前沿 | CMOS光电光谱仪实现活体三维相干光学断层扫描成像

研究背景

      光子集成电路（PIC）是一项极具前景的技术，通过在单个芯片上单片（共）集成用于引导和操纵光的各种功能构建模块，从而构建独立的光系统。PIC技术通过使用互补金属氧化物半导体（互补金属氧化物半导体）兼容材料（例如硅）作为光纤材料，提供了与电子设备无缝集成的潜力，能够满足当今对医疗设备的迫切需求。其主要优势在于能够将多种功能集成到单一芯片上，从而减少设备的复杂性、尺寸、维护需求以及成本。当前的半导体制造设施已经可以使用标准工艺生产PIC，这确保了结构可重复性，并允许在单一工艺流程中高效生产大量芯片，从而实现可扩展、高精度和成本效益的制造。所有这些优势使PIC技术成为一种有前景的选择，能够用于小型化医疗诊断工具的光学测量方案，并显著降低其生产成本。一种这样的医疗诊断工具是光学相干断层扫描（OCT）。在眼科领域，OCT是诊断视网膜疾病的当前黄金标准成像技术。OCT由于其非侵入性、高分辨率的三维成像能力，在其他医学领域也成为了一种实用的成像工具，例如皮肤科、癌症研究和内窥镜检查。

导读

      目前商用OCT系统的高成本和大体积限制了其检查范围，仅限于医院和大型诊所。将OCT小型化并降低其成本，是提高其在分散应用和广泛筛查中可用性的两个关键因素，尤其是在资源匮乏地区（如全球南方）以及家庭护理中。在眼科光学相干断层扫描成像诊断这一先进的眼科诊断技术场景中，成像设备需要考虑尺寸、重量或成本等多种限制，PIC的应用有望提高设备的可及性。为此，作者提出了一种基于PIC、兼容CMOS的光谱仪，用于光谱域OCT，其集成度达到了前所未有的水平。维也纳医科大学医学物理与生物医学工程中心Wolfgang Drexler 教授牵头，将512通道阵列波导光栅与电子学系统进行了共集成，成功解决了光波导与单片集成在芯片上的光电二极管之间的连接问题，实现了最低损耗的耦合。这一突破性的完全集成光谱仪标志着向小型化、低成本和免维护OCT系统迈出了重要一步。相关内容于2024年10月11日以“CMOS optoelectronic spectrometer based on photonic integrated circuit for in vivo 3D optical coherence tomography”为题发表在 PhotoniX 期刊上。

主要研究内容

      本文展示了首款基于光子集成电路（PIC）的512通道阵列波导光栅（AWG），其在单个芯片上实现了与光电二极管、多路复用器、模数转换器（ADC）和控制逻辑的单片共集成，适用于特定波长区域。该芯片安装在一块包含所有必要电子元件的印刷电路板（PCB）上，能够作为线扫描探测器工作。

      本文对AWG及其新型耦合结构进行了全面的性能表征，耦合效率达到了70%。利用这一完全集成的PIC光谱仪与光谱域OCT系统相结合，在成像速度为55kHz下达到了92dB的灵敏度，信号在2mm处出现6dB的衰减。作者成功地将这一创新技术应用于生物活体的成像观测，在斑马鱼幼体和人类皮肤的体内三维断层扫描中均表现出优异的成像效果。

技术突破与创新点

      由于AWG结构尺寸与其性能之间存在很强的相关性，精确计算AWG设计参数至关重要。在设计中，耦合器的宽度不是主要参数，可以根据需要进行调整。本设计中AWG的输出波导数为512。阵列波导数通常通过远场强度的宽度除以阵列波导之间的最小间距计算得出，确保输入星形耦合器发出的所有光都能被输入阵列孔径接收。详细设计如图1所示。

      为了证明完全集成的光谱仪用于体内光学相干断层扫描的适用性，本文构建了一个基于光纤的SD-光学相干断层扫描装置，用所提供的芯片取代了传统的光谱仪。如图2所示，本系统在样本上实现了92分贝的最大灵敏度，功率为2.6豪瓦，软组织中的轴向分辨率为13微米（折射率1.4），横向分辨率为11微米。一次扫描的采集速度（扫描速率）由光电二极管的曝光控制确定，并设置为55 kHz。

      使用该基于PIC的系统，我们可以获取活体断层图，提供与人类指尖和斑马鱼幼体相关的形态信息。斑马鱼被广泛用作人类病理研究的模型，包括心力衰竭模型和癌症模型。图3显示了本系统对斑马鱼幼体的3D OCT断层成像的结果。

观点评述

      本文展示了向实现基于光子集成电路（PIC）的全集成片上OCT系统迈出的重要一步。本文开发的光电光谱仪首次在特定波长范围内实现了光学与电子组件的单片集成，并证明其适用于活体OCT成像。此外，这一成果表明，该系统可以直接应用于眼科领域，因为视网膜成像也在相同的波长范围内进行。这种集成通过我们创新的耦合结构得以高效实现，该结构不仅将信号损耗降至最低，还能适配多种芯片设计而无需增加成本。尽管开发一个小型化、稳定性强且具备商业可行性的频域OCT（SD-OCT）系统仍需进一步改进，但本文的工作在打造小型化、高性能且经济高效的系统方面取得了重要进展，具有广泛的应用前景。

主要作者介绍

      Anja Agneter，维也纳医科大学的医学物理与生物医学工程中心博士研究生，研究领域为相干光学成像，断层扫描成像。主要研究方向是利用光子集成电路（PIC）实现光学相干断层扫描（OCT）的微型化。

      Paul Müllner，奥地利技术研究院科学家，物理博士，研究方向为光学成像，集成电路设计。在PhotoniX，Light: Science & Applications等期刊发表论文50余篇。

      Wolfgang Drexler，博士，维也纳医科大学医学物理学教授，担任医学物理与生物医学工程中心主任。他曾在美国麻省理工学院（MIT）进行两年的研究工作。在现任职位之前，Drexler博士曾任英国威尔士卡迪夫大学生物医学成像教授。他的主要研究领域是建立新一代光学成像平台，旨在革新基础生物学研究和医学诊断。Drexler博士发表了超过190篇同行评审的论文和600多篇会议论文或摘要。他曾担任或现任12本书籍的编辑或共同编辑，包括两版《光学相干断层扫描：技术与应用》。此外，自2000年以来，他已进行超过250次受邀或主题演讲，并获得了1600万欧元的研究资助。

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