Optical endomicroscopy has raised a great deal of attention for in-vivo clinical applications such as optical biopsy or imaging guided surgery. Current medical endoscopy simply observes a reflected optical image from mucosal surface and it often requires physical biopsies, i.e., resection of some suspicious tissues from a patient body for ex-vivo histological or cytological examination. The main drawback of current endoscopic biopsy is unavailability of on-demand and real-time clinical diagnosis. In other words, microscopic examination after tissue resection not only causes significant time delay for clinical decision but also it may fail to predict tumor-free resection margin. On the other hands, recent development of advanced optical imaging techniques can visualizes the depth of tumor invasion from mucosal resection of intact tissues or organs from characteristic optical signatures with microscopic resolution. The miniaturization of advanced imaging systems and further implementation inside a clinical endoscope can provide new directions for in-vivo optical biopsy.
This work presents a fully packaged and compact forward viewing endomicroscope by using a microelectromechanicalsystem (MEMS) lens scanner and a resonant fiber scanner. The MEMS lens scanner enables two dimensional optical scanning of Lissajous patterns by the orthogonal movement of two commercial aspherical glass lenses laterally mounted on two resonating electrostatic MEMS microstages. The MEMS lens scanner was integrated on a printed circuit board and packaged with aluminum housing, a gradient index fiber collimator, and an objective lens. The fiber scanner comprises a single mode fiber implemented inside a piezoelectric tube with quartered electrodes and additional microstructures. The additional structures include both extra masses at the distal end of a scanning fiber and an asymmetric stiffness modulation part with micromachined silicon structures. This additional mass not only shortens the fiber length for a compact packaging with the resonant frequencies below the detection speed of the spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) system, but also enables low voltage operations due to high mechanical quality factor (Q-factor). Besides, the asymmetric stiffness modulation with micromachined silicon structures substantially reduces the cross-coupling effect and separates resonant frequencies along the transverse axes by differentiating mechanical stiffness. The decouple motion finally enables Lissajous scanning. The fabricated endomicroscope was combined with the SD-OCT system and in-vivo OCT imaging with fabricated endomicroscope was successfully demonstrated with Lissajous scanning. The Lissajous scanning can provide many attractive figure-of-merits for miniaturized laser scanning based imaging systems such as endomicroscopes. First, sufficient scanning amplitude can be achieved within electrical safety limit by the resonant operation of both axes. Second, it provides more uniform illumination density than that of the spiral scanning and can avoid photodamage due to the high illumination density at the center region of the spiral scanning. Finally, the Lissajous scanning provides the fast preview of an entire image area over the scan time, where the transverse resolution continuously increased until the scan completes the 2D trajectory. Unlike non-resonant raster scanning with high operation power of non-resonant scanning, or the resonant spiral scanning, this unique feature of Lissajous scanning serves as an attractive method for miniaturized laser scanning based imaging systems such as endomicroscopes. A novel 3D image reconstruction sequence based on non-repeating Lissajous trajectories were developed for 3D OCT image reconstruction using the Lissajous scanning. A-line data sets along the Lissajous trajectories were directly mapped at specific points on a 3D volume, which were inferred from the control signals. The imaging sequence enables rapid recognition of entire field-of-view (FOV) with high temporal resolution. This unique preview imaging capability can remarkably reduce detection time and can be effectively utilized for fast volumetric imaging, especially in case of exploring suspicious regions within a large FOV or the temporal resolution is much important. The fabricated endomicroscopes and imaging sequence can provide a new direction for on-demand and non-invasive optical biopsy inside a gastrointestinal endoscope.
내시경검사는 질병진단에 있어 가장 우선하는 수단으로, 생체 내부를 영상화하고 이를 바탕으로 진단을 내리거나, 필요 시 병변적 폴립 등을 수술을 통해 제거 할 수 있다. 하지만 현재의 초음파 혹은 백색광에 기반한 내시경 검사는 세포수준의 영상을 획득하기에 매우 제한적이며 따라서 정확한 진단을 위해서는 의심되는 조직의 물리적인 절개를 통해 확보한 후 현미경을 이용한 조직검사를 수행하는 것이 일반적이다. 이러한 조직검사에 소요되는 시간은 수 시간에서 길게는 수 일에 이르기도 하며 또한 정확한 병변 부위의 판정 및 시편 채취의 정확도에 한계가 있는 실정이다. 한편, 광간섭단층촬영법 (OCT, Optical Coherence Tomography) 은 수 밀리미터 깊이까지 투과할 수 있는 근적외선 레이저 광원을 조직 위에 광 주사 및 반사되어 나온 빛의 간섭현상을 측정함으로써 현미경 분해능을 가지는 조직의 단면영상 및 3차원 영상 획득이 가능하여, 기존의 물리적인 절개 없이 광학적 생체조직검사를 수행할 수 있는 차세대 영상기법으로 크게 주목 받고 있다. 이에 본 연구에서는, 광간섭단층촬영법을 적용한 내시현미경을 개발하고 기존 내시경 시스템과 결합하여 기존 내시경검사 및 시술의 한계를 크게 극복하고자 하였다. 내시현미경 제작에 있어 카테터의 매우 좁은 공간 내에서 조직의 표면 위에 레이저 광주사를 구현하는 것이 핵심이다. 이를 위하여 본 연구에서는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) 렌즈 스캐닝 모듈 및 리사쥬 광섬유스캐너를 제작하였다. MEMS 렌즈스캐너는 직경 1 mm 상용렌즈를 정전기력을 이용한 MEMS 구동기 상에 집적하고, 이를 x, y 축으로 구동함으로써 2차원 광주사를 구현하였다. 리사쥬 광섬유 스캐너는 2축 구동 가능한 압전소자를 이용하여 광섬유를 직접 스캐닝 하여 광주사를 구현하였다. 한편, 광섬유의 경우 대칭적 구조로 인하여 구동 축 간에 동일한 공진주파수를 가짐으로 제한적인 광주사 패턴만이 구현 가능하여, 기계적 상호결합 (mechanical cross-coupling) 으로 인한 간섭현상에 매우 취약한 문제가 있었다. 이에 본 연구에서는 MEMS 식각 기술을 이용해 미세 실리콘 보조 구조물을 제작하고 이를 광섬유와 결합하여 구동특성을 변조함으로써 간섭현상을 해소하고 광섬유 스캐너의 안정성을 크게 향상시키는 한편, 스캔 패턴을 변조하여 시간에 따라 연속적으로 분해능을 증가시킬 수 있는 이미지 복원방법을 구현하였다. 이는 전체 관측 범위 (FOV, Field of View) 의 개략적인 3차원 구조를 매우 빠른 시간 내에 측정할 수 있으며 시간이 증가함에 따라 정밀한 이미지 또한 얻을 수 있어 움직임이 많고 넓은 부위를 판별해야 하는 내시경 기반의 실시간 진단 및 정밀 시술에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 개발된 내시현미경은 직경 3.2 mm 크기로, 기존의 의료내시경의 생검용 채널에 장착하고 광간섭단층촬영술을 접목하여 물리적 절개 없이 생체조직의 현미경 분해능 3차원 영상획득에 성공하였다. 개발된 내시현미경을 장착한 차세대 내시경은 비침습적으로 질병의 실시간 진단 및 침윤범위 판정, 최소 절제 등 내시경 기반의 진단 및 시술에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
