越來(lái)越多的人患上癌癥，但人類尚無(wú)有效治療手段，目前提高成活率的唯一方法就是早期診斷。光學(xué)相干層析成像（OCT）技術(shù)具有高分辨率的斷面成像能力，它將為癌癥的早期診斷提供可行性方案。但要對(duì)人體消化道上皮組織、各種內(nèi)臟器官內(nèi)窺成像且深度達(dá)到1-3mm時(shí)，這時(shí)就需要微型探頭來(lái)進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)行光學(xué)掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）具有尺寸小（微米到毫米量級(jí)）、高速、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被用做掃描微執(zhí)行器廣泛用于OCT內(nèi)窺鏡探頭中。研究結(jié)果表明將MEMS掃描微鏡用于OCT內(nèi)窺成像探頭中具有非常大的潛力，文章中將對(duì)世界主要公司及研究機(jī)構(gòu)的各種MEMS－OCT內(nèi)窺鏡探頭進(jìn)行總結(jié)介紹，同時(shí)也給出他們結(jié)合OCT成像的結(jié)果。

1、介紹

世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)表明：2008 年全球有1270萬(wàn)患癌癥，死亡760萬(wàn)，死亡率近60%，其中70%的人死于癌癥發(fā)現(xiàn)晚期。而癌癥死亡數(shù)居首位的肺癌，如早期發(fā)現(xiàn)及診療，5年存活率達(dá)90%。目前常用的無(wú)創(chuàng)醫(yī)學(xué)成像診斷方法有：計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）、核磁共振成像（MRI）、超聲成像等。但他們都不具備高分辨率，無(wú)法有效檢測(cè)微米級(jí)的早期癌癥細(xì)胞組織，并且上述幾種檢測(cè)方法存在高成本、具有輻射危險(xiǎn)。光學(xué)相干層析技術(shù)（Optical coherence tomography： OCT）是一種具有微米級(jí)分辨率成像技術(shù)，它的成像分辨率能達(dá)到1－15μm，成像深度一般能達(dá)到1－3mm，同時(shí)結(jié)合內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)真正意義上探測(cè)人體內(nèi)臟表層下微小病變的能力，從而實(shí)現(xiàn)早期病變?cè)\斷，尤其是在人類的第一殺手--癌癥的早期診斷上，有著廣闊應(yīng)用前景。

圖一顯示OCT的簡(jiǎn)化原理圖和用于活體內(nèi)檢的內(nèi)窺鏡OCT系統(tǒng)原理圖。如圖一(a)所示，OCT系統(tǒng)的核心是一個(gè)邁克爾遜干涉儀，由于采用低相干光源，當(dāng)參考臂和樣本臂的兩路光程差在相干長(zhǎng)度以內(nèi)，光電探測(cè)儀將探測(cè)到光學(xué)相干信號(hào)。對(duì)樣本不同深度的光學(xué)信息就可以通過(guò)對(duì)參考臂的光程延遲調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在樣本臂中通過(guò)加入一維或二維橫向掃描就能分別獲得樣本的二維和三維層析圖。OCT的縱向分辨率由所用光源的相干長(zhǎng)度決定而橫向分辨率則由光學(xué)衍射極限所限制，通常都在約1-20微米量級(jí)。然而，OCT對(duì)于活體內(nèi)臟器官的臨床檢查和外科手術(shù)的廣泛應(yīng)用卻仍然存在技術(shù)障礙。其中最關(guān)鍵的是對(duì)OCT內(nèi)窺鏡尺寸的嚴(yán)格限制。對(duì)體內(nèi)臟器的活體檢測(cè)要求OCT內(nèi)窺鏡探頭足夠�。ㄍ鈴揭�求5毫米以下）才能無(wú)創(chuàng)傷地深入到臟器內(nèi)部。

目前國(guó)際上自主生產(chǎn)OCT的公司很多但基本上局限于眼科，如美國(guó)的Optivue和OPKO, 德國(guó)的Heidelberg Engineering和Carl Zeiss及日本的Topcon。國(guó)內(nèi)目前主要是Moptim。OCT用于體內(nèi)器官早期癌細(xì)胞診斷等的活體檢測(cè)仍停留在實(shí)驗(yàn)室，這是因?yàn)槟壳癘CT內(nèi)窺鏡探頭仍處于研發(fā)階段。早期的內(nèi)窺鏡探頭因缺乏能集成在探頭內(nèi)部的微型橫向掃描機(jī)制而采用探頭外部掃描的結(jié)構(gòu)，如用大尺寸電流鏡掃描光纖束端面，用壓電元件旋轉(zhuǎn)光纖或用電機(jī)旋轉(zhuǎn)棱鏡，更多的則采用外部電機(jī)平臺(tái)直接推拉和旋轉(zhuǎn)整個(gè)內(nèi)窺鏡。這些早期探頭掃描范圍小，成像速度低，探頭定位和掃描控制難度高，其所需的大尺寸部件如電流鏡，壓電元件和電機(jī)又嚴(yán)格限制了內(nèi)窺鏡的微型化。因此此類探頭的應(yīng)用價(jià)值和對(duì)其產(chǎn)品化的商業(yè)價(jià)值較低。大家都將目光聚焦到MEMS技術(shù)上，它將為微型內(nèi)窺鏡探頭的最終問(wèn)市提供可能。

圖1: OCT系統(tǒng)原理圖

2、用于OCT內(nèi)窺鏡成像的MEMS

MEMS技術(shù)可使設(shè)備和系統(tǒng)微型化（毫米甚至微米級(jí)別），MEMS傳感器和微執(zhí)行器已廣泛用于汽車安全氣囊、手機(jī)、投影儀和電子游戲等領(lǐng)域。隨著OCT技術(shù)在人體內(nèi)的應(yīng)用，MEMS技術(shù)顯示出它的巨大潛能，它的小尺寸可解決探頭的微型化問(wèn)題；MEMS的快速掃描可實(shí)現(xiàn)OCT系統(tǒng)的實(shí)時(shí)成像；MEMS的掃描控制易于與OCT集成；MEMS的低成本也將為大批量生產(chǎn)提供可能；低功耗的MEMS對(duì)系統(tǒng)要求低。第1個(gè)MEMS內(nèi)窺鏡由Pan et al.采用一維電熱驅(qū)動(dòng)的MEMS微鏡完成，通過(guò)模擬獲得了一幅二維豬膀胱的橫斷面掃描圖。從此各式各樣的MEMS微鏡應(yīng)運(yùn)而生，并被用于OCT內(nèi)窺鏡探頭中。

3、MEMS－OCT探頭

3.1采用靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡的內(nèi)窺鏡探頭

靜電驅(qū)動(dòng)是靠帶電粒子之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，靜電驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為MEMS微鏡最熱門的驅(qū)動(dòng)方式之一，Petersen首次利用靜電驅(qū)動(dòng)的原理實(shí)現(xiàn)了MEMS微鏡的模擬，使用平行板結(jié)構(gòu)在加壓300V的條件下可實(shí)現(xiàn)最大±2°的諧振偏轉(zhuǎn)角度。由于平行板結(jié)構(gòu)限制了偏轉(zhuǎn)角度，后面發(fā)展成垂直梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)微鏡一維和二維掃描，在加壓16V時(shí)機(jī)械諧振偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)到±5.5°，55V時(shí)可達(dá)±6.2°。為了達(dá)到更大的偏轉(zhuǎn)角度，Milanović et al.提出了一個(gè)新的無(wú)平衡架絕緣體上硅微鏡，在驅(qū)動(dòng)電壓150V條件下靜態(tài)掃描角度在兩個(gè)方向上都提高至±10°左右。

圖2：UC-Irvine/UC-Berkeley的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS－OCT. (a兩種MEMS微鏡結(jié)構(gòu) (b) MEMS探頭封裝(c)兔子的直腸組織3D 圖像

Jung and McCormick采用靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡完成了一系列的OCT內(nèi)窺鏡探頭，如圖3所示，其各項(xiàng)參數(shù)如下表1.

表1：UC-Irvine/UC-Berkeley靜電驅(qū)動(dòng)MEMS探頭

圖3：MIT的靜電驅(qū)動(dòng)MEMS－OCT. (3.11) MEMS微鏡結(jié)構(gòu) (3.12) MEMS探頭封裝(3.13)倉(cāng)鼠的臉頰袋3D 圖像

表2：MIT靜電驅(qū)動(dòng)MEMS探頭

MIT的Aguirre et al.也采用靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡設(shè)計(jì)出OCT內(nèi)窺鏡探頭并做了相應(yīng)的OCT成像實(shí)驗(yàn)，他們采用有平衡支架的成角度垂直梳狀結(jié)構(gòu)模擬設(shè)計(jì)出MEMS執(zhí)行器，微鏡能夠獲得較大的偏轉(zhuǎn)角度。如圖4所示，其各項(xiàng)參數(shù)如表2。

（c）

圖 4:電磁MEMS探頭和OCT成像（Kim et al. ） (a)電磁MEMS微鏡組件 (b)探頭設(shè)計(jì)及封裝(c) 指尖的3D成像

表3：電磁驅(qū)動(dòng)MEMS探頭

3.2采用電磁驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡的內(nèi)窺鏡探頭

為了在更低驅(qū)動(dòng)電壓條件下增加微鏡的掃描角度，電磁微鏡也開(kāi)始被用于開(kāi)發(fā)OCT內(nèi)窺鏡探頭。通過(guò)控制線圈中電流的流向，便可以得到互相排斥和相互吸引的力，以洛倫茲力作為動(dòng)力的電磁執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS微鏡低電壓大角度掃描，高導(dǎo)磁材料和電極性較好的線圈通常可用作電磁執(zhí)行器。Miller and Tai發(fā)表過(guò)一維光學(xué)掃描角度達(dá)到60°的電磁驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡，Yang et al.等人還設(shè)計(jì)過(guò)無(wú)線圈電磁驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡，在輸入功率為9mW時(shí)2mm × 2mm的微鏡能偏轉(zhuǎn)10°。Kim et al.采用2D電磁驅(qū)動(dòng)MEMS設(shè)計(jì)出OCT內(nèi)窺鏡探頭，微鏡采用兩軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，永磁體粘貼至微鏡底面，線圈設(shè)置于探頭內(nèi)部。如圖5所示其探頭相關(guān)參數(shù)如表3。

3.3采用電熱驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡的內(nèi)窺鏡探頭

電熱執(zhí)行器能夠在更低驅(qū)動(dòng)電壓條件下使微鏡獲得更大的掃描角度。電熱執(zhí)它可采用雙壓電晶片構(gòu)成，每一個(gè)雙壓電晶片由熱膨脹系數(shù)不同的兩層材料組成，因此當(dāng)溫度產(chǎn)生變化時(shí)，雙壓電晶片便會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。電熱執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力通常會(huì)比靜電或電磁驅(qū)動(dòng)要大，電熱驅(qū)動(dòng)微鏡同樣也存在掃描角度隨加壓成線性響應(yīng)關(guān)系，電熱微鏡最大的優(yōu)點(diǎn)之一是具有較大的填充因子，即在具有相同鏡面通光孔徑條件下MEMS微鏡會(huì)更小，這無(wú)疑是更適合于OCT內(nèi)窺鏡探頭的設(shè)計(jì)。Jain et al.采用Al/SiO2雙壓電晶元制作的2D微鏡（1mm×1mm）能夠達(dá)到40°/15V的光學(xué)掃描角度，Xie et al.已經(jīng)完成了1D和2D電熱微鏡的制作并成功運(yùn)用到OCT內(nèi)窺鏡探頭中，探頭及OCT參數(shù)如表4。

圖5：電熱MEMS微鏡、探頭及OCT成像（Sun et al.發(fā)表 ） (a) 2D電熱驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡 (b) 5mm探頭3D (c) 5mm組裝探頭 (d) 2.7mm探頭3D模型 (d) 2.7mm組裝探頭 (f) 田鼠耳朵3維OCT成像（5mm探頭）

表4：電磁驅(qū)動(dòng)MEMS探頭

最近，新加坡的 Xu et al. 也發(fā)表了采用電熱微鏡設(shè)計(jì)OCT內(nèi)窺鏡探頭的設(shè)計(jì)，他們驗(yàn)證了多種Al/Si電晶元的平直和卷曲結(jié)構(gòu)。探頭利用光學(xué)襯底上Si加工的方法制作，光學(xué)襯底用于光學(xué)元件的自對(duì)中，MEMS的電連接通過(guò)基底上的銅線與焊球接觸，最后探頭插入透明管子中。微鏡最大的機(jī)械偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到17°/～1.3V。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，具體參數(shù)見(jiàn)表5。

圖7：電熱MEMS微鏡、3D探頭及OCT成像（Xu et al.發(fā)表 ） (a) 2D電熱驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡 (b)探頭3D設(shè)計(jì)和組裝驗(yàn)證(c)IR card的2D和3D成像

表4：電磁驅(qū)動(dòng)MEMS探頭

4、結(jié)論

除上文中描述的三種MEMS驅(qū)動(dòng)方式外，還有壓電驅(qū)動(dòng)方式，然而難以用于OCT內(nèi)窺鏡探頭3D成像，結(jié)構(gòu)亦需改進(jìn)。綜上4種MEMS驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，探頭采用靜電或電磁驅(qū)動(dòng)方式，靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS微鏡有速度快，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是掃描范圍小而驅(qū)動(dòng)電壓大。通常只有不超過(guò)10度的光學(xué)掃描角度卻需要幾十甚至幾百伏的驅(qū)動(dòng)電壓，其小角度掃描限制了內(nèi)窺鏡的成像范圍，而高電壓在人體內(nèi)使用非常不安全。另外，靜電微鏡的占空比很小，通常不超過(guò)5%。微電磁驅(qū)動(dòng)的MEMS微鏡掃描范圍較大，但功耗高，器件除了鏡面和可動(dòng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)外還需要集成在鏡面上或使用外部線圈和磁體。因此制造工藝和對(duì)內(nèi)窺鏡探頭的組裝最為復(fù)雜，制造成本更高。另外，所需電磁場(chǎng)對(duì)人體內(nèi)安全隱患的缺點(diǎn)也較為突出。而微電熱驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)窺鏡成像所高度期望的大角度掃描和低驅(qū)動(dòng)電壓這兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，其幾百赫茲到上千赫茲的諧振頻率又能充分滿足OCT成像速度的要求。

將電熱MEMS技術(shù)結(jié)合OCT實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)窺成像將顯示巨大潛力，隨著這項(xiàng)技術(shù)在早期癌癥檢測(cè)的臨床應(yīng)用，將會(huì)有益于全世界人民。