-D dentro de la lente del objetivo. Ilustraron el diseño óptico del MEMS en la lente para fabricar el dispositivo y operarlo in vivo. Los científicos diseñaron el espejo de escaneo MEMS 3-D reproduciendo con éxito un método introducido previamente por el mismo grupo. Para microscopía in vivo, operaron el hiperhemisferio (que ofrece un campo de visión más amplio) en contacto con tejido que contiene un índice de refracción variable que va de 1,3 a 1,4. Basado en los parámetros, los científicos simularon el rendimiento de imagen de la configuración. Llegaron a la conclusión de que la hiperhemisfera del vidrio BK-7 es eficaz como elemento de lente frontal para un microscopio de tejidos con un escáner MEMS 3-D activo desplegado en la apertura simulada.

Para demostrar imágenes confocales, los científicos utilizaron una maqueta de sobremesa de la lente del objetivo con un espejo MEMS 3-D integrado. Liu y col. colocó el espejo en la platina de la muestra usando una capa delgada de gel de ultrasonido a base de agua. Como ejemplo, introdujeron muestras de células de la mejilla humana (~ 80 µm) en la etapa de muestra, y capturaron sus imágenes usando el microscopio a partir de entonces. Durante la toma de imágenes, los científicos utilizaron un láser de helio neón de 633 nm para la iluminación. Luego adjuntaron la muestra de interés en la oblea de vidrio opuesta a la lente del hiperhemisferio. Liu y col. incluyó un divisor de haz 50/50 entre la fibra óptica y el elemento de lente compuesto para separar la luz reflejada, y un orificio de 10 µm para filtrar espacialmente la luz reflejada.

El microscopio confocal MEMS también permitió obtener imágenes debajo de la superficie de la muestra y Liu et al. demostró esto a través de imágenes de una muestra de interés. Para la muestra, suspendieron microperlas de poliestireno de 6 µm en un gel de transmisión de ultrasonido y luego siguieron el proceso de obtención de imágenes con una reconstrucción volumétrica de las imágenes para ilustrar mejor el corte confocal en diferentes planos focales. Aunque las imágenes estaban bien resueltas, los científicos observaron que los perfiles tridimensionales de las perlas no eran uniformes ni simétricos, lo que requería una mayor optimización de la técnica.

El espejo 3-D MEMS desarrollado proporcionó un escaneo completo y control de enfoque para el instrumento, junto con el control electrónico de la aberración esférica. El nuevo trabajo mostró una resolución mejorada en comparación con los espejos MEMS 3-D descritos anteriormente, para permitir su inclusión en un sistema compacto MEMS-in-the-lens.

De este modo, Tianbo Liu y sus colaboradores propusieron y desarrollaron una lente objetivo de microscopio con MEMS catadióptrico en la lente e integraron un escáner MEMS 3-D para realizar un escaneo biaxial con aberración esférica controlada durante las aplicaciones de imágenes. Liu y col. simuló el desarrollo de la arquitectura del instrumento propuesto para indicar una promesa considerable para el futuro, microscopios de escaneo láser miniaturizados y de alta NA para aplicaciones de imágenes in vivo.

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