Towards fully 3D-printed miniaturized confocal imager

Abstract

Biyolojik örneklerin mikroskopik görüntülenmesi, konfokal mikroskop, multi-foton mikroskop ve optik koherans tomografisi gibi lazer taramalı mikroskop teknikleri tarafından sürdürülmektedir. Mikro-elektromekanik sistemlerdeki gelişmeler ve yüksek kalite optic ve opto-mekanik elemanların üretilmeye başlaması ile bu cihazların minyatürize edilerek portatif hatta endoskopik görüntüleyicilere dönüşmesine imkan sağlamıştır.Bu görüntüleyiciler sadece güvenilir hücresel görüntüler sağlamakla kalmayıp ağız boşluğu, rahim, soluk borusu, sindirim sistemi boşlukları gibi ulaşılması zor dokuları görüntülemeye küçük boyutları sayesinde imkan sağlamıştır.Minyatürize mikroskopik cihazlarda fiber optik kablolar, mikro-elektromekanik sistem tarayıcı aynalar, piezo ile hareketlendirilen tarayıcılar gibi bir çok yeni teknoloji kullanılmaktadır. Fiber kablolar doku görüntüleme için haritalandırma yöntemini kullanır. Fiberin bir ucu dokuya temas ederken diğer ucu bir CCD ya da CMOS algılayıcıya görüntü bilgisini ulaştırır. Bu teknolojide tarama olmadığından minyatürize etme en yüksek seviyededir. Mikro-elektromekanik sistemler ise ışık huzmelerini belli frekanslarda yansıtarak tarama işlemi yapmaktadır. Yüksek mekanik tarama frekansları ve tarama açıları sayesinde çok yüksek çözünürlükte görüntüler mikro-elektromekanik tarayıcılar kullanılan görütüleyicilerde elde edilebilmektedir. Piezo tarama tabanlı fiber proplar lazer taramalı görüntüleyicilerde sık kullanılmaktadır. Sıkıştırılmış geometrisi ve küçük boyutları kullanım alanlarını arttırmaktadır. Piezo tüp malzeme özelliğinden dolayı kendine uygulanan voltajı mekanik harekete çevirir. Bu malzemeye kendi mekanik rezonans frekansında sinyal verildiğinde fiberden gelen ışık spiral bir tarama deseni oluşturmaktadır. Mikro-elektromekanik sistem, piezo silindir tarayıcı, fiber tarayıcı gibi tüm bu minyatürize tarayıcı teknolojilerinde tarama için gerekli donanımlar, mikro-optik elemanlar, lensler göz önüne alındığında bütçe çok yüksek rakamlara çıkmaktadır. Bu bütçe görüntüleyici sistemlerin hem yaygın olmamasına hem de tek kullanımlık (kullan-at) sistemler halinde tasarlanmasına imkan vermemektedir. Bu çalışmada düşün bütçeli minyatürize bir konfokal görüntüleyici sunulmaktadır. Görüntüleyici 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiş fonksiyonel optik ve elektromekanik parçalardan oluşmaktadır. 3 boyutlu yazıcılar bilgisayarda tasarlanmış modelleri katman katman polimer yayma yöntemi ile basmaktadır. Basılacak model tamamen kullanıcının tasarımına bağlıdır. Bu çalışmada tanıtılan cihaz lazer tarayıcısı, lens ve dış gövde olmak üzere üç adımda üretilmiştir. Görüntüleyicinin parçaları polimer ile üretildiğinden cihaz oldukça düşük maliyetlidir. Bu özelliğiyle cihaz tek kullanımlık olarak tasarlanabilmektedir.Endoskopik görüntüleyicinin içerisindeki elektromekanik tarayıcı ünitesi 10x10 mm2 çerçeve boyuna sahiptir ve tarayıcıya sabitlenmiş bir mıknatıs ve mini bir bobin kullanılarak elektromanyetik olarak iki boyutta uyarılmaktadır. Bu uyarım sonucu iki boyutlu yüksek kalitede görüntüler alınması mümkün kılınmıştır. Boyutu ve performansı ile üretilen tarayıcı, ticari olarak ulaşılabilen yüksek bütçeli tarayıcılarla karşılaştırılabilir tarama özelliklerine sahiptir.Üç boyutlu yazıcı teknolojisi 20 mikron altı kapsamlı üretim olanakları sunmaktadır. Birçok temiz oda teknolojisinden farklı olarak 3 boyutlu yazıcı sadece düzlemsel değil, çok boyutlu, konik, içi boş (oyuk) üretimlere de olanak sağlamaktadır. Bu olanakları kullanarak ilk iki titreşim modu düzlem dışı titreşim ve burulma (kıvrılma) olarak tasarlanmıştır. İstenmeyen titreşim modları daha yüksek frekanslara ötelenmiştir.Tarayıcı 180 Hz ve 315 Hz frekanslarında dikey eksenlerde lissajous tipi tarama yapmaktadır. Bu frekanslar 3 boyutlu yazıcının sağladığı üretim imkanları sayesinde elde edilebilmiştir. 180 Hz'de düzlem dışı tarama denen tarama tipi ile dikey tarama sağlanmaktadır. 315 Hz'de ise kıvrılma (bükülme) tipi tarama ile yatay tarama sağlanmıştır. Lissajous tarama iki sinüs sinyalinin birleşimi ile bu iki boyutta elde edilmektedir. 100 mA ve daha az akımlarda optik tarama açıları sırasıyla ± 8° and ± 4° olarak hesaplanmıştır.Tarayıcının karakteristik özellikleri lazer doppler vibrometrede (LDV) test edilmiştir. LDV cihazı içindeki lazeri tarayıcının aynasına doğrultmakta ve yansıma ile gönderilen ışının faz farklarına dayanarak tarayıcının titreşiminin güvenilir biçimde modellemektedir. Bu testler sonucunda tarayıcının frekans cevabının simülasyonlarla ve cihazın tasarımı ile uyumlu olduğu tespit edilmiştir.Lens üretiminde veroclear adlı şeffaf malzeme kullanılmıştır. Üretilen polimer lens 6 mm çapında ve 10 mm odak uzunluğuna sahiptir. Çıktı alındıktan sonra lens optik kalitede bir yüzey elde etmek için bir dizi işlemden geçmiştir. Bu işlemler sırasıyla ince zımpara ve kimyasal yüzey cilası uygulanması şeklindedir. Zımparalama işlemi 2000 kumluk zımpara ile saf su içerisinde yapılmıştır. Lensin iki yüzeyi de 15'er dakika boyunca zımparalanmıştır. Bundan sonra kurulanan lense Meguiars 101 tipi çizik giderici cila pamuk yardımı ile yüksek basınçla uygulanmıştır. Bu işlemlerden sonra lensin yüzeyi profilometre ile ölçülmüş, bunun yanı sıra görüntüleme deneyleri yapılmıştır. Bu deney ve ölçümler göstermiştir ki lens aynı boyut ve odak uzunluğuna sahip ticari cam lens ile karşılaştırıldığında sadece iki kat rms pürüzü ve %10 hata payı içerisinde bir odak benek çapına sahiptir.Tarayıcı ve lens üniteleri mini bobin ile beraber 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiş 17 mm genişlik 33m uzunluk ve 12 mm derinliğe sahip dış gövdeye preslenerek oturtulmuştur. Tüm cihaz oluşturulduktan sonra USAF 1951 çözünürlük hedefi üzerinde görüntüleme deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler sonucu cihazin 4.grup 1.elemente kadar çözebildiği gözlenmiştir. Bu element 30 mikrometre boyunda üç dikey çizgiden oluşmaktadır. Bu okumanın türevi üzerinde yapılan incelemeler cihazın çözünürlüğünü 11.4 mikrometre olarak göstermektedir.Bu sonuçlar mikro-elektromekanik teknolojisi kullanılan ve ticari olarak ulaşılabilir cihazlarla karşılaştırılabilir seviyededir. Daha ileri çalışma ile 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiş bu konfokal görüntüleyici, bir kullan at endoskop olarak klinik ortamda tanı cihazı olarak kullanılabilecektir. 3 boyutlu yazıcı teknolojisinde yaşanan gelişmeler gelecekte cihazın tamamen 3 boyutlu yazıcı ile üretilmesine imkan sağlayacaktır. Geçtiğimiz yıllarda keşfedilen magnetik polimer ve gümüş mürekkep ile doldurma yöntemleri bu çalışmada tanıtılan sistemde kullanılan bobin ve mıknatısa bağımlılığı ortadan kaldıracaktır.

In this project a low cost, miniaturized confocal imager, consisting of 3D printed functional optical and electromechanical parts, namely, a laser scanner, a lens, and the housing is presented. The imager parts are printed from polymer material which is extremely affordable. This allows the device to be designed as disposable. The electromechanical scanning unit within the endoscopic device, having 10x10 mm2 frame size, is electromagnetically actuated in two dimensions, via a magnet that is attached to the 3D printed scanner using epoxy glue and an external miniaturized coil to work with it. 3D Printing offers extensive fabrication capabilities such as less than 20 micron resolution, processing, multi-dimensional tapering and printing hollow structures with precision. These capabilities allowed us to tailor the first two vibration modes as out-of-plane displacement and torsion movement, while pushing other undesired mechanical modes to higher frequencies. The scanner employs lissajous scan, with 180 Hz and 315 Hz scan frequencies in the orthogonal directions where we achieved ± 8° and ± 4° optical scan angles, respectively, with less than 100 mA drive current. The lens, which has a 6 mm diameter and 10 mm focal length, is 3D printed with veroclear material, then polished to obtain an optical quality surface. Polishing process was achieved in two steps which are sanding and applying an emery polisher with pressure.Surface profiler measurements, together with imaging experiments reveal only two times increase in rms roughness and a comparable focused spot diameter (less than 10% difference), as opposed to a commercial glass lens having identical structure and almost identical focal length. Scanner and lens units, together with the external coil were press-fitted into a 3D-printed housing having 17 mm width, which is comparable to many of the miniaturized MEMS based laser scanning imagers. With further development, the 3D printed confocal imager can serve as a disposable diagnostic tool for the clinic.