用于医学在体检测MEMS内窥扫描系统的研究

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随着微创手术的发展与进步,内窥镜以其创口小、术后恢复快等优点在医学辅助诊断中起着越来越重要的作用。医学内窥镜常在手术应用中用于诊断、治疗和活检取样。医生可以通过内窥镜在微创环境下对人体病变情况进行观察,从而对疾病做出及时的诊断。近年来,基于微电子机械系统(Micro-electromechanical Systems,MEMS)的内窥扫描系统,具有结构紧凑、微型化、携带便捷、扫描速度快等优点,备受医疗和生物等领域研究人员的关注,是目前的科研热点之一。同时,以往研制的MEMS内窥扫描探头的主要组件有单模光纤、梯度折射率透镜(G-Lens)、MEMS微镜、汇聚透镜以及柔性印刷电路板等。虽然G-Lens在之前的研究应用中较为广泛,但是,G-Lens的工作距离较短,会限制探头的扫描范围。而相比G-Lens,柱体透镜(C-Lens)具有聚焦能力好、工作距离长、易于制造等优点,是构建MEMS内窥扫描探头良好的组件。因此,本文选用C-Lens作为MEMS内窥扫描探头的主要组件之一。首先,以单模光纤与C-Lens相组合构成光学组件;然后,以光学组件、MEMS微镜为主要部件完成内窥扫描探头的封装;最后,使用内窥扫描探头实现了系统的测试。主要研究内容与结果如下:1、采用光学设计软件绘制MEMS内窥扫描探头的光学光路图,完成模拟仿真评估。通过光路设计图确定了C-Lens的工作距离以及C-Lens与光纤末端的间距等参数;也确定了透镜与微镜之间的间距、微镜的扫描角度以及扫描范围。2、根据仿真设计的各项参数,采用3D绘图软件对内窥扫描探头进行3D建模,得出加工工艺参数后完成了内窥扫描探头的设计与封装,封装完成的探头外径为2.6 mm,长度为8.8 mm。3、采用QT作为软件开发工具,搭建了系统的图像采集操作界面。通过系统图像采集的操作界面与MEMS内窥扫描探头的连接获取了重叠放置载玻片扫描图像。结果显示系统的横向分辨率为75μm,轴向分辨率为12μm。此外,也获取了人体皮肤、猪小肠以及猪胃的扫描图像,得出探头的扫描范围为4.0×4.0 mm2,成像深度为2.5 mm。本次所设计的MEMS内窥扫描系统具有工作距离长、扫描范围大、分辨率高、结构紧凑等优点,有望用于生物体扫描检测及成像分析领域。
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