Endoskopische Tomografie intrakorporaler zellulärer Mikrostrukturen (Mikrotom)

• Applicant: Dr. Andreas Seifert
• Subject Area: Microsystems
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 186638889

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Das im Rahmen des Projekts entwickelte mikrooptische Tomografiesystem entspricht einem mikrooptischen Baukastensystem basierend auf der Idee einer optischen Mikrobank in SiliziumTechnologie. Die Technologie ermöglicht den Aufbau verschiedenster endoskopischer Sonden mit beispielloser Funktionalität, Präzision und optischer Leistung. Siliziumplattformen mit einem Querschnitt von 0,4x1,5mm^2, auf denen funktionale Chips mit einer Kantenlänge von 1,5 mm montiert werden, stellen die Basis des Systems dar. Integrierte 100 µm tiefe Gräben, die mittels KOH (Kaliumhydroxid) geatzt wurden, dienen der präzisen axialen Ausrichtung. Eine eigens entwickelte Klebetechnik, welche auf dem Stempeln einer 5 µm dicken Klebeschicht beruht, erlaubt eine präzise und saubere Montage. Eine optionale Fluidik innerhalb der Siliziumplattform macht zudem die Integration und Ansteuerung hydraulisch durchstimmbarer Membranlinsen möglich. Indem Größe und Position der geätzten Gruben variiert und unterschiedliche Chips integriert werden, können verschiedene optische Mikrosysteme realisiert werden. Faseroptiken, GRIN(Gradienten-Index)-Kollimatoren und eigens gefertigte optofluidische Siliziumplattformen, starre Mikrolinsen, flüssigkeitsgefüllte Membranlinsen, Axikonlinsen, stark absorbierende Aperturblenden, sowie verschiedene magnetische Mikrospiegel und ein kommerziell erhältlicher Mikromotor stellen das Sortiment des mikrooptischen Baukastens dar und ermöglichen den Aufbau endoskopischer Sonden mit unterschiedlichsten Funktionalitäten: • Flüssigkeitsgefüllte Membranlinsen gestatten es, endoskopische Systeme mit durchstimmbarem Arbeitsabstand, Schärfentiefe und lateraler Auflösung zu realisieren. Im vorgestellten Fall wird eine Auflösung von bis zu 6 µm erreicht. Der Arbeitsabstand kann von null bis unendlich variiert werden. • Selbst gefertigte Axikonlinsen erzeugen Bessel-Strahlen mit deutlich erhöhter Schärfentiefe (3,15 mm) und einer konstanten lateralen Auflösung von 10 µm innerhalb des gesamten Bereichs. Die selbstrekonstruierenden Eigenschaften der Bessel-Strahlen reduzieren zudem Abschattungseffekte opaker Hindernisse im Strahlengang. • Integrierte Laserscanner, realisiert durch selbst hergestellte magnetische Mikrospiegel und integrierte kommerzielle Miniaturmotoren, ermöglichen die Erzeugung 2- bzw. 3-dimensionaler Bilder in Echtzeit, ohne dass die komplette Sonde von außen bewegt oder rotiert werden muss. Im Gegensatz zu endoskopischen Sonden, welche auf kommerziellen Optiken und konventionellen Metall- bzw. Kunststoffplattformen beruhen, weisen die silizium-basierten Systeme neben den zuvor erwähnten Funktionalitäten auch eine deutlich erhöhte Justagegenauigkeit auf. Darüberhinaus sind deutlich kleinere Abmessungen als mit den konventionellen Techniken möglich. Die vollintegrierten Sonden, welche in diesem Projekt entwickelt wurden, passen dank eines äußeren Durchmessers von weniger als 2,75 mm in den 3 mm großen Arbeitskanal kommerziell erhältlicher Endoskope.

Publications

• ”Endoscopic optical probes for linear and rotational scanning,” in Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013 IEEE 26th International Conference on, pp. 1065-1068, 2013
  N. Weber, H. Zappe, and A. Seifert
  
• ”A tunable optofluidic silicon optical bench,”Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 21, no. 6, pp. 1357-1364, 2012
  N. Weber, H. Zappe, and A. Seifert
  
• ”An all-nickel magnetostatic MEMS scanner,”Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 22, 125008, 2012
  N. Weber, H. Zappe, and A. Seifert
  
• ”Highly-compact imaging using Bessel beams generated by ultraminiaturized multi-micro-axicon systems,” Journal of the Optical Society of America A, vol. 29, no. 5, pp. 808-816, 2012
  N. Weber, D. Spether, A. Seifert, and H. Zappe
  
• ”Polymer/Silicon hard magnetic micromirrors,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 21, no. 5, pp. 1098-1106, 2012
  N. Weber, D. Hertkorn, H. Zappe, and A. Seifert
  
• ”Varifocal MOEMS fiber scanner for confocal endomicroscopy,” Optics Express, vol. 22, no. 25, pp. 31529-31544, 2014
  T. Meinert, N. Weber, H. Zappe, and A. Seifert