行业新闻

越来越多的人患上癌症，但人类尚无有效治疗手段，目前提高成活率的唯一方法就是早期诊断。光学相干层析成像（OCT）技术具有高分辨率的断面成像能力，它将为癌症的早期诊断提供可行性方案。但要对人体消化道上皮组织、各种内脏器官内窥成像且深度达到1-3mm时，这时就需要微型探头来进入体内进行光学扫描来实现。由于微机电系统（MEMS）具有尺寸小（微米到毫米量级）、高速、低功耗、低成本等优点，已经被用做扫描微执行器广泛用于OCT内窥镜探头中。研究结果表明将MEMS扫描微镜用于OCT内窥成像探头中具有非常大的潜力，文章中将对世界主要公司及研究机构的各种MEMS－OCT内窥镜探头进行总结介绍，同时也给出他们结合OCT成像的结果。

1、介绍

世界卫生组织数据表明：2008 年全球有1270万患癌症，死亡760万，死亡率近60%，其中70%的人死于癌症发现晚期。而癌症死亡数居首位的肺癌，如早期发现及诊疗，5年存活率达90%。目前常用的无创医学成像诊断方法有：计算机断层扫描技术（CT）、核磁共振成像（MRI）、超声成像等。但他们都不具备高分辨率，无法有效检测微米级的早期癌症细胞组织，并且上述几种检测方法存在高成本、具有辐射危险。光学相干层析技术（Optical coherence tomography： OCT）是一种具有微米级分辨率成像技术，它的成像分辨率能达到1－15μm，成像深度一般能达到1－3mm，同时结合内窥镜实现真正意义上探测人体内脏表层下微小病变的能力，从而实现早期病变诊断，尤其是在人类的第一杀手--癌症的早期诊断上，有着广阔应用前景。

图一显示OCT的简化原理图和用于活体内检的内窥镜OCT系统原理图。如图一(a)所示，OCT系统的核心是一个迈克尔逊干涉仪，由于采用低相干光源，当参考臂和样本臂的两路光程差在相干长度以内，光电探测仪将探测到光学相干信号。对样本不同深度的光学信息就可以通过对参考臂的光程延迟调节来实现。在样本臂中通过加入一维或二维横向扫描就能分别获得样本的二维和三维层析图。OCT的纵向分辨率由所用光源的相干长度决定而横向分辨率则由光学衍射极限所限制，通常都在约1-20微米量级。然而，OCT对于活体内脏器官的临床检查和外科手术的广泛应用却仍然存在技术障碍。其中最关键的是对OCT内窥镜尺寸的严格限制。对体内脏器的活体检测要求OCT内窥镜探头足够小（外径要求5毫米以下）才能无创伤地深入到脏器内部。

目前国际上自主生产OCT的公司很多但基本上局限于眼科，如美国的Optivue和OPKO, 德国的Heidelberg Engineering和Carl Zeiss及日本的Topcon。国内目前主要是Moptim。OCT用于体内器官早期癌细胞诊断等的活体检测仍停留在实验室，这是因为目前OCT内窥镜探头仍处于研发阶段。早期的内窥镜探头因缺乏能集成在探头内部的微型横向扫描机制而采用探头外部扫描的结构，如用大尺寸电流镜扫描光纤束端面，用压电元件旋转光纤或用电机旋转棱镜，更多的则采用外部电机平台直接推拉和旋转整个内窥镜。这些早期探头扫描范围小，成像速度低，探头定位和扫描控制难度高，其所需的大尺寸部件如电流镜，压电元件和电机又严格限制了内窥镜的微型化。因此此类探头的应用价值和对其产品化的商业价值较低。大家都将目光聚焦到MEMS技术上，它将为微型内窥镜探头的最终问市提供可能。

图1: OCT系统原理图

2、用于OCT内窥镜成像的MEMS

MEMS技术可使设备和系统微型化（毫米甚至微米级别），MEMS传感器和微执行器已广泛用于汽车安全气囊、手机、投影仪和电子游戏等领域。随着OCT技术在人体内的应用，MEMS技术显示出它的巨大潜能，它的小尺寸可解决探头的微型化问题；MEMS的快速扫描可实现OCT系统的实时成像；MEMS的扫描控制易于与OCT集成；MEMS的低成本也将为大批量生产提供可能；低功耗的MEMS对系统要求低。第1个MEMS内窥镜由Pan et al.采用一维电热驱动的MEMS微镜完成，通过模拟获得了一幅二维猪膀胱的横断面扫描图。从此各式各样的MEMS微镜应运而生，并被用于OCT内窥镜探头中。

3、MEMS－OCT探头

3.1采用静电驱动MEMS微镜的内窥镜探头

静电驱动是靠带电粒子之间的相互作用力来实现的，静电驱动已经成为MEMS微镜最热门的驱动方式之一，Petersen首次利用静电驱动的原理实现了MEMS微镜的模拟，使用平行板结构在加压300V的条件下可实现最大±2°的谐振偏转角度。由于平行板结构限制了偏转角度，后面发展成垂直梳状驱动结构，可实现微镜一维和二维扫描，在加压16V时机械谐振偏转角度可达到±5.5°，55V时可达±6.2°。为了达到更大的偏转角度，Milanović et al.提出了一个新的无平衡架绝缘体上硅微镜，在驱动电压150V条件下静态扫描角度在两个方向上都提高至±10°左右。

图2：UC-Irvine/UC-Berkeley的静电驱动MEMS－OCT. (a两种MEMS微镜结构 (b) MEMS探头封装(c)兔子的直肠组织3D 图像

Jung and McCormick采用静电驱动MEMS微镜完成了一系列的OCT内窥镜探头，如图3所示，其各项参数如下表1.

表1：UC-Irvine/UC-Berkeley静电驱动MEMS探头

图3：MIT的静电驱动MEMS－OCT. (3.11) MEMS微镜结构 (3.12) MEMS探头封装(3.13)仓鼠的脸颊袋3D 图像

表2：MIT静电驱动MEMS探头

MIT的Aguirre et al.也采用静电驱动MEMS微镜设计出OCT内窥镜探头并做了相应的OCT成像实验，他们采用有平衡支架的成角度垂直梳状结构模拟设计出MEMS执行器，微镜能够获得较大的偏转角度。如图4所示，其各项参数如表2。

（c）

图 4:电磁MEMS探头和OCT成像（Kim et al. ） (a)电磁MEMS微镜组件 (b)探头设计及封装(c) 指尖的3D成像

表3：电磁驱动MEMS探头

3.2采用电磁驱动MEMS微镜的内窥镜探头

为了在更低驱动电压条件下增加微镜的扫描角度，电磁微镜也开始被用于开发OCT内窥镜探头。通过控制线圈中电流的流向，便可以得到互相排斥和相互吸引的力，以洛伦兹力作为动力的电磁执行器能够实现MEMS微镜低电压大角度扫描，高导磁材料和电极性较好的线圈通常可用作电磁执行器。Miller and Tai发表过一维光学扫描角度达到60°的电磁驱动MEMS微镜，Yang et al.等人还设计过无线圈电磁驱动MEMS微镜，在输入功率为9mW时2mm × 2mm的微镜能偏转10°。Kim et al.采用2D电磁驱动MEMS设计出OCT内窥镜探头，微镜采用两轴万向节结构设计，永磁体粘贴至微镜底面，线圈设置于探头内部。如图5所示其探头相关参数如表3。

3.3采用电热驱动MEMS微镜的内窥镜探头

电热执行器能够在更低驱动电压条件下使微镜获得更大的扫描角度。电热执它可采用双压电晶片构成，每一个双压电晶片由热膨胀系数不同的两层材料组成，因此当温度产生变化时，双压电晶片便会产生弯曲变形。电热执行器的驱动力通常会比静电或电磁驱动要大，电热驱动微镜同样也存在扫描角度随加压成线性响应关系，电热微镜最大的优点之一是具有较大的填充因子，即在具有相同镜面通光孔径条件下MEMS微镜会更小，这无疑是更适合于OCT内窥镜探头的设计。Jain et al.采用Al/SiO2双压电晶元制作的2D微镜（1mm×1mm）能够达到40°/15V的光学扫描角度，Xie et al.已经完成了1D和2D电热微镜的制作并成功运用到OCT内窥镜探头中，探头及OCT参数如表4。

图5：电热MEMS微镜、探头及OCT成像（Sun et al.发表 ） (a) 2D电热驱动MEMS微镜 (b) 5mm探头3D (c) 5mm组装探头 (d) 2.7mm探头3D模型 (d) 2.7mm组装探头 (f) 田鼠耳朵3维OCT成像（5mm探头）

表4：电磁驱动MEMS探头

最近，新加坡的 Xu et al. 也发表了采用电热微镜设计OCT内窥镜探头的设计，他们验证了多种Al/Si电晶元的平直和卷曲结构。探头利用光学衬底上Si加工的方法制作，光学衬底用于光学元件的自对中，MEMS的电连接通过基底上的铜线与焊球接触，最后探头插入透明管子中。微镜最大的机械偏转角度达到17°/～1.3V。其结构如图6所示，具体参数见表5。

图7：电热MEMS微镜、3D探头及OCT成像（Xu et al.发表 ） (a) 2D电热驱动MEMS微镜 (b)探头3D设计和组装验证(c)IR card的2D和3D成像

表4：电磁驱动MEMS探头

4、结论

除上文中描述的三种MEMS驱动方式外，还有压电驱动方式，然而难以用于OCT内窥镜探头3D成像，结构亦需改进。综上4种MEMS驱动执行器，探头采用静电或电磁驱动方式，静电驱动的MEMS微镜有速度快，功耗低的优点，但是扫描范围小而驱动电压大。通常只有不超过10度的光学扫描角度却需要几十甚至几百伏的驱动电压，其小角度扫描限制了内窥镜的成像范围，而高电压在人体内使用非常不安全。另外，静电微镜的占空比很小，通常不超过5%。微电磁驱动的MEMS微镜扫描范围较大，但功耗高，器件除了镜面和可动微机械结构外还需要集成在镜面上或使用外部线圈和磁体。因此制造工艺和对内窥镜探头的组装最为复杂，制造成本更高。另外，所需电磁场对人体内安全隐患的缺点也较为突出。而微电热驱动器具有内窥镜成像所高度期望的大角度扫描和低驱动电压这两个突出优点，其几百赫兹到上千赫兹的谐振频率又能充分满足OCT成像速度的要求。

将电热MEMS技术结合OCT实现活体内窥成像将显示巨大潜力，随着这项技术在早期癌症检测的临床应用，将会有益于全世界人民。