[发明专利]一种双磁体单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统即MEMS领域，具体涉及一种利用电磁驱动实现细长单光纤变形以完成大范围高精度扫描的内窥镜扫描探头及其制备方法。

背景技术

医用内窥镜作为一种收集、分析信息和辅助治疗的关键医疗器械，在医疗及其检测领域越来越受到重视。最早的医用内窥镜为硬质金属管式，在进入人体内的狭窄通道时常常给患者带来较大的创伤和痛苦。不少研究者利用包裹在直径小于1毫米软管内一束光纤作为柔性内窥镜的探头，以实现对一些细小血管和较细特殊腔道的观察。但是，由于在如此细的内径中可容纳的光纤数量很有限，通常仅为十几根，以至于使得内窥镜的最终分辨率较差，不利于后续的图像处理与分析。

对于单光纤医用内窥镜，尤其是作为其核心部件的扫描探头的研究与开发，国际上尚处在起步阶段。美国德克萨斯大学H.P.Hu于2005年在《Unique features of optical scanning,single fiber endoscopy,Lasers in Surgery and Medicine》文章中利用外加电磁铁驱动带有磁性材料的光纤作振动扫描的内窥镜，其中，磁性材料镍的颗粒通过凝胶的形式被包裹在一根光纤的表面，磁性结构的长度为3.5毫米，厚度为0.11毫米，当此磁性颗粒材料的凝胶形式被固化后，便可以牢固地与光纤结合，由于镍的软磁特性，当受到外界磁场的作用力时，磁体在磁力的作用下将带动光纤一起发生偏转；当外磁场撤去时则光纤又可以恢复到原位，如此以一定频率多次施加或撤去磁场，则可实现光纤在某个方向上的往复振动。如果施加电磁场的频率恰好与带有磁体的光纤结构的共振频率一致时，则光纤将会在该频率上发生共振，从而实现其作为内窥镜扫描探头的功能。然而，上述内窥镜结构中的光纤很显然只能在某个特定的方向上进行扫描，仅使用一个电磁铁无法在其远端实现螺旋式平面扫描，而增加电磁铁则无疑进一步增大了器件结构的整体尺寸。此外，该结构形式的内窥镜整体难以封装，几乎不可能将其全部封装在直径小于1毫米的软管内，而且固化的软磁材料镍凝胶，其结构疏松、磁性较弱，不利于光纤产生较大的扫描角，因此内窥镜的整体扫描视野范围也较小。

美国约翰霍普金斯大学的L.Huo于2010年在《Endoscopic optical probes for l inear and rotational scanning》中设计制作了另一种单光纤内窥镜，其中，单模光纤被固定在一个PZT压电驱动器的中心，其另一端增加了一个金属套管以提高端点处的重量，降低光纤的自身共振频率，一个自聚焦透镜被安装在距离光纤远端的一定工作距离处。当一个具有和光纤自身共振频率一致的驱动电压±40V被加载到压电驱动器上时，光纤就会被激励作共振扫描，其远端的最大扫描范围可达约2毫米；而当一个调频正弦波以90度的相差被同时加载到压电驱动器的X和Y电极上时，光纤的远端即可实现一个二维的螺旋共振扫描，通过聚焦透镜则可收集获得腔道内靠近窥镜前端的组织图像，上述结构可被包裹在一个无菌的皮下软管中，整体内窥镜的直径为2.4毫米。可以看出，上述基于压电驱动的单光纤内窥镜其整体直径尺寸仍大于1毫米，不能方便进入人体内一些较细的腔道内进行活体原位监测和相应的辅助治疗，而且微小结构的压电驱动器在加工制作工艺上也比较困难，国际上目前已不建议广泛使用对环境有害(因为其含铅)的PZT作为压电材料。

因此，本领域的研究人员致力于发明一种直径尺寸接近甚至低于1毫米的内窥镜扫描探头，能在环形软管表面制作大角度倾斜螺旋线圈，并在工艺方面简洁，更加方便人们制作内窥镜扫描探头。

发明内容

为了攻克内窥镜现阶段研究的缺陷，本发明提供一种双磁体单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法，所述探头直径尺寸低于1毫米，能在环形软管表面光刻沉积大倾斜角铜结构的螺旋线圈，并且工艺过程方便简洁；软管内部的双磁体—光纤结构，利用电磁驱动实现变形振动，更能完成探头的大范围扫描，且成像清晰。

根据本发明的一方面，提供一种双磁体单光纤内窥镜扫描探头，包括环形软管、固定支座、细长单光纤、两个磁体、透镜和倾斜螺旋线圈，其中：两个磁体相隔一定距离地固定在细长单光纤的中部位置，从而形成光纤-磁体结构，磁体的上下运功带动细长单光纤振动；透镜固定于细长单光纤的一端部，并随细长单光纤的振动而上下扫描；固定支座位于细长单光纤的另一端部；带有透镜的光纤-磁体结构由固定支座安装于环形软管内；倾斜螺旋线圈固定于环形软管的表面；