基于MEMS的微创医疗设备

第15章 微创医疗设备和使用微加工技术的医疗保健设备

Y. 长谷、松永贵幸、小林哲郎和鹤冈直人

摘要

用于人体内的医疗工具，如导管和内窥镜工具，通常需要具有细小的尺寸。随着微创诊断和治疗技术的发展，这些医疗工具不仅需要细小，还需具备多种功能。为满足这些需求，采用微机电系统（MEMS）技术及相关微加工技术是一种有效手段。MEMS器件可集成传感器、执行器和微电子学等多种功能。我们已利用MEMS及相关微加工技术开发了多种用于微创诊断和治疗的微型器件。已研制出可用于人体内的超微型光纤压力传感器和腔内磁共振成像（磁共振成像）探头。利用微型执行器开发了主动弯曲导管和内窥镜，可在不依赖体外牵引钢丝的情况下实现其前端的转向控制。同时，还利用微加工技术开发了小型可穿戴医疗保健设备。已开发出基于超声波的可穿戴血压监测系统，以及采用带微流道的金属针用于检测表皮下生物物质的微灌注系统。

关键词 内窥镜 • 导管 • 医疗器械 • 医疗保健设备 • MEMS技术

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1 引言

微机电系统（MEMS）是一种微系统技术，通过光制造技术（例如光刻、刻蚀、图形化和键合）在晶圆上构建微机械结构。微机电系统工艺的优势之一是批量制造，可实现器件的一次性使用。该优势使其适用于微创治疗，因为几乎所有人用体内工具都为一次性使用。

使用内窥镜和导管进行的微创检查和治疗已经广泛应用，能够在不造成患者大面积切口和损伤的情况下实现有效治疗。进行微创治疗的主要工具有三种：
- 导管，一种插入血管或消化道用于腔内检查和手术的柔性细管。
- 通过皮肤上的小切口插入的硬性内窥镜。
- Flexible endoscopes, which are inserted into natural openings of the human body.

对于导管而言，精确的血管内手术（例如射频导管消融和脑动脉瘤栓塞）需要精确位置控制和有效成像方法。高级内窥镜治疗程序（例如作为癌症治疗方法的ESD（内镜下黏膜剥离术））则需要精确的内窥镜手术技术。

为满足这些要求，微系统技术非常有效。利用这些技术，可实现多种用于人体内的多功能小型医疗设备和系统。

具有多种功能的薄型小型设备的其他应用包括医疗保健应用。利用微加工技术，已开发出可附着在人体表面的小型可穿戴医疗保健设备。

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2 为微创诊断和治疗开发的微器件

利用这些微加工技术，我们开发了多种用于人体内的小型且纤薄的多功能医疗器械和系统。

2.1 超微型光纤压力传感器

小型压力传感器适用于幼儿或动物的小血管以及狭窄的病变区域进行精确的局部压力测量。光纤压力传感器具有高度微型化的潜力。图15.1显示了一个传感器系统[1]。白光通过光纤传输

到传感器，由传感元件反射的光通过同一根光纤返回，最终被光谱仪检测。

作为传感元件，如图15.2所示，在光纤末端制作并安装了一个小型薄SiO₂薄膜，其厚度为700纳米。在薄膜的背面制备了一个全反射镜，并在光纤末端形成一个半透镜。当施加血压时，薄膜会发生形变，白光根据

两个反射镜之间的间隙变化。由于传感器头部足够小，多个传感元件可在一次制造工艺中批量制作在硅片上，并将每个传感元件安装在玻璃毛细管中的光纤末端。用于血管时，光纤压力传感器被金属线圈和生物相容性聚合物管包裹。已在动物身上进行了实验，并成功测量了猪动脉中的血压。

2.2 用于内镜黏膜下剥离术的液压可变尖端直径内镜帽

内镜黏膜下剥离术（ESD）目前广泛用于治疗消化道早期癌症。ESD 可完整切除任意大小的早期癌症病灶，从而实现精确剥离，但该操作技术要求高，且存在并发症风险。已开发出具有液压可变尖端直径的内镜帽，用于抬升已切开的黏膜并获得更大的内镜视野，以缩短手术时间并降低穿孔风险 [2]。

尖端部分和基部部分使用3D打印机以丙烯酸树脂制成。罩子的尖端被分为两部分或三部分，尖端部分与基部部分通过聚合物片连接。罩子内部嵌入了一根作为液压执行器的细硅胶管。当使用医用注射器向硅胶管内注入水时，硅胶管膨胀使聚合物片发生形变，从而将尖端部分拉开，因此罩子的尖端直径发生变化。

可变尖端直径的罩子安装在内窥镜的尖端（图15.3），当其尖端直径较小时插入切口。然后，

通过扩大尖端直径来抬升病灶，从而扩大可见切口区域，如图15.4所示。

2.3 主动脉导管/使用形状记忆合金执行器的能動カテーテル/内窥镜

为了实现导管或内窥镜的可控转向，可以使用钛镍合金形状记忆合金（SMA）微型执行器。当SMA丝的电阻相对较高（例如在丝径较小时）通过向SMA丝通入电流来加热并驱动SMA，从而使其能够作为小型人工肌肉被轻易驱动。通过改变SMA的变形形状和机构构型，可实现多种运动[3]。不仅可以实现弯曲运动，还可以实现扭转和伸展运动，如图15.5所示。

已开发并利用基于形状记忆合金丝的多向弯曲机构用于主动弯曲电动内窥镜[4]。三根形状记忆合金丝围绕内管以120°的间距布置。当一根或两根 SMA丝被驱动时，它们会收缩并使机构向特定方向弯曲。为了防止非活动 SMA丝导致弯曲角度性能下降，非活动SMA丝会如图15.6所示无应变地向内移动。

如图15.7[4]所示，已研制出一种采用多向弯曲机构的主动弯曲电动内窥镜。该内窥镜由成像组件、弯曲组件和轴组件组成。成像组件包含一个 CMOS图像传感器和三个LED灯。弯曲部分由三根SMA丝、一个由具有方形截面的不锈钢丝制成的限位线圈以及四个用于精确定位SMA丝的连接件构成。

主动弯曲机构的弯曲角度为50°（曲率半径40 mm）时

单根SMA丝驱动时为300毫安。在小肠模型中的制造的主动弯曲电动内窥镜，并使用配备的CMOS图像传感器获取肠道模型内部图像，如图15.8所示。

2.4 高分辨率腔内磁共振成像探头

腔内磁共振成像（磁共振成像）探针有望实现对血管斑块和胰腺癌等小型病理病变的高分辨率图像，相较于传统磁共振成像扫描仪具有优势。

通过将接收线圈放置在人体内，可以高灵敏度地检测来自接收线圈周围组织的核磁共振（nuclear magnetic resonance）信号。

为了制作接收线圈，我们开发了一种适用于圆柱形基板的微机电系统工艺。已开发出一种在圆柱形基板上使用无掩模光刻的点曝光系统；以及一种带有旋转功能的溅射系统

已制造并使用了该装置和光刻胶喷涂系统。利用这些设备，可以在圆柱形基板上制作任意的厚光刻胶图案。如图15.9[5]所示，使用厚光刻胶图案作为模具进行电镀以形成厚金属图案。

制造的小型接收线圈探头被插入血管中。提取的猪锁骨下动脉的获取图像如图15.10所示。通过增加线圈的电感，多层线圈图案可有效提高灵敏度。

通过重复上述工艺制造的多层线圈图案如图15.11所示。

3 采用微系统技术的医疗保健设备

3.1 采用血管直径超声波测量的可穿戴血压传感器片

为了实现无袖带可穿戴血压监测，已开发出一种测量血管直径变化的超声换能器阵列，如图15.12[6]所示。该换能器阵列放置在手腕皮肤上方的桡动脉处。

当血管壁的刚度恒定时，血管的直径会根据血管内的血压而变化。这种直径变化可以通过测量反射超声脉冲回波信号的延迟时间来确定。在对血管的最大和最小直径进行初始校准后

使用通过传统血压袖带测量的收缩压和舒张压，可以通过直径变化来估算血压。

图15.12显示了结构和制造的超声换能器阵列。该换能器阵列可用于超声换能器与桡动脉的对齐。使用该装置，分别测量了血管后壁和前壁的位移。通过两个血管壁位移的差值计算血管直径。

3.2 用于测量表皮下组织中生物物质的微透析针

生物物质的浓度可作为生理和病理状态的有用指标。为了监测生物物质，已开发出带有流体通道和多孔膜的细金属针作为微灌注针，如图15.13所示。生物物质从

通过生理盐水灌注从表皮下组织提取物质。血液中某些低分子量物质的浓度（例如血糖和血乳酸）与皮下组织中的浓度具有良好的相关性。

对于微透析，在 200 μm直径的金属针表面通过2.4节所述的非平面光刻制造工艺制作出带有多孔膜的流体通道，如图15.14[7]所示。由于该装置采用细金属针灸针作为基底材料，因此针具有足够的刚性以穿透皮肤，并且可以无痛插入皮肤。

该设备可用于多种应用，例如利用乳酸监测、酒精传感器和葡萄糖传感器作为糖尿病管理中的适当运动负荷水平指标。通过测量小鼠的乳酸和葡萄糖浓度，考察了所制备针头的疗效。灌注的生理盐水中浓度与血液中的浓度具有良好的相关性。

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4 结论

已提及用于微创诊断与治疗以及医疗保健应用的各种生物医学微系统。微创诊断与治疗和医疗保健是微系统技术有前景的应用领域，不仅因为这些技术使传统操作更简便、更精确，而且还因为人们需要能够实现更佳诊断与治疗效果的技术。