一种基于MEMS的双模态耳科检测仪的制作方法

一种基于mems的双模态耳科检测仪
技术领域
1.本发明涉及一种基于mems的双模态耳科检测仪，属于医学成像领域。


背景技术：

2.耳朵由外耳、中耳和内耳三部分构成，成人的外耳道长度约为25mm，直径8mm，鼓膜厚度0.1mm，内耳道长度约为10mm。在耳镜检查过程中，可以对临床中常见的外耳道疾病和部分中耳疾病如耳道损伤，外耳炎，鼓膜穿孔等进行诊断医治。而发于中耳和内耳的部分疾病，如中耳炎症、梅尼埃病(内耳膜迷路积水)等，由于耳镜只能观察组织的表面信息，无法对组织深度进行成像和鼓膜厚度，炎症区域大小，积液特性等定量分析，限制了医生对病情程度的判断。用于内耳感染诊断的鼓膜切开术是一种侵入性手术，也对患者带来一定损伤。这些中耳内耳疾病如不及时治疗或者诊断延误将引起患者疼痛、耳鸣、眩晕、听力下降等一系列不适症状，严重的还会导致耳聋。
3.针对上述临床问题，急需一种医学成像方式和检测设备，对中耳和内耳疾病有更好的诊断效果。光学相干断层成像技术(optical coherence tomography，oct)作为一种新型医学成像手段，通过采集生物组织散射的光干涉信号，恢复出样品的三维形态，反映生物组织的内部结构、散射系数等组织特性，成像分辨率可达1-10um，成像深度达2-8mm，具有非接触、无需标记物、实时高分辨成像等优点，可用于中耳和内耳病变的诊断分析。另外，超声成像作为一种成熟的医学成像手段，通过超声声束扫描人体组织，对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图像，虽然成像分辨率不如oct，但成像深度比oct大，也可用于耳科检测。
4.以上两种技术可以很好的实现优势互补，来分别实现高分辨和大成像深度，对组织进行精细成像，满足临床需求，如专利cn 104644112 a提出了一种用于耳鼻检查的新型内窥频域oct装置，cn 104248419 a提出了一种内窥成像用超声/光学双模成像探头及成像方法，cn 109561813 a提出一种用于中耳炎的光学相干断层扫描装置，cn 110996792 a提出一种用于表征渗出物的红外耳镜。但是基于以上技术的检测设备均存在扫描机构位于探头后端，距离成像面位置远，导致视场受限，成像端难以小型化等问题，或者小型化成像探头为光纤环扫式，只能对腔道进行360
°
环形扫描成像，无法做到前视成像。
5.随着电子行业微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)的发展，mems制造工艺与集成电路生产工艺的融合进一步加强，基于mems技术的微型器件如mems扫描微镜，mems微型换能器和传感器，在降低成本，批量化制造生产，提升性能和减少封装体积等方面都有独特的优势，mems器件可为耳科检测设备的小型化及多模态成像提供了新的可能。


技术实现要素：

6.针对耳镜无法观察中耳、内耳组织深度信息，而现有深度成像技术存在扫描机构位于探头后端，视场受限，成像探头端难以小型化等问题，本发明主要目的是提供一种基于
mems的双模态耳科检测仪，该检测仪将mems微镜、环形mems超声换能器等器件内置集成在检测仪成像探头端，通过探头端mems微镜和超声换能器的通孔设置，充分利用mems微镜的小尺寸和大扫描角度，环形mems超声换能器小型化等特点，使得微镜实现前视扫描，提供更大oct成像视场的同时保持较小的探头直径，环形mems超声换能器能实现超声成像，达到oct前视扫描成像与超声成像的双模态同时成像的效果。
7.此基于mems的双模态耳科检测仪能够减少医师的诊断分析时间，降低误诊率，同时具有oct的高分辨率和超声的大成像深度，解决现有临床痛点，使之成为高分辨、实时、大成像深度、高灵敏度和特异性的医学诊断工具。
8.本发明公开的一种基于mems的大视场双模态耳科检测仪具有大视场成像工作模式，成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计，与上一种探头结构相比，在保持较小尺寸的同时能够实现更大的oct扫描成像范围。
9.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
10.本发明公开的一种基于mems的双模态耳科检测仪，主要由oct成像模块、超声成像模块、控制器、成像探头组成。
11.所述oct成像模块用于高分辨医学成像。oct成像模块包括光源、光隔离器、单模光纤、光纤耦合器、偏振控制器、光学延迟线、成像探头、探测器、数据采集卡和处理电脑。
12.光源发出一束红外波段的部分相干光，经过光隔离器、单模光纤与光纤耦合器相连，经过光纤耦合器的分光，光束分为两路，一路光经过偏振控制器的偏振态调整，通过成像探头对耳朵的成像探测，mems控制器对成像探头内置的mems微镜进行扫描控制，从而选取感兴趣的成像扫描区域。另一路光经过偏振控制器的偏振态调整，通过光学延迟线调节和匹配光程，使两路光束经过的光程相等。成像探头采集的信号沿原路返回并于另一路光在光纤耦合器处发生干涉，探测器将光干涉信号转化为电信号后经过数据采集卡，处理电脑接收到采集的信号后经过计算处理，生成中耳及内耳oct图像。当光源为扫频光源时，会有同步触发信号生成，用于与采集卡进行采集和成像的同步控制。
13.所述超声成像模块用于大深度医学成像。超声成像模块包括成像探头、滤波放大器、数据采集卡、处理电脑。mems控制器对成像探头内置的环形mems超声换能器进行控制，用于产生高频超声信号，超声信号经过耳朵反射后被环形mems超声换能器接收，将超声信号转换为电信号，并通过滤波放大器的处理，信号被数据采集卡传输至处理电脑进行计算，生成中耳及内耳超声图像。
14.所述成像探头为该双模态耳科检测仪的核心部件。该成像探头主要由单模光纤、基座、环形mems微镜、反射镜、成像透镜组、吸声层、环形mems超声换能器、传导液、窗口玻璃组成。其中oct成像器件位于探头前半段，超声成像器件位于探头后半段。电缆线、电缆线分别为环形mems超声换能器和环形mems微镜控制和接收信号的电缆线，电缆线与mems控制器和滤波放大器相连，电缆线与mems控制器相连。
15.单模光纤被基座固定在探头中心位置，环形mems微镜也固定在基座表面，中间设置用于放置单模光纤的通孔，其驱动方式为电热、静电驱动或其他驱动方式。单模光纤发出的光束以一定的发散角入射到反射镜的镜面上后，反射到环形mems微镜的表面，该环形mems微镜表面有大面积的反射层，能够实现x、y两轴方向的角度偏转，光束经过微镜的二次反射和成像透镜组，汇聚在成像焦面上，可对成像焦面上的物体进行oct扫描成像。吸声层
的主要作用是吸收晶片背向发射的超声波，隔绝传导液，固定环形mems超声换能器的位置，其需是透明导光的，环形mems超声换能器是压电超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer，pmut)阵列，通过阵列的排布增加探测点数，换能器中间开有通孔，用于光线通过，该环形mems超声换能器能够发射和接收超声信号，其中心与单模光纤和环形mems微镜共轴，表面能够保持一定曲率，曲率焦点位于焦平面上，用于增强接收超声信号实现超声成像，传导液用于声波的传导，并且需是绝缘的液体，优选矿物油或植物油。
16.环形mems微镜主要由衬底、驱动臂、连接固定端子和反射镜面组成，衬底用于放置焊盘，边缘部分留有用于电缆走线的缝隙，驱动臂提供x、y两轴的角度偏转，反射镜面中心开有通孔，该通孔尺寸稍大于光纤直径，可为1mm。环形mems超声换能器主要由压电层、弹性层和空腔层组成，压电层的伸张和收缩能够带动弹性层发生形变，形成振动并通过空腔层产生超声波信号，中心通孔尺寸需综合考虑光路直径和超声的发射和吸收性能，优选为环形mems超声换能器总直径的1/4～1/2。
17.所述双模态耳科检测仪成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计，以及mems微镜和超声换能器的通孔设置，充分利用mems微镜的小尺寸和大扫描角度，环形mems超声换能器小型化等特点，使得微镜实现前视扫描，提供更大oct成像视场的同时保持较小的探头直径，环形mems超声换能器能实现超声成像，达到oct前视扫描成像与超声成像的双模态同时成像的效果。
18.所述双模态耳科检测仪成像探头能够显著减小探头尺寸，能够适应改善狭小腔道的前视扫描成像效果，实现高分辨和大成像深度的耳科组织探测。
19.作为优选，所述基于mems的双模态耳科检测仪还能通过光纤波分复用的方式，加载不同类型的光源、激励源、分光器件和探测器，实现光声成像、荧光成像，从而针对不同应用场景达到多模态成像的效果。
20.作为优选，所述基于mems的双模态耳科检测仪成像探头还能通过探头顶端设计成曲面，反射镜实现的光学偏转角和mems微镜与光轴角度设计成其他值，实现探头的侧向扫描，进一步增大该检测仪的扫描成像范围和应用。
21.所述基于mems的双模态耳科检测仪典型应用为中耳和内耳疾病的诊断分析，同时该检测仪所具有的技术特点使其也可能用于其他器官的检测，特别是内窥场景下的狭小腔道前视层析成像，如宫颈、鼻腔、口腔咽喉等。
22.为在保持较小尺寸的同时能够实现更大的oct扫描成像范围，本发明还公开一种基于mems的大视场双模态耳科检测仪，成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计，主要由oct成像模块、超声成像模块、控制器、成像探头组成。
23.在大视场成像工作模式下，所述探头由单模光纤、基座、光纤自聚焦透镜、反射棱镜、mems微镜、吸声层、环形mems超声换能器、传导液和窗口玻璃组成。电缆线、电缆线分别为环形mems超声换能器和环形mems微镜控制和接收信号的电缆线，电缆线与mems控制器和滤波放大器相连，电缆线与mems控制器相连。
24.其中单模光纤与光纤自聚焦透镜、反射棱镜连接在一起，用于光束的偏转。基座固定光纤和mems微镜，通过光纤自聚焦透镜实现光束在成像焦面处的汇聚，通过mems微镜的两轴大角度偏转，实现光束对成像焦面上物体的oct扫描成像。其中反射棱镜实现的光束偏
转角典型值为90
°
，mems微镜与光轴的之间的夹角典型值为45
°
，其余部分结构和工作方式与所述基于mems的双模态耳科检测仪一致。
25.本发明公开的基于mems的双模态耳科检测仪，能够减少医师的诊断分析时间，降低误诊率，同时具有oct的高分辨率和超声的大成像深度，解决现有临床痛点，使之成为高分辨、实时、大成像深度、高灵敏度和特异性的医学诊断工具。
26.有益效果：
27.1、本发明公开的一种基于mems的双模态耳科检测仪，利用mems微镜的小尺寸和大扫描角度，环形mems超声换能器小型化等特点，使得微镜前端扫描提供更大oct成像视场的同时保持较小的探头直径。环形mems超声换能器能实现超声成像，通孔用于光束通过，达到oct前视扫描成像与超声成像的双模态同时成像的效果。
28.2、本发明公开的一种基于mems的大视场双模态耳科检测仪，成像探头端结构通过探头端的光电和结构共轴设计，以及mems微镜和超声换能器的通孔设置，实现高分辨和大成像深度，以及大成像视场。
29.3、本发明公开的一种基于mems的双模态耳科检测仪，成像探头还能通过探头顶端设计成曲面，反射镜实现的光学偏转角和mems微镜与光轴角度设计成其他值，实现探头的侧向扫描，进一步增大该检测仪的扫描成像范围和应用。
30.4、本发明公开的一种基于mems的双模态耳科检测仪，成像探头能够显著减小探头尺寸，能够适应改善狭小腔道的前视扫描成像效果，实现高分辨和大成像深度的耳科组织探测，能够减少医师的诊断分析时间，降低误诊率，同时具有oct的高分辨率和超声的大成像深度，解决现有临床痛点，使之成为高分辨、实时、大成像深度、高灵敏度和特异性的医学诊断工具。
附图说明
31.图1为基于mems的双模态耳科检测仪示意图；
32.图2为检测仪成像探头端结构示意图；
33.图3为环形mems微镜及环形mems超声换能器结构示意图；
34.图4为检测仪成像探头端另一种结构示意图；
35.其中：1—光源、2—光隔离器、3—单模光纤、4—光纤耦合器、5—偏振控制器、6—光学延迟线、7—成像探头、8—耳朵、9—探测器、10—数据采集卡、11—mems控制器、12—滤波放大器、13—数据采集卡、14—处理电脑、701—超声换能器电缆线、702—mems微镜电缆线、703—基座、704—环形mems微镜、705—反射镜、706—成像透镜组、707—吸声层、708—环形mems超声换能器、709—传导液、710—成像焦面、711—窗口玻璃、7041—衬底、7042—驱动臂、7043—连接固定端子、7044—反射镜面、7081—压电层、7082—弹性层、7083空腔层、712—基座、713—光纤自聚焦透镜、714—反射棱镜、715—mems微镜
具体实施方式
36.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
37.实施例1：
38.如图1所示，本实施例公开基于mems的双模态耳科检测仪，主要由oct成像模块、超声成像模块、控制器、成像探头7、mems控制器11组成。
39.oct成像模块包含光源1，光隔离器2，单模光纤3，光纤耦合器4，偏振控制器5，光学延迟线6，成像探头7，探测器9，数据采集卡10，处理电脑14。超声成像模块包含成像探头7，滤波放大器12，数据采集卡13，处理电脑14。
40.oct成像模块的工作原理为：光源1发出一束红外波段的部分相干光，经过光隔离器2，单模光纤3与光纤耦合器4相连，经过光纤耦合器4的分光，光束分为两路，一路光经过偏振控制器5的偏振态调整，与成像探头7相连，用于对耳朵8的成像探测，mems控制器11可对成像探头7内置的mems微镜进行扫描控制，从而选取感兴趣的成像扫描区域，另一路光经过偏振控制器5的偏振态调整，与光学延迟线6相连，用于调节和匹配光程，使两路光束经过的光程相等。成像探头7采集的信号沿原路返回并于另一路光在光纤耦合器4处发生干涉，探测器9将光干涉信号转化为电信号后经过数据采集卡10，处理电脑14接收到采集的信号后经过计算处理，生成中耳及内耳oct图像。当光源1为扫频光源时，会有同步触发信号生成，用于与采集卡10进行采集和成像的同步控制。
41.超声成像模块的工作原理为：mems控制器11对成像探头7内置的环形mems超声换能器进行控制，用于产生高频超声信号，超声信号经过耳朵8反射后被环形mems超声换能器接收，将超声信号转换为电信号，并通过滤波放大器12的处理，信号被数据采集卡13传输至处理电脑14进行计算，生成中耳及内耳超声图像。
42.oct和超声的实时成像效果可以相互印证，实现高分辨和大深度的耳科精细成像，满足医生减少诊断分析时间，降低误诊率的临床需求。
43.作为耳科检测仪的核心部件，成像探头7的结构如图2所示。
44.该探头由单模光纤3，基座703，环形mems微镜704，反射镜705，成像透镜组706，吸声层707，环形mems超声换能器708，传导液709，窗口玻璃711组成。oct成像器件位于探头前半段，超声成像器件位于探头后半段。701和702分别为环形mems超声换能器708和环形mems微镜704控制和接收信号的电缆线，电缆线701与mems控制器11和滤波放大器12相连，电缆线702与mems控制器11相连。
45.其中单模光纤3被基座703固定在探头中心位置，环形mems微镜704也固定在基座表面，中间设置通孔，用于放置单模光纤3，其驱动方式可以为电热、静电驱动或其他驱动方式。单模光纤3发出的光束以一定的发散角入射到反射镜705的镜面上后，反射到环形mems微镜704的表面，该环形mems微镜704表面有大面积的反射层，可实现x、y两轴方向的角度偏转，光束经过微镜704的二次反射和成像透镜组706，汇聚在成像焦面710上，可对成像焦面上的物体进行oct扫描成像。吸声层707的主要作用是吸收晶片背向发射的超声波，隔绝传导液709，固定环形mems超声换能器708的位置，其应该是透明导光的，环形mems超声换能器708可以是压电超声换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer，pmut)阵列，通过阵列的排布增加探测点数，换能器中间开有通孔，用于光线通过，该环形mems超声换能器708可以发射和接收超声信号，其中心与单模光纤3和环形mems微镜704共轴，表面可以保持一定曲率，曲率焦点位于焦平面710上，用于增强接收超声信号实现超声成像，传导液709用于声波的传导，并且应该是绝缘的液体，比如矿物油或植物油。
46.作为成像探头的核心部件，环形mems微镜704和环形mems超声换能器708的结构如
图3所示。
47.其中环形mems微镜704由衬底7041，驱动臂7042，连接固定端子7043，反射镜面7044组成，衬底7041用于放置焊盘，边缘部分可留缝隙用于电缆702走线，驱动臂7042提供x、y两轴的角度偏转，反射镜面7044中心开有通孔，该通孔尺寸稍大于光纤直径，可为1mm。环形mems超声换能器708由压电层7081，弹性层7082，空腔层7083组成，压电层7081的伸张和收缩可带动弹性层7082发生形变，形成振动并通过空腔层7083产生超声波信号，中心通孔尺寸需综合考虑光路直径和超声的发射和吸收性能，可为环形mems超声换能器总直径的1/4～1/2。
48.该双模态耳科检测仪成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计，具有极小的探头尺寸，通过内置环形mems微镜和环形mems超声换能器的通孔设计，可实现oct和超声的双模态同时成像，针对耳科这种狭小腔道的前视扫描成像具有独特优势，实现高分辨和大成像深度的组织探测。
49.实施例2：
50.如图4所示，为在保持较小尺寸的同时能够实现更大的oct扫描成像范围，本发明还公开一种基于mems的大视场双模态耳科检测仪，成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计。所述基于mems的大视场双模态耳科检测仪主要由oct成像模块、超声成像模块、控制器、成像探头组成。
51.该探头由单模光纤3，基座712，光纤自聚焦透镜713，反射棱镜714，mems微镜715，吸声层707，环形mems超声换能器708，传导液709，窗口玻璃711组成，701和702分别为环形mems超声换能器708和mems微镜715控制和接收信号的电缆线，电缆线701与mems控制器11和滤波放大器12相连，电缆线702与mems控制器11相连。
52.其中单模光纤3与光纤自聚焦透镜713，反射棱镜714连接在一起，用于光束的偏转，基座712固定光纤3和mems微镜715，通过光纤自聚焦透镜713的设计可以实现光束在成像焦面910处的汇聚，通过mems微镜715的两轴大角度偏转，实现光束对成像焦面上物体的oct扫描成像。其中反射棱镜实现的光束偏转角典型值为90
°
，mems微镜715与光轴的之间的夹角典型值为45
°
，其余部分与前一种结构一致。
53.该双模态耳科检测仪成像探头端通过紧凑的光电和结构共轴设计，与上一种探头结构相比，在保持较小尺寸的同时可实现更大的oct扫描成像范围。
54.本实施例公开的一种基于mems的双模态耳科检测仪，由oct成像模块、超声成像模块、成像探头、控制器等部件组成，其中成像探头包含单模光纤、基座、mems微镜、成像透镜组、反射镜、环形mems超声换能器、窗口玻璃等部件。
55.本实施例将mems微镜、环形mems超声换能器等器件内置集成在检测仪成像探头端，通过探头端的光电和结构共轴设计，以及mems微镜和超声换能器的通孔设置，利用mems微镜的小尺寸和大扫描角度，环形mems超声换能器小型化等特点，使得微镜前端扫描提供更大oct成像视场的同时保持较小的探头直径，环形mems超声换能器能实现超声成像，通孔用于光束通过，达到oct前视扫描成像与超声成像的双模态同时成像的效果。
56.本实施例能够减少医师的诊断分析时间，降低误诊率，同时具有oct的高分辨率和超声的大成像深度，解决现有临床痛点，使之成为高分辨、实时、大成像深度、高灵敏度和特异性的医学诊断工具。
57.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。