This research suggests repeating resonant Lissajous fiber scanning probe for the high speed laser scanning endomicroscopy at the first time. Repeating Lissajous scanner can satisfy maximum sampling density at every frame. In this research, target frame rate was 10 and target scanning density was above 80 %. The Lissajous resonant fiber scanner is inspired from resonant frequency modulation using micro-tethered-silicon-oscillator (MTSO). Design parameters are fiber length, mass structure, MTSO’s location, and MTSO’s length. To fabricate precise MTSO, silicon microfabrication process applied to fabricate the MTSO using deep reactive ion etching (DRIE). The repeating Lissajous resonant fiber scanner shows 10 frame rate repeating Lissajous pattern without mechanical coupling phenomenon. The fabricated fiber scanner was fully packaged with 30 mm long, 2.6 mm diameter, and total weight of 0.3 g. The repeating resonant Lissajous fiber scanning probe successfully combined to the confocal imaging system, and 2D reflectance images were obtained. This fabricated probe can provide a new direction for high speed and high resolution Lissajous pattern application in real-time in-vivo imaging.
초소형 광학 현미경인 내시현미경은 살아있는 동물의 생체 내 이미지를 실시간으로 얻을 수 있게 하였다. 특히 동물의 머리 위에 올려놓을 수 있을 정도의 작은 내시현미경은 움직이는 동물의 뇌 영상을 고해상도로 얻을 수 있는 차세대 영상기법으로 주목 받고 있다. 내시현미경에 있어서 핵심 기술은 레이저를 스캐닝 하는 초소형 광학 스캐너를 제작하는 기술이다. x, y 축으로 구동 가능한 튜브 타입의 압전소자 (PZT)를 이용하는 광섬유 스캐너는 대표적인 내시현미경의 스캐너로, 전면부 내시현미경을 제작하기에 패키징이 간편하고 광섬유의 공진구동을 이용하여 상대적으로 낮은 전압에서 안정적인 레이저 스캐닝을 구현할 수 있는 장점이 있다. PZT를 이용한 광섬유 스캐너가 구현할 수 있는 대표적인 스캐닝 패턴은 x축과 y축의 구동 주파수가 동일한 나선형 패턴이다. 나선형 광섬유 스캐너는 원통형 구조를 가지고 있는 광섬유의 x축과 y축의 공진 주파수가 동일하기 때문에 제작이 간편하나 스캐닝이 고르게 이루어지지 않아 광손상을 가져오는 치명적인 단점이 있다. 이러한 단점은 서로 다른 x축과 y축의 구동 주파수로 구현되는 리사쥬(Lissajous) 패턴으로 극복될 수 있다. 리사쥬 광섬유 스캐너를 제작하기 위해서는 광섬유에 구조물을 부착하여 광섬유의 x축과 y축의 공진주파수를 변조시켜야 한다. 리사쥬 패턴의 모양과 속도는 x축과 y축의 구동주파수에 의해 결정이 되는데 광섬유의 공진주파수를 정확한 주파수로 변조하는 것이 까다로워 과거에 연구된 리사쥬 광섬유 스캐너들은 리사쥬 패턴이 다 이루어지는데 까지 걸리는 시간과 상관없이 임의의 프레임 률 을 설정하여 이미지를 얻었다. 이러한 방식은 고해상도의 이미징을 빠르게 얻을 수 없어 실시간 생체 내 이미지를 얻기에 한계가 있다. 이에 본 연구는 고속의 고해상도를 얻을 수 있는 리사쥬 패턴 방법을 제시하고 제안한 새로운 리사쥬 패턴을 구현할 수 있는 광섬유 스캐너를 설계하였다. 10 프레임률을 가지며 80 % 이상의 고해상도를 가지는 리사쥬 패턴을 구현하기 위해서는 두 축의 구동주파수가 1 kHz 이상이 되어야 하며 두 수의 최소 공배수가 높아야 한다. 본 연구에서는 광섬유의 x축과 y축의 공진주파수를 분리시키기 위하여 MTSO(Micro-tethered-silicon-oscillator)를 이용하는 방식을 사용하였다. MTSO가 광섬유에 부착되는 위치와 MTSO의 길이를 설계하여 광섬유의 공진주파수 분리 정도를 결정하였다. 설계한 MTSO의 길이를 정확히 제작하기 위하여 심도반응성 이온식각(Deep reactive ion etching)을 통하여 실리콘 미세공정을 진행하였다. 제작된 반복 리사쥬 광섬유 스캐너는 x축은 1 kHz 와 y축은 1.21 kHz 로 구동되었으며 10 프레임률을 가지고 89 %의 해상도를 가지도록 설계되었다. 스테인리스 튜브를 이용하여 길이 30 mm 내 직경 2.6 mm 로 패키징 되었다. 제작 완료된 공진구동 반복 리사쥬 스캐닝 모듈은 공초점 현미경 시스템에 연결하여 이미징의 실효성을 검증하였다. 개발된 공진구동 반복 리사쥬 스캐닝 모듈은 차세대 광학 영상기법과 결합하여 실시간 생체 내부 영상화에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
