Optical endomicroscopy holds a great promise for clinical applications such as optical biopsy or im-age guided surgery. Forward-viewing catheters have been interested in endomicroscopic applications, because forward-viewing imaging can provide a same viewing direction as conventional endoscope through the acces-sory channel. There are various catheter for forward-viewing catheter, and resonant fiber scanners using a piezoelectric tube (PZT) actuator have been widely used for forward-viewing imaging due to simple, compact and robust packaging. Resonant PZT fiber scanner also gives large field-of-view (FOV) with low operation voltage. Nevertheless, it has limits for miniaturization and high price.
In this research, we report a novel two dimensional electrothermal MEMS fiber scanner for forward-viewing endomicroscopy. The assembled MEMS fiber scanner consists of double hot arm structures, cold arm structure, and a directly mounted 125 μm single mode optical fiber. Lateral motion is induced by thermal expansion of hot arm structures by Joule heating, and vertical motion is induced by bimorph structures by heated MEMS fiber scanner and the mounted single mode fiber.
MEMS fiber scanner is operated at resonance frequency to amplify the scanning amplitude of the op-tical fiber at low operating voltage. The Top silicon cantilever of the MEMS fiber scanner has different spring constant in x and y directions, especially, spring constants of the cantilever in x-direction is stiffer than spring constant of the cantilever in y-direction. It makes resonance frequencies separation of the mounted optical fiber with x, y direction, and it allows two-dimensional scanning with voltage which contains x and y reso-nance frequencies. Lissajous pattern was successfully demonstrated by using the MEMS fiber scanner within 18 V.
The proposed MEMS fiber scanner was fabricated by using deep reactive ion etching (DRIE) process on a heavily doped 6 inch silicon SOI wafer with good electrical conductivity, and its physical dimensions are smaller than conventional quadratic PZT tube. This MEMS fiber scanner can provide a new direction for compact and cost-effective forward-viewing endomicroscopic applications.
광학 내시현미경은 기존의 병원에서 시행되고 있는 조직검사를 대체할 수 있어 차세대 영상기법으로 크게 주목 받고 있다. 특히 광간섭단층 촬영법 (OCT, Optical Coherence Tomogra-phy)은 근적외선 대역 (NIR) 레이저의 간섭현상을 이용하여 수 밀리미터의 깊이까지 현미경 분해능을 가지는 조직의 단면영상 및 3차원 영상 획득이 가능한 장점으로 인해, 기존의 물리적인 절개 후 현미경 상에서 시행되고 있는 조직검사를 대체할 수 있는 광학생검이나 영상유도 수술과 같은 의학적인 응용에 크게 각광받고 있다. 내시현미경은 보는 방식에 따라 전면부 내시현미경과 측면부 내시현미경으로 나눌 수 있는데, 그 중에 전면부 내시현미경은 기존의 내시경 시스템에 있는 액세서리 채널을 통해 들어가, 내시경 카메라 영상과 같은 방향의 이미지 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 내시현미경 제작을 위해서는 내시경 액세서리 채널 직경 내의 좁은 공간 내에서 레이저 광주사를 구현하는 것이 핵심이다. 이를 위해 MEMS 미러, 렌즈 스캐너, 광섬유 스캐너 등 다양한 방법들이 시도, 연구 되고 있는데, 이중에 x, y 축으로 구동 가능한 PZT튜브 압전소자를 이용하여, 광섬유를 직접 공진 구동 시키는 스캐너가 작은 공간안에서 높은 안정성을 가지고 구현 가능하다는 장점으로 인해 많이 연구 개발되고 있다. 하지만 PZT 튜브는 가공상의 어려움으로 인해 소형화에 한계가 있고, 높은 가격으로 상용화에 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위하여 본 연구에서는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 이용하여 전열구동방식의 2차원 광섬유 스캐너를 개발하였다. MEMS 광섬유 스캐너는 전류가 흐르면 줄히팅에 의해 열팽창하는 부분 (hot arm)과, 전류가 흐르지 않는 부분 (cold arm), 그리고 소자와 결합된 광섬유로 구성되어 있다. 소자에 전류가 가해지게 되면, 전류가 가해지는 부분과 가해지지 않는 부분의 열팽창 차이로 발생하는 수평방향의 힘이 발생하며, 소자전체와 광섬유 사이의 열팽창 차이로 인해 수직방향의 힘이 발생하게 된다. 또한 광섬유 스캐너의 x, y방향의 강성계수 차이로 인해 광섬유의 공진주파수 차이가 생기게 된다. 본 연구에서는 이를 이용하여 기계적 상호결합 (mechanical cross-coupling) 없이 2차원 광주사를 구현하였다. 제안된 MEMS 광섬유 스캐너는 보론 도핑된 6인치 SOI 웨이퍼를 이용한 DRIE 공정을 통해 제작되었으며, 기존의 PZT tube에 비해 소형화 되어 (1.28 mm $\times$ 7 mm $\times$ 0.44 mm) 내시경 액세서리 채널 직경 내의 좁은 공간 내에서 광주사를 구현하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 또한 높은 가격 효용성을 가져, 상용화를 비롯하여, 전면부 내시현미경 카테터 개발에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
