一種雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)即MEMS領(lǐng)域，具體涉及一種利用電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)單光纖變形以完成大范圍高精度掃描的內(nèi)窺鏡掃描探頭及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)用內(nèi)窺鏡作為一種收集、分析信息和輔助治療的關(guān)鍵醫(yī)療器械，在醫(yī)療及其檢測(cè)領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。最早的醫(yī)用內(nèi)窺鏡為硬質(zhì)金屬管式，在進(jìn)入人體內(nèi)的狹窄通道時(shí)常常給患者帶來(lái)較大的創(chuàng)傷和痛苦。不少研究者利用包裹在直徑小于I毫米軟管內(nèi)一束光纖作為柔性內(nèi)窺鏡的探頭，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些細(xì)小血管和較細(xì)特殊腔道的觀察。但是，由于在如此細(xì)的內(nèi)徑中可容納的光纖數(shù)量很有限，通常僅為十幾根，以至于使得內(nèi)窺鏡的最終分辨率較差，不利于后續(xù)的圖像處理與分析。
[0003]對(duì)于單光纖醫(yī)用內(nèi)窺鏡，尤其是作為其核心部件的掃描探頭的研究與開(kāi)發(fā)，國(guó)際上尚處在起步階段。美國(guó)德克薩斯大學(xué)H.P.Hu于2005年在《Unique features of opticalscanning, single fiber endoscopy, Lasers in Surgery and Medicine》文章中利用夕卜加電磁鐵驅(qū)動(dòng)帶有磁性材料的光纖作振動(dòng)掃描的內(nèi)窺鏡，其中，磁性材料鎳的顆粒通過(guò)凝膠的形式被包裹在一根光纖的表面，磁性結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為3.5毫米，厚度為0.11毫米，當(dāng)此磁性顆粒材料的凝膠形式被固化后，便可以牢固地與光纖結(jié)合，由于鎳的軟磁特性，當(dāng)受到外界磁場(chǎng)的作用力時(shí)，磁體在磁力的作用下將帶動(dòng)光纖一起發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)外磁場(chǎng)撤去時(shí)則光纖又可以恢復(fù)到原位，如此以一定頻率多次施加或撤去磁場(chǎng)，則可實(shí)現(xiàn)光纖在某個(gè)方向上的往復(fù)振動(dòng)。如果施加電磁場(chǎng)的頻率恰好與帶有磁體的光纖結(jié)構(gòu)的共振頻率一致時(shí)，則光纖將會(huì)在該頻率上發(fā)生共振，從而實(shí)現(xiàn)其作為內(nèi)窺鏡掃描探頭的功能。然而，上述內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)中的光纖很顯然只能在某個(gè)特定的方向上進(jìn)行掃描，僅使用一個(gè)電磁鐵無(wú)法在其遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)螺旋式平面掃描，而增加電磁鐵則無(wú)疑進(jìn)一步增大了器件結(jié)構(gòu)的整體尺寸。此外，該結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)窺鏡整體難以封裝，幾乎不可能將其全部封裝在直徑小于I毫米的軟管內(nèi)，而且固化的軟磁材料鎳凝膠，其結(jié)構(gòu)疏松、磁性較弱，不利于光纖產(chǎn)生較大的掃描角，因此內(nèi)窺鏡的整體掃描視野范圍也較小。
[0004]美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的L.Huo于2010年在《Endoscopic optical probes forlinear and rotat1nal scanning》中設(shè)計(jì)制作了另一種單光纖內(nèi)窺鏡，其中，單模光纖被固定在一個(gè)PZT壓電驅(qū)動(dòng)器的中心，其另一端增加了一個(gè)金屬套管以提高端點(diǎn)處的重量，降低光纖的自身共振頻率，一個(gè)自聚焦透鏡被安裝在距離光纖遠(yuǎn)端的一定工作距離處。當(dāng)一個(gè)具有和光纖自身共振頻率一致的驅(qū)動(dòng)電壓±40V被加載到壓電驅(qū)動(dòng)器上時(shí)，光纖就會(huì)被激勵(lì)作共振掃描，其遠(yuǎn)端的最大掃描范圍可達(dá)約2毫米；而當(dāng)一個(gè)調(diào)頻正弦波以90度的相差被同時(shí)加載到壓電驅(qū)動(dòng)器的X和Y電極上時(shí)，光纖的遠(yuǎn)端即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維的螺旋共振掃描，通過(guò)聚焦透鏡則可收集獲得腔道內(nèi)靠近窺鏡前端的組織圖像，上述結(jié)構(gòu)可被包裹在一個(gè)無(wú)菌的皮下軟管中，整體內(nèi)窺鏡的直徑為2.4毫米?？梢钥闯?，上述基于壓電驅(qū)動(dòng)的單光纖內(nèi)窺鏡其整體直徑尺寸仍大于I毫米，不能方便進(jìn)入人體內(nèi)一些較細(xì)的腔道內(nèi)進(jìn)行活體原位監(jiān)測(cè)和相應(yīng)的輔助治療，而且微小結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器在加工制作工藝上也比較困難，國(guó)際上目前已不建議廣泛使用對(duì)環(huán)境有害(因?yàn)槠浜U)的PZT作為壓電材料。
[0005]因此，本領(lǐng)域的研究人員致力于發(fā)明一種直徑尺寸接近甚至低于I毫米的內(nèi)窺鏡掃描探頭，能在環(huán)形軟管表面制作大角度傾斜螺旋線圈，并在工藝方面簡(jiǎn)潔，更加方便人們制作內(nèi)窺鏡掃描探頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了攻克內(nèi)窺鏡現(xiàn)階段研究的缺陷，本發(fā)明提供一種雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭及其制備方法，所述探頭直徑尺寸低于I毫米，能在環(huán)形軟管表面光刻沉積大傾斜角銅結(jié)構(gòu)的螺旋線圈，并且工藝過(guò)程方便簡(jiǎn)潔；軟管內(nèi)部的雙磁體一光纖結(jié)構(gòu)，利用電磁驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變形振動(dòng)，更能完成探頭的大范圍掃描，且成像清晰。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭，包括環(huán)形軟管、固定支座、細(xì)長(zhǎng)單光纖、兩個(gè)磁體、透鏡和傾斜螺旋線圈，其中:兩個(gè)磁體相隔一定距離地固定在細(xì)長(zhǎng)單光纖的中部位置，從而形成光纖-磁體結(jié)構(gòu)，磁體的上下運(yùn)功帶動(dòng)細(xì)長(zhǎng)單光纖振動(dòng)；透鏡固定于細(xì)長(zhǎng)單光纖的一端部，并隨細(xì)長(zhǎng)單光纖的振動(dòng)而上下掃描；固定支座位于細(xì)長(zhǎng)單光纖的另一端部；帶有透鏡的光纖-磁體結(jié)構(gòu)由固定支座安裝于環(huán)形軟管內(nèi)；傾斜螺旋線圈固定于環(huán)形軟管的表面；
[0008]當(dāng)在傾斜螺旋線圈施加一定大小的交流電壓時(shí)，在環(huán)形軟管內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向與磁體軸心方向形成一定的角度，并分別推動(dòng)兩個(gè)磁體上下運(yùn)動(dòng)，致使細(xì)長(zhǎng)單光纖發(fā)生變形，且當(dāng)加載的電壓頻率與光纖-磁體整體結(jié)構(gòu)的共振頻率一致時(shí)，細(xì)長(zhǎng)單光纖遠(yuǎn)端和透鏡被帶動(dòng)在XOY平面內(nèi)做螺旋共振掃描，從而實(shí)現(xiàn)雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭的大范圍掃描和高精度成像。
[0009]優(yōu)選地，所述的傾斜螺旋線圈，為利用基于紫外光源的3D立體投影曝光技術(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)的MEMS微細(xì)加工工藝，通過(guò)程序化的光刻圖形化控制在環(huán)形軟管表面制作而成。
[0010]更優(yōu)選地，所述的傾斜螺旋線圈由銅制備而成，其內(nèi)直徑為0.6-2.4毫米、厚度為20— 60微米、寬度為30— 90微米、匝數(shù)為50— 200匝，傾斜螺旋線圈與環(huán)形軟管的傾斜角度為30— 60度。
[0011]優(yōu)選地，所述的環(huán)形軟管由聚酰亞胺制備，其外直徑為0.6-2.4毫米、內(nèi)直徑為0.38一2.2暈米、長(zhǎng)度為2.4一12暈米。
[0012]優(yōu)選地，所述的固定支座，其外直徑為0.38—2.2毫米、內(nèi)直徑為0.08—0.4毫米、長(zhǎng)度為0.3一2.2暈米。
[0013]優(yōu)選地，所述的細(xì)長(zhǎng)單光纖為一圓柱體，其直徑為0.08—0.4毫米、長(zhǎng)度為10.4—15.2暈米。
[0014]優(yōu)選地，兩個(gè)所述的磁體均為圓柱體，其外部直徑均為0.2-1.2毫米、內(nèi)部直徑均為0.08—0.4毫米、長(zhǎng)度均為0.4—2.2毫米。
[0015]優(yōu)選地，所述的透鏡，其長(zhǎng)度為0.1-0.5毫米、底面直徑為0.08-0.4毫米。
[0016]以上各尺寸的選取，一方面，能夠滿足直徑尺寸接近甚至低于I毫米的要求，這樣在人體內(nèi)部檢測(cè)時(shí)，不至于傷害人體的組織結(jié)構(gòu)；另一方面，在制備過(guò)程中，能夠容易實(shí)現(xiàn)，并且簡(jiǎn)單便捷。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0018](I)在環(huán)形軟管表面濺射一層Cr/Cu種子層，種子層厚度為50— 200納米；
[0019](2)采用浸入法在種子層上涂覆光刻膠；
[0020](3)將涂覆有光刻膠的環(huán)形軟管放置于曝光平臺(tái)上，UV光通過(guò)掩膜版將需要的圖形以2:1的比例聚焦投影到環(huán)形軟管的下邊緣表面，利用兩個(gè)高精度的微馬達(dá)帶動(dòng)需要曝光的圓管基底以最小0.01度每秒的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)環(huán)形軟管基底的靈活圖形化曝光，使掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到環(huán)形軟管上；
[0021](4)顯影后沉積金屬銅作為傾斜螺旋線圈結(jié)構(gòu)材料；
[0022](5)釋放環(huán)形軟管，去除光刻膠和種子層，得到位于環(huán)形軟管表面的傾斜螺旋線圈；
[0023](6)整體組裝，細(xì)長(zhǎng)單光纖穿過(guò)帶有圓孔的兩個(gè)磁體圓柱和透鏡，將帶有透鏡的光纖-磁體結(jié)構(gòu)由固定支座安裝于環(huán)形軟管內(nèi)，形成雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的突出優(yōu)勢(shì):
[0025]本發(fā)明采用雙磁體結(jié)構(gòu)，當(dāng)傾斜螺旋線圈施加一定的交流電壓，環(huán)形軟管內(nèi)部分布有與磁體成一定角度的磁場(chǎng)，且調(diào)節(jié)加載的電壓頻率與光纖-磁體整體結(jié)構(gòu)的共振頻率一致時(shí)，該磁場(chǎng)將驅(qū)動(dòng)左右兩磁體分別上下運(yùn)動(dòng)，細(xì)長(zhǎng)單光纖能夠產(chǎn)生較大的變形并振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍掃描和高精度成像；同時(shí)，采用基于紫外光源的3D立體投影曝光技術(shù)和MEMS微加工工藝可以在環(huán)形軟管表面上實(shí)現(xiàn)該線圈的大傾斜角高精度集成制造，從而最終獲得具有超細(xì)直徑的單光纖醫(yī)用內(nèi)窺鏡。
[0026]本發(fā)明不但利用了不同磁場(chǎng)方向?qū)蓚€(gè)磁體產(chǎn)生不同方向的驅(qū)動(dòng)力從而使光纖發(fā)生偏轉(zhuǎn)的特性，而且合理利用了雙磁體一單光纖在共振頻率下端部能夠發(fā)生大角度位移的性能，因此能夠有效地獲得較大的掃描角。
【附圖說(shuō)明】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的帶有透鏡和磁體的細(xì)長(zhǎng)單光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的磁體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的細(xì)長(zhǎng)單光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖6是本發(fā)明一實(shí)施例的透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖7是本發(fā)明一實(shí)施例的固定支座結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖8是本發(fā)明一實(shí)施例的傾斜螺旋線圈結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖9是本發(fā)明一實(shí)施例的纏繞傾斜螺旋線圈的環(huán)形軟管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖10是本發(fā)明一實(shí)施例的細(xì)長(zhǎng)單光纖變形示意圖；
[0038]圖11是本發(fā)明一實(shí)施例的雙磁體單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭的制備過(guò)程示意圖；
[0039]圖中:1為固定支座，2為環(huán)形軟管，3和4為磁體，5為傾斜螺旋線圈，6為細(xì)長(zhǎng)單光纖，7為透鏡，8為傾斜螺旋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)線。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以