基于微機電系統（MEMS）的器件因具有微型化、優異傳感性能、高集成度以及高舒適度等特點，已被應用于眼科疾病的診斷、治療與監測中。MEMS技術已被廣泛用于設計傳感器，能夠實現體外生理和化學標志物以及體內淚液生物標志物的實時監測。利用MEMS技術不僅能提升光學相干斷層掃描與顯微成像中的分辨率、成像深度、速度和精度，還能夠突破生物屏障，實現靶向藥物遞送，并支持反饋控制釋放，從而獲得高療效和低副作用。基于MEMS的視網膜假體通過電刺激視網膜神經元恢復視覺感知。基于MEMS的手術工具提高了手術精度，降低了感染風險，并改善了患者預后。基于MEMS的可穿戴設備可監測眨眼頻率和眼動情況，從而提升生活質量。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由愛爾眼科四川眼科醫院、四川大學、Microsensor Labs組成的研究團隊在Interdisciplinary Medicine期刊上發表了題為“Microelectromechanical system-based devices for the diagnosis, treatment, and monitoring of ophthalmic diseases”的綜述論文，系統總結了MEMS器件在眼科中實現精準診斷、高效治療和日常監測方面的研究進展，并討論了其在眼科疾病應用中面臨的挑戰與潛在發展方向。本綜述強調了MEMS器件在推動眼健康變革中的當前應用及未來潛力。
圖1 MEMS器件在眼科疾病診斷、治療和監測中的應用
眼科診斷
眼壓（IOP）監測
MEMS傳感器具有微型化、優異傳感性能、高集成度以及高舒適度等優勢，使其適用于眼科疾病中眼壓的精準持續監測。隨著MEMS技術的不斷進步，實現眼壓的最佳控制并防止視神經進一步損傷將變得愈發可行，這為全球青光眼患者改善治療帶來了希望。基于MEMS的眼壓傳感系統完整工作流程如圖2所示。眼球運動驅動角膜或眼部組織發生形變，從而引起眼壓波動；這種波動通過耦合傳遞誘導MEMS傳感器發生結構變形，隨后被轉換為電信號（例如電感-電容諧振頻率偏移）或光信號（例如光學腔體光譜變化），并通過電磁耦合、近場通信（NFC）等方式無線傳輸至解碼電路。最終，系統將信號解析為具體的眼壓數值，并顯示于移動終端，從而實現眼壓的實時監測與早期預警。
圖2 基于MEMS的眼壓檢測傳感器
基于MEMS的眼壓傳感器體現了微技術與醫學科學的深度融合。MEMS眼壓傳感器的特性使其成為眼科疾病診斷中極具價值的工具。根據工作原理與結構的不同，MEMS壓力傳感器主要分為壓阻式、壓電式、電容式、應變計式、混合式。這些傳感器通過檢測壓力引起的形變來實現工作，該機制使其能夠對眼部物理生物標志物進行高精度傳感。因此，它們被有效地應用于眼壓監測。
淚液生物標志物傳感
由眼部組織分泌的標志物能夠反映眼科疾病的狀態。這些標志物在淚液中可直接擴散進入血液循環。然而，相較于血液，這些生物標志物在淚液中的濃度更高。因此，淚液分析為眼科疾病的診斷提供了新的途徑。MEMS傳感器能夠對人類淚液中的多種生物/化學標志物實現高靈敏度體外檢測，同時也可與隱形眼鏡集成，用于持續監測（圖3）。
圖3 基于MEMS的淚液生物標志物監測傳感器
基于MEMS微鏡的光學相干斷層掃描（OCT）
傳統的眼底照相或熒光素血管造影無法檢測視網膜層的微觀變化。作為一種先進的診斷成像技術，OCT通過對視網膜結構進行微觀結構分析，徹底改變了視網膜疾病的診療方式。為了進一步減小OCT設備體積，MEMS微鏡技術已被集成用于手持式OCT系統，如圖4A所示。基于MEMS微鏡的OCT系統能夠識別眼部相關結構及病理變化，在眼科疾病的早期篩查與診斷中展現出巨大潛力。
圖4 MEMS集成眼科成像系統及其臨床應用
MEMS技術同樣推動了OCT在分辨率、成像速度、成像深度與范圍以及成像精度等方面的持續進步。通過促進便攜式高性能OCT系統的發展，MEMS技術顯著拓展了該成像方式的應用范圍，使其成為眼科疾病診斷中極具前景的工具。
基于MEMS微鏡的顯微成像
目前，基于MEMS微鏡的顯微成像技術因其微型化與高穩定性，在眼科領域作為一種新興技術展現出巨大的應用前景。MEMS集成顯微成像系統如圖4B所示，其中MEMS微鏡能夠實現高精度、高速光束掃描，從而支持微型化、高分辨率的視網膜成像，用于眼科應用。
眼科治療
基于MEMS的眼部藥物遞送系統
眼睛獨特的結構和生理特性形成了多重藥物遞送屏障，這已成為傳統眼部藥物遞送面臨的主要挑戰。
目前，MEMS器件已被專門用于開發藥物遞送系統，其能夠突破角膜屏障。圖5A展示了由MEMS技術實現的眼部藥物遞送系統，包括微泵、微針陣列和智能隱形眼鏡。這些器件能夠突破生理屏障，實現精準、按需的藥物釋放，例如用于非接觸式滴眼液給藥的聲學微泵，以及用于青光眼閉環管理的智能隱形眼鏡。
圖5 用于眼科疾病治療的MEMS器件
基于MEMS的視網膜假體
由于光感受器細胞的喪失，視網膜退行性疾病已成為全球致盲的主要原因之一。視網膜假體通過產生視覺感知來傳遞視覺信息，從而為恢復盲人的視覺提供可能。視網膜假體植入已成為視網膜退行性疾病的重要研究方向。基于MEMS的微電極陣列被設計用于植入治療。與光聲式視網膜假體和光伏式視網膜假體相比，基于MEMS的微電極陣列在機械柔順性與生物相容性、高分辨率以及超薄化方面具有優勢，可有效降低組織損傷并延長使用壽命，如圖5C所示。
微型化高精度手術工具
傳統開放式手術通常需要外科醫生在患者身上進行較大切口。為克服這些缺點，新型手術技術逐漸朝著小切口、低感染風險和低疼痛方向發展。MEMS技術在開發微型化、高精度手術器械方面展現出巨大潛力。隨著定制化幾何結構設計能力和尺寸精度的不斷提升，MEMS器件正推動眼科手術發生變革，使外科醫生能夠實現前所未有的手術精度。目前，已有多種基于MEMS的手術工具，包括微型機械手、微夾鉗以及微操縱器，如圖5B所示。
眼科日常活動監測
眨眼頻率監測
眨眼活動監測在多個領域具有重要應用價值。例如，句末眨眼頻率可用于評估閱讀專注程度；對眨眼頻率進行實時監測還可用于開發面向失語癥患者或依賴呼吸機患者的新型通信系統。此外，通過監測駕駛員的眨眼模式，可識別疲勞駕駛狀態，從而提高道路安全性。MEMS器件已被用于眨眼監測，如圖6A所示。
圖6 用于眼部日常活動監測的MEMS技術
基于MEMS微鏡的眼動追蹤
眼動追蹤是一種多用途研究技術，廣泛應用于心理學、神經科學、語言學和行為學等領域。定量眼動追蹤技術可用于腦震蕩的無創診斷、卒中康復監測以及孤獨癥譜系障礙評估。近年來，MEMS器件已成為眼動追蹤領域中極具前景的技術，特別適用于眼動追蹤原型系統。Xia團隊開發了一種用于高精度眼動追蹤的MEMS微鏡，如圖6B所示。該系統利用MEMS微鏡將激光束反射至眼模型的角膜表面，隨后通過雪崩光電二極管（APD）及模數轉換器（ADC）對信號進行實時記錄。最終，該系統實現了小于0.5°的高精度與高穩定性，為下一代眼動追蹤系統的發展提供了潛在方案。
挑戰與未來展望
MEMS技術在眼科中的融合代表著向精準醫療的范式轉變；隨著相關技術的持續發展，其有望進一步提升眼科診斷的準確性和治療效果。與常規臨床設備相比，MEMS器件具有高穩定性、低功耗、高精度與高準確性，以及控制系統魯棒性強等優勢。然而，由于MEMS器件體積微型化，其在功率或能量供給方面仍面臨限制。
為了實現臨床應用，MEMS器件在眼科中的發展主要面臨兩類挑戰：技術瓶頸和臨床障礙。就前者而言，材料疲勞可能成為MEMS器件可靠性方面的重要問題。此外，眼部環境中的信號干擾也是MEMS器件面臨的另一項技術瓶頸。接口特性和監管審批是MEMS器件，尤其是植入式器件的主要臨床障礙。器件的生物相容性是減少并發癥的關鍵接口特性之一。監管審批非常嚴格，需要綜合考慮技術、醫學、法規和倫理等各種因素。
為了進一步提高診斷準確性和治療效果，MEMS器件有望在未來實現更好的集成、生物安全和智能化。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/inmd.70132
