Os microscópios de varredura a laser podem ser miniaturizados para gerar imagens de microambientes in vivo por meio da inclusão em dispositivos de sistema micromecânico óptico (MEMS) para substituir os componentes maiores existentes. Dispositivos ópticos multifuncionais ativos são componentes emergentes que suportam miniaturização para desempenho limitado por difração com designs de sistema óptico mais simples em dispositivos ópticos. Em um estudo recente, Tianbo Liu e uma equipe de pesquisadores dos departamentos de Engenharia Elétrica e de Computação e Dermatologia dos EUA propuseram uma lente objetiva de microscópio catadióptrica (permitindo reflexão e refração da luz), apresentando um dispositivo MEMS integrado para realizar varredura biaxial, ajuste de foco axial e controle de aberração esférica.

Os cientistas de materiais incluíram um scanner reflexivo de MEMS na arquitetura MEMS na lente para suportar imagens de abertura numérica alta (NA) que reúne luz em uma ampla gama de ângulos para gerar imagens. Liu et al. implementou a arquitetura MEMS na lente, incluindo o espelho de varredura na lente objetiva, onde o eixo do feixe era normal à superfície do espelho, sem a necessidade de um divisor de feixe para separar o feixe incidente e refletido. Eles demonstraram o desempenho óptico do sistema catadióptrico (um sistema óptico que permite a refração da luz e reflexão com aberração mínima) por imagens de alvos duros e moles usando um microscópio confocal baseado no novo design de lente objetiva. A técnica de imagem aprimorada permitirá o diagnóstico avançado de condições médicas. Os resultados do estudo agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações .

Órgãos não preparados e não limpos em animais vivos podem ser visualizados in vivo usando técnicas de varredura confocal a laser e microscopia multifotônica. Os avanços técnicos facilitaram a geração de imagens de bancada de pequenos modelos de animais, como camundongos, com aplicações médicas adequadas também emergindo em clínicas dermatológicas para examinar biópsias ópticas de pele de forma não invasiva. Contudo, os microscópios de varredura a laser convencionais são grandes e limitam os procedimentos de imagens médicas e de animais vivos. Para acessar o corpo humano e animais ambulatoriais de imagem, os cientistas devem, portanto, miniaturizar esses instrumentos.

Mecanismos de varredura miniaturizados com instrumentos menores, como dispositivos de sistema micromecânico, podem substituir os mecanismos volumosos existentes necessários para fazer a varredura e focalizar o feixe para aplicações até então improváveis. Por exemplo, os cientistas foram capazes de montar um microscópio miniaturizado de dois fótons com varredura MEMS pesando apenas 2,15 g na cabeça de um camundongo em movimento livre para imagens cerebrais. Os dispositivos também facilitaram a microscopia de varredura a laser para ser adaptada em plataformas endoscópicas e durante experimentos de biópsia óptica baseados em MEMS para detectar câncer in vivo. Ao lado de sua pegada menor, um scanner MEMS contribui para a miniaturização combinando vários graus de liberdade durante sua produção ao lado de sua arquitetura óptica.

No presente trabalho, Liu et al. explorou uma nova arquitetura óptica para uma miniatura, microscópio a laser de varredura de alto NA com um scanner 3-D MEMS dentro da lente objetiva. Eles ilustraram o layout óptico do MEMS-in-the-lens para fabricar o dispositivo e operá-lo in vivo. Os cientistas projetaram o espelho de varredura MEMS 3-D reproduzindo com sucesso um método previamente introduzido pelo mesmo grupo. Para microscopia in vivo, eles operaram a hiper-hemisfério (que oferece um campo de visão mais amplo) em contato com o tecido contendo um índice de refração variável de 1,3 a 1,4. Com base nos parâmetros, os cientistas simularam o desempenho de imagem da configuração. Eles concluíram que a hiper-hemisfério de vidro BK-7 é eficaz como um elemento de lente frontal para um microscópio de tecido com um scanner MEMS 3-D ativo implantado na abertura simulada.

Para demonstrar a imagem confocal, os cientistas usaram uma maquete de bancada da lente objetiva com um espelho MEMS 3-D integrado. Liu et al. anexou o espelho ao estágio de amostra usando uma camada fina de gel de ultrassom à base de água. Como um exemplo, eles introduziram amostras de células da bochecha humana (~ 80 µm) no estágio de amostra, e capturaram suas imagens usando o microscópio depois disso. Durante a imagem, os cientistas usaram um laser de néon hélio de 633 nm para iluminação. Eles então fixaram a amostra de interesse na lâmina de vidro oposta à lente da hiper-hemisfério. Liu et al. incluiu um divisor de feixe 50/50 entre a fibra óptica e o elemento de lente composto para separar a luz refletida, e um orifício de 10 µm para filtrar espacialmente a luz refletida.

O microscópio confocal MEMS também permitiu a geração de imagens abaixo da superfície da amostra e Liu et al. demonstrou isso por meio de imagens de uma amostra de interesse. Para a amostra, eles suspenderam microesferas de poliestireno de 6 µm em um gel de transmissão de ultrassom e, em seguida, seguiram o processo de imagem com reconstrução volumétrica das imagens para ilustrar melhor o corte confocal em diferentes planos focais. Embora as imagens estivessem bem resolvidas, os cientistas observaram que os perfis 3-D das contas não eram uniformes nem simétricos, exigindo maior otimização da técnica.

O espelho MEMS 3-D desenvolvido forneceu digitalização completa e controle de foco para o instrumento, ao lado do controle eletrônico da aberração esférica. O novo trabalho mostrou resolução melhorada em comparação com espelhos MEMS 3-D descritos anteriormente, para permitir sua inclusão em um sistema MEMS-in-the-lens compacto.

Desta maneira, Tianbo Liu e colegas de trabalho propuseram e desenvolveram uma lente objetiva catadióptrica MEMS-in-the-lens microscópio e integraram um scanner MEMS 3-D para realizar varredura biaxial com aberração esférica controlada durante aplicações de imagem. Liu et al. simulou o desenvolvimento da arquitetura do instrumento proposto para indicar uma promessa considerável para o futuro, microscópios de varredura a laser miniaturizados e de alto NA para aplicações de imagem in vivo.

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