據麥姆斯咨詢介紹，硅單光子雪崩二極管（SPAD）陣列具有優異的靈敏度和較低的暗計數率。重要的是，用于時間門控、時間相關單光子計數（TCSPC）和一些數據處理的電子器件可在像素級集成。這使得SPAD特別適合諸如熒光壽命顯微成像（FLIM）和寬視場熒光壽命成像（WFLIm）等應用。WFLIm是一種成像模式，在該模式下，以足夠精細的時間分辨率捕獲宏觀尺度物體的熒光衰減，從而可以計算熒光壽命。這可以提供僅通過熒光強度無法獲得的額外對比度，突出材料性質或組成的變化。
時間門控SPAD陣列的另一個常見應用是飛行時間（ToF）測距，例如激光雷達（LiDAR），其中時間分辨率用于測量從物體散射的光子的往返時間，從而計算出距離。最近，下文中的研究團隊已經展示了可從相同的時間分辨SPAD數據中同時提取WFLIm和ToF數據，以實現熒光物體的3D場景重建和表面映射（DOI: 10.1117/12.2648431和DOI: 10.1117/12.2648431）。這與之前大多數將ToF和WFLIm結合的嘗試不同，因為這些嘗試往往側重于定位樣品深處的外源熒光夾雜物，盡管熒光ToF/LiDAR是一種成熟的技術，但它往往只關注熒光強度，而不是熒光壽命。這種復合技術，在下文中將被稱之為FLImDAR（具有ToF測距功能的熒光壽命成像），在內窺鏡檢查、手術指導和診斷成像等生物醫學領域具有明確的應用前景。除了在生物醫學成像中的應用外，這種WFLIm與ToF信息的結合還可用于勘測和農學等領域，在這些領域，熒光壽命可提供有關植物健康和病理學的信息，或在核反應堆等危險區域進行遙感。然而，迄今為止，FLImDAR僅使用基于TCSPC的系統。這些系統是具有許多數據輸入/輸出（I/O）的大型臺式系統，以滿足TCSPC所需的高帶寬數據傳輸。
據麥姆斯咨詢報道，近日，英國愛丁堡大學（University of Edinburgh）和赫瑞-瓦特大學（Heriot-Watt University）的研究人員組成的團隊展示了一種基于時間門控SPAD陣列（以“尖端芯片”的方式運行）的微型成像系統。研究團隊展示了具有不同的視場和工作距離的成像系統的兩個版本（系統A和系統B），每個版本的尺寸均為23 mm?×?23 mm?×?28 mm。初步測試展示了在寬視場熒光成像（WFLIm）模式下不同材料之間的對比度，幀率可達到?>?2 Hz。隨后，以~1 Hz的幀率獲得了綿羊肺組織中自發熒光的WFLIm圖像。最后，研究人員還測試了第二個系統同時執行WFLIm和ToF（即FLImDAR）的能力。結果表明，當在3D打印的樣品上進行測試時，該系統能夠實現4 mm分辨率的物體區分。此外，該系統還能夠對自發熒光的肺組織進行場景重建。該系統是迄今為止已報道的最小的尖端芯片WFLIm系統，也是FLImDAR技術在緊湊型便攜式系統中的首次演示。上述研究成果以“Fluorescence lifetime imaging with distance and ranging using a miniaturised SPAD system”為題發表于Scientific Reports期刊。
Endocam傳感器（由120 × 128 SPAD像素構成，每個像素都有自己的集成光子計數電子元件）被設計用于成像系統的遠端，并且可以在約1米的有線接口上運行。然后它可以集成到一個小型光學系統中，如圖1a所示。該SPAD成像系統的示意圖如圖1b所示。為了制造本研究提出的微型系統，外殼采用聚乳酸（PLA）3D打印，外部尺寸為23 mm?×?23 mm?×?28 mm。激發光由濱松（Hamamatsu）Picosecond Light Pulser PLP-10激光二極管頭提供，波長為483 nm，脈沖寬度為80 ps，耦合到多模光纖（數值孔徑NA = 0.5，Thorlabs M124L02）中，在20 MHz頻率下提供~ 0.3 mW功率。發射的熒光（圖1b中的橙色箭頭）穿過光圈和二向色鏡，并被第二個二向色鏡（Thorlabs DMLP550R）進一步過濾，以清除外殼內散射的任何雜散激發光。然后它通過一個低成本塑料非球面透鏡（焦距為3.32 mm，數值孔徑為0.4，Thorlabs CAY033）聚焦，并在Endocam傳感器上形成圖像。
圖1 微型SPAD成像系統及測試樣品
圖1c所示為3D打印的熒光測試樣品，綿羊肺組織樣品如圖1d所示。為了避免背景光的影響，所有測試都是在暗室中進行的，這與在體內使用內窺鏡系統的條件相同。
對系統A的初始測試是使用門控-掃描模式在3D打印樣品上進行的，如圖2所示。在圖2a所示的熒光強度圖中，字母U和E（代表愛丁堡大學）都清晰可見，但圖2b所示的強度圖像直方圖顯示這些材料之間的區分不明顯。圖2c所示的WFLIm圖像顯示出更好的對比度，如圖2d所示圖像直方圖所示，存在兩個明確的峰值。
圖2 3D打印熒光樣品的測試結果（系統A）
圖3a和圖3b分別顯示的是綿羊肺自發熒光的強度圖像和壽命圖像。為了改善這些壽命圖像的信噪比（SNR），在進行壽命計算之前，對這些圖像進行了2倍的空間下采樣。這導致圖像稍微像素化，但如圖4b所示，使用WFLIm模式時，圖像中左右兩側對象壽命的對比度更加明顯，而僅在強度圖像中未能顯現這一點。
圖3 綿羊肺組織的熒光強度和壽命成像（系統B）
如前所述，該研究團隊最近已經展示了時間分辨SPAD傳感器可用于執行WFLIm和ToF測距的結合，以便同時進行熒光壽命對比度和3D場景重建。在圖4中，該團隊使用微型Endocam傳感器系統展示了這種能力，這是首次以這種方式使用手持式移動傳感器展示這種模式，也是首次對時間門控單光子計數而不是TCSPC數據進行FLImDAR分析。
圖4 3D打印樣品的FLImDAR 3D點云（系統B）
圖4a顯示了放置在距離傳感器相同距離處的兩個3D打印樣品的距離圖像，圖4b則是“E”的位置比“U”的位置近80 mm的結果。將WFLIm和距離信息結合起來，可生成圖4d所示的3D點云，其中Z軸表示距離，點的顏色表示熒光壽命，這是首次從FLImDAR數據中生成此類可視化圖像。
最后，研究人員將FLImDAR和尖端芯片成像結合并應用于組織自發熒光，以生成圖5所示的綿羊肺組織的3D點云。
圖5 綿羊肺組織的FLImDAR 3D點云（系統B）
綜上所述，這項研究演示了微型時間分辨成像傳感器的使用，這種傳感器足夠小，可用于一些體內應用，并且能夠利用接近每秒1幀的自發熒光的熒光壽命來提供綿羊肺中不同組織類型之間的對比度。該SPAD成像系統的研究建立在先前工作的基礎上，是首個小到足以用于某些體內應用的尖端芯片WFLIm系統。此外，這是通過小型手持系統部署的新型FLImDAR模式的首次演示。盡管采集時間較慢，但該系統在對明亮樣品成像時表現出的~4 mm空間分辨率，以及同時從綿羊肺自身熒光獲得距離和壽命的能力表明，FLImDAR可能是微型內窺鏡成像的一種可行模式。
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https://doi.org/10.1038/s41598-024-63409-w
