Fast Optical-resolution Photoacoustic Microscopy using a 2-Axis Waterproof MEMS Scanner

Abstract

광음향 현미경(OR-PAM)은 광학의 높은 대비와 초음파의 높은 해상도를 동시에 이용하는 장치로 생체의학 연구에서 널리 쓰일 수 있는 새로운 방식의 미세 영상 기구이다. 이러한 OR-PAM을 이용해 특정한 질병을 발견하고 추적하기 위해서는 신호 대 잡음비 (SNRs)의 손실 없이 실시간으로 영상화할 수 있는 기술이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 PDMS를 재료로 한 2축 방수 MEMS 스캐너를 이용해 고속 영상이 가능한 새로운 방식의 OR-PAM (2A-WP-MEMS-OR-PAM)의 개발 과정에 대해 논의한다. 첫번째 파트에서는 앞서 얘기한 높은 신호대 잡음비를 가지면서 실시간 영상화가 가능한 새로운 방식의 2A-WP-MEMS-OR-PAM을 구축하기 위해서 물속에서 작동이 가능하면서도 작은 크기, 빠른 스캐닝 속도, 넓은 스캐닝 범위를 가지는 2축 MEMS 스캐너에 대해 소개한다. 보다 자세하게는, 스캐너의 외관과 가져야 하는 필수적인 조건, 이론적 해석 및 시뮬레이션, 전체 제작 과정 및 동적 성능평가 등에 대해서 설명한다. 제작된 스캐너는 X, Y, Z축 방향으로 각각 15 × 15 × 15 mm 의 크기를 가져 OR-PAM에 적용하였을 때 전체 시스템의 크기를 줄이는데 도움을 줄 수 있다. 제작 과정에는 주로 마이크로 밀링과 소프트 리소그래피(soft lithography)가 사용되었는데, 이러한 제작 방법은 일반적으로 MEMS에 공정에 쓰이는 기술에 비해 상대적으로 쉽고 저렴하다는 장점이 있다. 제작된 MEMS 스캐너의 동적 특성을 파악하기 위해 DC와 AC 전압 조건에서 각각 최대 스캐닝 각도와 공진주파수를 측정하였다. 최대 스캐닝 각도는 X축을 따라 18도, Y축을 따라 13도로 측정되었고 공기중과 물속에서는 큰 차이를 보이지 않았다. AC 전압조건하에서, 스캐너의 공진주파수는 X축을따라서 공기중에서 60 Hz, 물속에서 45 Hz로 측정되었고 Y축을따라서 공기중에서 45 Hz, 물속에서 30 Hz 로 각각 측정되었다. 두번째 파트에서는 앞서 제작된 MEMS 스캐너를 이용해 새로운 개념의 2A-WP-MEMS-OR-PAM을 구축하는 과정에 대해서 얘기하고 개발한 장치를 이용해 다양한 샘플의 광음향 영상을 통해 성능을 평가하였다. 먼저 개발한 2A-WP-MEMS-OR-PAM의 구성과정에 대해서 자세히 기술하였고 이를 통해 측정한 광음향 신호를 이용해 실제 영상화 하는 원리를 설명하였다. 마지막으로 제작된 2A-WP-MEMS-OR-PAM의 특성 테스트를 통해 개발된 시스템의 성능을 평가하였다. 앞서 얘기한 바와 같이 제작한 MEMS 스캐너는 물속에서 작동이 가능하기 때문에 빛과 초음파를 공초점(confocal)을 유지한 채 동시에 2차원 평면을 스캐닝 할 수가 있어 39 dB 라는 높은 SNRs을 유지한 채 빠른 영상 속도를 가질 수 있었다. 면도날과 탄소화이버의 영상을 통해서 측면 방향 해상도는 3.6 μm, 깊이방향 해상도는 27.7 μm로 각각 측정되었다. 마지막으로 개발된 시스템의 성능을 검증하기 위해 다양한 in vitro 와 in vivo 상태의 광음향 영상을 획득하였다. 먼저 아주 얇은 두께의 탄소 섬유 네트워크와 색깔이 다른 머리카락, 금 마이크로 패턴 전극의 광음향 영상을 통해 개발한 2A-WP-MEMS-OR-PAM이 색을 구별하는 능력을 가지고 있으면서 모세혈관과 같은 고해상도 영상을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다. 2A-WP-MEMS-OR-PAM의 빠른 영상 능력을 검증하기 위해 실리콘 튜브내에서 탄소 입자가 흐르는 모습을 0.63 Hz의 매우 빠른 속도의 연속적인 영상화를 통해 모니터링 할 수 있었다. 마지막으로 2A-WP-MEMS-OR-PAM을 이용해 살아있는 쥐의 다양한 부위에 대한 광음향 영상을 얻는데 성공하였다. 즉, 사진에서 관찰하기 힘든 쥐의 귀에 존재하는 작은 미세혈관과 눈의 홍채의 미세혈관, 뇌의 전반에 걸쳐진 혈관 등을 성공적으로 이미징할 수 있었다. 이렇게 개발된 2A-WP-MEMS-OR-PAM 시스템은 크기가 매우 작고 실시간 영상이 가능하기 때문에 전임상 및 임상 적용에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is a novel label-free microscopic imaging tool that provides in vivo optical absorbing contrasts in biomedical research. Specially, it is crucial to equip a real-time imaging capability without sacrificing high signal-to-noise ratios (SNRs) for identifying and tracking specific diseases in OR-PAM. In this dissertation, development process of a novel OR-PAM system using a 2-axis polydimethylsiloxane (PDMS)-based waterproof MEMS scanner is introduced and described in two parts. In the first part, a 2-axis MEMS scanner made of polydimethylsiloxane (PDMS) for a flexible and waterproof structure is introduced to achieve a small size, fast imaging speed, wide scan range, and high SNRs of OR-PAM even in water environment. The design, theoretical background, fabrication process and performance of the scanner are explained in detail. The designed and fabricated scanner has dimensions of 15 × 15 × 15 mm along the X, Y and Z axes, respectively. The fabrication process uses micro-milling and soft lithography, which are relatively easy and inexpensive compared to conventional MEMS processes. The characteristics of the MEMS scanner are tested under DC and AC conditions. By pairing with electromagnetic forces, the maximum scanning angles in air and water are 18° and 13° along the X and Y axes, respectively. The measured resonance frequencies in air and water are 60 and 45 Hz along the X axis and 45 and 30 Hz along the Y axis, respectively. In the second part, a novel OR-PAM system using the fabricated MEMS scanner is demonstrated and consequent PA images are presented. Construction, working principle and performance test of the OR-PAM are described in detail. The scanning ability of the MEMS scanner in water makes developed OR-PAM system possible to confocally and simultaneously reflect both ultrasound and laser, and consequently maintain high SNRs of 39 dB. The quantified lateral and axial resolutions are 3.6 and 27.7 μm, respectively. Finally, various PA images are successfully obtained in vitro and in vivo to verify the developed system. In vitro PA images of human hair and micro-patterned samples show the ability of the OR-PAM to image a small capillary of blood vessels with high resolution. The flow of carbon particles in a silicon tube is monitored with a volumetric display frame rate of 0.63 Hz. In vivo PA images of microvasculatures in a mouse ear, eye, and brain are successfully obtained which shows both large blood vessels and small capillaries. It is expected that this compact and fast OR-PAM system can be significantly useful in both preclinical and clinical applications.