內(nèi)窺鏡屬于微創(chuàng)醫(yī)療器械千康，就像醫(yī)生的“眼睛”能夠有效地幫助醫(yī)生“看清“病灶。微創(chuàng)手術(shù)的普及與臨床診斷需求推動(dòng)內(nèi)窺鏡進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期铲掐。據(jù)Markets and Markets報(bào)告顯示拾弃，2019年全球內(nèi)窺鏡的市場(chǎng)容量約為256億美金，將以6.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)摆霉，到2024年將達(dá)到352億美金豪椿。根據(jù)中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2018年斯入，我國(guó)內(nèi)窺鏡市場(chǎng)容量達(dá)到278億元蓉凰，內(nèi)窺鏡配套器械市場(chǎng)規(guī)模更大芳窟，達(dá)500億元万僚。[1]

內(nèi)窺鏡是一類精密的光學(xué)儀器，不論是硬鏡和軟鏡抬爷，它們的生產(chǎn)工藝都需要選擇特有的密封技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)或祖，不論是內(nèi)窺鏡中鏡片之間、鏡片和外管之間留嫩、金屬材料之間都需要非常高的固定和密封要求凰彼。而隨著小型化內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)，對(duì)于內(nèi)窺鏡廠家制造工藝的考驗(yàn)是“更上一層樓”絮檀。[1]

對(duì)3D打印技術(shù)而言葛昏，顯著的優(yōu)勢(shì)是比傳統(tǒng)工藝更易于駕馭產(chǎn)品的復(fù)雜性。面對(duì)小型化的復(fù)雜內(nèi)窺鏡組件制造需求卜陵，3D打印有哪些可能的應(yīng)用切入點(diǎn)绝鸡？本期，3D科學(xué)谷與谷友一起通過(guò)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)开贼、內(nèi)窺鏡制造商舰褪、3D打印企業(yè)所開(kāi)展的應(yīng)用探索皆疹，來(lái)感受其中蘊(yùn)含的潛能。

成就小而復(fù)雜的組件

“最小”內(nèi)窺鏡

在不引起組織創(chuàng)傷的情況下占拍，小型內(nèi)窺鏡探頭是對(duì)小腔或脆弱器官進(jìn)行成像時(shí)所必需的設(shè)備略就。但當(dāng)前的制造方法限制了高度小型化的探針成像性能，從而限制了小型內(nèi)窺鏡探頭的廣泛應(yīng)用晃酒。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)醫(yī)學(xué)院表牢、光學(xué)先進(jìn)傳感研究所和德國(guó)斯圖加特大學(xué)應(yīng)用光學(xué)研究所（ITO）和SCoPE研究中心的研究人員，通過(guò)雙光子光刻微型3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種新型超薄探針裝置贝次，在單模光纖上（比人類發(fā)絲還細(xì)）直接創(chuàng)建側(cè)面自由形微光學(xué)器件初茶。研究人員稱，這是迄今報(bào)道的最小自由形式三維成像探頭浊闪，帶有保護(hù)性塑料外殼的整個(gè)內(nèi)窺鏡直徑為0.457毫米恼布。[2]

▲3D打印內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)，b：無(wú)芯光纖尖端上的3D打印離軸自由形式全內(nèi)反射（TIR）反射鏡的顯微鏡圖像搁宾，該光纖被熔接在導(dǎo)光單模光纖上折汞。

來(lái)源：nature.com

當(dāng)前的探針制造技術(shù)在制造高度小型化探針時(shí)存在球面像差、低分辨率或淺焦深的問(wèn)題使谋。在光學(xué)設(shè)計(jì)中整诈，需要權(quán)衡高分辨率（大數(shù)值孔徑，NA）度攘，從而導(dǎo)致光束發(fā)散迅速恒晋，聚焦深度較小，而分辨率差（NA較兄龈恕）止歇，無(wú)法實(shí)現(xiàn)較大的聚焦深度 。在光學(xué)相干斷層掃描成像中杭嚷，因?yàn)閮?nèi)窺鏡和血管內(nèi)探針部署在透明的導(dǎo)管鞘內(nèi)翘辑，既保護(hù)動(dòng)物或患者在探針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描時(shí)免受創(chuàng)傷，又防止在多個(gè)動(dòng)物之間重復(fù)使用時(shí)的交叉污染嚣咕。

在光學(xué)上溜信，這種透明鞘相當(dāng)于負(fù)柱面透鏡，并引起散光绷咳。散光增加了小型化探針的橫向分辨率的衰減幸双。因此，對(duì)這些非色差的校正對(duì)于用微型探頭在所希望的聚焦深度上獲得盡可能好的分辨率是至關(guān)重要的位仁，而當(dāng)前的微光學(xué)制造方法缺乏減輕這些非色差的能力柑贞。研究人員開(kāi)發(fā)了一種超薄單片光學(xué)相干斷層掃描內(nèi)窺鏡，通過(guò)使用雙光子聚合3D打印技術(shù)將125微米直徑的微光學(xué)器件直接印刷到光纖上，克服了這些限制凌外。

在研發(fā)過(guò)程中辩尊，研究人員將一根450微米長(zhǎng)度的無(wú)芯光纖拼接到一根20厘米長(zhǎng)的單模光纖上，在光束到達(dá)3D打印自由曲面微光學(xué)器件之前對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展康辑。為了實(shí)現(xiàn)這一段無(wú)芯光纖的拼接摄欲，他們首先將一段較長(zhǎng)的無(wú)芯光纖拼接到單模光纖上，然后使用自動(dòng)玻璃處理器和直列式切割刀將其切割到450±5微米疮薇。雙光子光刻3D打印技術(shù)起到的作用是胸墙，將光束整形微光學(xué)器件直接打印到無(wú)芯光纖的遠(yuǎn)端。

3D打印微光學(xué)器件的自由曲面通過(guò)全內(nèi)反射改變光束的方向按咒，并聚焦光束迟隅。光纖組件固定在外徑為0.36毫米的薄壁扭矩線圈內(nèi)，扭矩線圈允許旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)從成像探頭的近端精確地傳遞到遠(yuǎn)端励七，從而實(shí)現(xiàn)3D掃描智袭。3D打印的微型成像探頭在導(dǎo)管鞘內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)管鞘保持靜止剿夫，并在3D掃描期間保護(hù)生物體組織渊妨。[3]

促進(jìn)內(nèi)窺鏡細(xì)微化

深圳開(kāi)立生物醫(yī)療科技股份有限公司自2002年成立以來(lái)一直致力于醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)和制造，產(chǎn)品涵蓋超聲診斷系統(tǒng)姓拂、電子內(nèi)鏡系統(tǒng)和體外診斷系列三大產(chǎn)品線夕涧。開(kāi)立醫(yī)療推出的HD550系列高清內(nèi)窺鏡產(chǎn)品，產(chǎn)品性能與外資差距逐漸縮小寒肋，在醫(yī)院端獲得良好反饋刹讹。填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)高清內(nèi)窺鏡的空白，有望更進(jìn)一步加快國(guó)產(chǎn)高端內(nèi)窺鏡產(chǎn)品發(fā)展易麻。開(kāi)立醫(yī)療重視技術(shù)創(chuàng)新职予，其中也包括通過(guò)3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

▲開(kāi)立醫(yī)療其中一款內(nèi)鏡產(chǎn)品

來(lái)源：開(kāi)立醫(yī)療

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究暴彻，開(kāi)立醫(yī)療研發(fā)了一種可在一定程度上減小外形尺寸的內(nèi)窺鏡頭端部派男，使內(nèi)窺鏡頭端部進(jìn)一步微細(xì)化，從而解決內(nèi)窺鏡頭端部尺寸大的技術(shù)問(wèn)題冬魏。

內(nèi)窺鏡頭端部包括頭端座、成像模組和圖像傳感模組乍狐。圖像傳感器模組由傳感器芯片組件和電子元器件構(gòu)成赠摇。傳感器芯片組件和所述電子元器件通過(guò)立體封裝的方式封裝為一體。這種內(nèi)窺鏡頭端座上設(shè)置有安裝孔浅蚪，成像模組正式設(shè)置在安裝孔內(nèi)藕帜，而圖像傳感模組對(duì)應(yīng)安裝孔連接在頭端座的后端。

在這一內(nèi)窺鏡頭端部組建的應(yīng)用中惜傲，3D打印技術(shù)的作用是對(duì)芯片組件進(jìn)行立體封裝洽故。立體封裝結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部流道介質(zhì)贝攒，用于電信號(hào)的傳輸，滿足高密度时甚、高性能隘弊、低成本的要求，并克服了現(xiàn)有技術(shù)中存在的互連金線長(zhǎng)荒适、空間利用率小梨熙、工藝要求高或成本高的缺點(diǎn)。在開(kāi)立醫(yī)療開(kāi)展的工作中刀诬，傳感器芯片組件和電子元器件采用了立體封裝锯忱，取消了外部連接結(jié)構(gòu)，形成立體式電路連接結(jié)構(gòu)健吃，解決了二維電子元器件需要足夠的面板空間以設(shè)置所需電子元器件的問(wèn)題闰妓。并且不需要在傳感器芯片組件外沿周圍設(shè)置保護(hù)邊沿，從而能夠消除T型結(jié)構(gòu)中電子元器件對(duì)空間的占用陕绢。

這種立體封裝帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是石沸，可相應(yīng)地減小圖像傳感模組的整體外部尺寸，從而進(jìn)一步減小內(nèi)窺鏡頭端部的外形尺寸询嘹，使得內(nèi)窺鏡的微細(xì)化成為可能庵动，繼而有效改善受測(cè)者的臨床體驗(yàn)。

復(fù)雜微型一體化組件

開(kāi)立醫(yī)療在3D打印領(lǐng)域的一家戰(zhàn)略合作伙伴為摩方材料呜谓。在精密醫(yī)療內(nèi)窺鏡制造領(lǐng)域暮课，內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)越來(lái)越趨向體積微型化，鏡體的直徑小到1毫米以內(nèi)洼荡，傳統(tǒng)的加工方式很難達(dá)到如此高要求椎吼。精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致傳統(tǒng)工藝的高昂的研發(fā)和加工成本下质，生產(chǎn)過(guò)程中常面臨諸多棘手難題姓建。而摩方材料的微納3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜部件的一體成型生產(chǎn)。

▲來(lái)源：摩方材料

對(duì)于壁厚小于0.15毫米的精密內(nèi)窺鏡端部座缤苫，CNC和開(kāi)模注塑等傳統(tǒng)加工方式成型都比較困難速兔，尤其對(duì)于一些深寬比大的薄壁件。圖中內(nèi)窺鏡端部座中的圓管壁厚是70微米活玲，管徑1mm涣狗，高度為4mm，精度要求±10~25微米舒憾，CNC和開(kāi)模注塑镀钓，很難加工出這樣逼近極限的結(jié)構(gòu)。摩方微納3打印設(shè)備則能夠?qū)崿F(xiàn)這類微型薄壁組件的整體結(jié)構(gòu)一次成型，無(wú)需組裝丁溅。

殼體小型化

奧林巴斯是日本乃至世界精密唤蔗、光學(xué)技術(shù)的代表企業(yè)之一，事業(yè)領(lǐng)域包括醫(yī)療窟赏、生命科技妓柜、影像設(shè)備等。在 20 世紀(jì) 60 年代末禀丁，奧林巴斯就已經(jīng)預(yù)見(jiàn)了內(nèi)鏡在外科手術(shù)中的應(yīng)用翼辱。1979年，公司收購(gòu)了德國(guó)硬鏡制造商 Winter & Ibe GmbH跨基，將醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)從軟鏡拓展到軟鏡吴烹、硬鏡和手術(shù)耗材。在中國(guó)市場(chǎng)上肾俯，軟鏡市場(chǎng)幾乎被奧林巴斯眨攀、富士膠片和賓得三家日企巨頭壟斷，其市場(chǎng)份額超過(guò)95%乡纸，硬鏡市場(chǎng)中奧林巴斯也占據(jù)了第一梯隊(duì)扛聂。

▲奧林巴斯超聲內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組件

來(lái)源：奧林巴斯

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，奧林巴斯也開(kāi)展了內(nèi)窺鏡領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用研究坪秒。在一項(xiàng)研究中栏付，奧林巴斯開(kāi)發(fā)了一種超聲波內(nèi)窺鏡，并提出了超聲波振子組件的制造方法煞嫩。

▲超聲波內(nèi)窺鏡插入部的頂端結(jié)構(gòu)立體圖组弥，214為3D打印的殼體

已知超聲波振子的類別有凸起型、線陣型逗爹、徑向型等超聲波光束的收發(fā)方向不同的多個(gè)類型亡嫌。其中，就凸起型的超聲波振子而言掘而，多個(gè)壓電元件沿著曲面排列挟冠，它們分別將超聲波光束朝向曲面的徑向射出。而在以往的超聲波內(nèi)窺鏡中袍睡，在將超聲波振子組裝于殼體時(shí)知染，在中繼基板和收容部之間形成了空隙，而空隙的存在難以使殼體小型化女蜈。奧林巴斯希望提供能夠使收容超聲波振子的殼體小型化的超聲波內(nèi)窺鏡持舆。

在這項(xiàng)應(yīng)用研究中，3D打印技術(shù)被用于制造殼體伪窖。奧林巴斯開(kāi)發(fā)的超聲波振子組件包括：超聲波振子、線纜、中繼基板以及殼體覆山。殼體的作用是保持超聲波振子竹伸。在進(jìn)行制造時(shí)，首先通過(guò)具有絕緣性的樹(shù)脂及3D打印技術(shù)成形殼體的一部分福互，然后在利用該3D打印技術(shù)在超聲波振子刹由、中繼基板、線纜一側(cè)進(jìn)一步成形3D打印殼體鹉鉴。

根據(jù)奧林巴斯妨菩，這一研發(fā)工作起到能夠使收容超聲波振子的殼體小型化的效果。

微細(xì)圓管直接打印

上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種單光纖內(nèi)窺鏡掃描探頭彪选，該探頭包括：準(zhǔn)直鏡厚饱、單纖維光纖、永久磁鐵剂现、微細(xì)圓管捕如、驅(qū)動(dòng)線圈和支柱，準(zhǔn)直鏡固定在單纖維光纖的一端部茁臀。其中微細(xì)圓管通過(guò)3D打印機(jī)直接打印而成揩池，這一3D打印微細(xì)圓管表面上有傾斜式凹槽。

這一研究以微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)為基礎(chǔ)堆因，通過(guò)3D打印機(jī)直接形成帶有傾斜凹槽的微細(xì)圓管泪桥，這樣就可以利用纏繞方式在微細(xì)圓管表面形成具有任意傾角的驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)，即可以沿著凹槽的方向直接繞驅(qū)動(dòng)線圈久窟，使得驅(qū)動(dòng)線圈非常穩(wěn)定的固定在微細(xì)圓管的表面上秩冈。

3D科學(xué)谷Review

通過(guò)以上應(yīng)用研究可以發(fā)現(xiàn)，3D打印的應(yīng)用都離不開(kāi)“微瘸羡、小” 這一概念漩仙。在內(nèi)窺鏡體積微型化的發(fā)展趨勢(shì)下，實(shí)現(xiàn)小而復(fù)雜的內(nèi)窺鏡組件中所體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)犹赖，為3D打印技術(shù)帶來(lái)了應(yīng)用空間队他。

目前3D打印微型內(nèi)窺鏡組件的應(yīng)用多處于研發(fā)和原型制造階段，內(nèi)窺鏡屬于一種進(jìn)入到人體內(nèi)中使用的三類醫(yī)療器械峻村，因此制造內(nèi)鏡組件所用的3D打印材料麸折、工藝均需跨越滿足三類醫(yī)療器械注冊(cè)審批需求這道門檻，方能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用粘昨。業(yè)界對(duì)于這一過(guò)程中所需投入的研發(fā)資金和時(shí)間仍需要報(bào)以足夠的耐心垢啼。

參考資料：
[1] 思宇醫(yī)療觀察. 《300多億美金市場(chǎng)！內(nèi)窺鏡“耗材化”是大勢(shì)所趨张肾？》
[2] Jiawen Li, Simon Thiele, Bryden C. Quirk, Rodney W. Kirk, Johan W. Verjans, Emma Akers, Christina A. Bursill, Stephen J. Nicholls, Alois M. Herkommer, Harald Giessen, Robert A. McLaughlin. Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use. Light: Science & Applications, 2020; 9 (1) DOI: 10.1038/s41377-020-00365-w
[3] 江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟. 《全球最小3D打印光纖內(nèi)窺鏡成功研發(fā)》
其他參考資料：CN109561884A芭析；CN211213052U悄贴；CN103932659B

（ 3D科學(xué)谷）

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