国外研究人员3D微打印内窥镜成像设备,用于改善心脏护理

3D打印快讯
2020
07/29
09:49
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2020年7月29日,南极熊从外媒获悉,由阿德莱德大学和斯图加特大学领导的一个国际科学家小组,利用3D微打印技术开发了一种光学相干断层扫描(OCT)内窥镜。

研究团队利用新型探针制造技术,将侧向自由形态的微型光学器件(直径小于130微米)直接3D打印到单模光纤上。测量尺寸仅为0.48毫米,所产生的微观成像装置小到足以进入血管,并克服了现有技术所遇到的分辨率问题。增强型内窥镜的摄像头提供的改进型3D图像可以让医生更好地了解心脏病的原因,有可能让他们在心脏病发作之前就能预防心脏病发作。  
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斯图加特大学光学设计和模拟组组长Simon Thiele博士说:"直到现在,我们还不能制造如此小的高质量内窥镜,使用3D微型打印,我们能够打印出复杂的镜头,这些镜头太小,肉眼无法看到。整个内窥镜,加上保护性塑料外壳,直径不到半毫米。"

"很高兴能在一个项目上工作,在那里我们把这些创新和建立这些创新变成如此有用的东西。当我们把工程师和临床医生结合在一起的时候,我们能做的事情真是太了不起了。"

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研究人员的微观3D打印装置,直径只有0.48毫米,图片来自《Sciences and Applications》杂志
a.) 动脉内3D打印OCT内窥镜的示意图。
b.) 3D打印的离轴自由形全内反射(TIR)镜在无芯光纤的顶端融合拼接到导光单模光纤上的显微图像。
c.) 系统的光学设计,光从单模光纤出来,在无芯光纤中膨胀,在自由曲面镜处被反射并相位成形,通过导管鞘,聚焦到动脉组织中。
d.) 图为3D打印的OCT内窥镜,旋转后拉回完成全3D OCT扫描University of Adelaide。

3D打印、内窥镜与血管健康

对于医务人员来说,光纤内窥镜已迅速成为在医疗干预期间提供实时指导的重要临床工具。尤其是OCT内窥镜,已经在大量的手术病例中得到了应用,仅在澳大利亚境内就为大约41万例手术提供了帮助。

然而,尽管应用广泛,内窥镜技术仍未完善。微型化的高分辨率探针需求量仍然很大,这不仅是为了对精细、狭窄的腔内器官进行成像,也是为了最大限度地减少兽医手术中探针插入的不适感。通常情况下,小鼠等动物也被用作人类疾病的模型,为了充分利用这类实验,需要一种更通用的解决方案。

之前的研究还发现,传统的探针无法捕捉到任何深度超过100μm的结构的图像,限制了它们在心脏护理内的潜在救命应用。"心脏病的一个主要因素是斑块,由脂肪、胆固醇和其他物质组成,在血管壁上堆积。"合著者、阿德莱德大学讲师 Jiawen Li解释说。

"临床前和临床诊断越来越依赖于可视化的血管结构,以更好地了解疾病。微型化的内窥镜,就像微型摄像机一样,让医生能够看到这些斑块是如何形成的,并探索治疗斑块的新方法。"

研究人员认为,目前的探头制造技术也存在不足,因为内窥镜往往存在球面畸变、分辨率低或聚焦深度浅的问题。更重要的是,虽然在现有的探头中,分辨率和焦深往往是取舍的,但在小型化设备内,它们的物理孔径非常小,不存在合适的折中方案。此外,在OCT成像中,血管内探头被部署在透明的导管护套内,以保护患者在相机旋转过程中免受创伤。

在光学上,电缆罩会导致相机散光,导致相机失去焦点,而目前的制造方法没有办法缓解这一问题。虽然以前的方法集中在拼接现有的光纤镜头上,但这些方法也无法获得与传统OCT成像相同的分辨率。为了克服这些局限性,研究团队着手使用双光子聚合技术,将直径125μm的微光学器件直接3D打印到单纤维化合物上。

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使用研究团队的内窥镜设备拍摄的图像显示,死细胞的坏死核心 ,图片来自《Sciences and Applications》杂志

创建和测试3D打印内窥镜

为了制造他们的3D打印内窥镜,研究人员将一根450微米长的无芯光纤拼接成20厘米长的单模光纤,在光束到达微光学相机之前就将其扩大。然后,利用Nanoscribe双光子光刻系统,将光束整形微光学直接3D打印到材料的远端。

研究人员的制作方法被发现可以补偿强制性透明导管鞘造成的散光。此外,纤维组件被固定在薄壁扭矩线圈内,这使得该装置可以精确地操纵到成像探头的另一端。

为了评估他们的超薄OCT探针扫描组织样本的性能,研究团队尝试在新鲜取出的人类颈动脉内捕捉图像。虽然被堵塞的血管表现出严重的狭窄,但该团队的超薄探头仍然能够毫不费力地穿过它,然后被拉回。此外,内窥镜相机还能够检测到由死细胞组成的坏死核心,这是识别可能导致心脏病发作的高危斑块的关键特征。

进一步的OCT成像测试是在小鼠的胸主动脉上原位进行的。探头能够捕捉到没有明显旋转变形的成像,在非常小的动脉内成功地进行了3D成像,最微小的小于0.5mm。图片还显示了厚厚的密密麻麻的脂肪细胞,这些脂肪细胞的直径为15-25μm,这表明3D打印探针可以通过原位成像识别微结构特征。

因此,研究人员认为他们的实验足以证明他们的打印OCT设备是对目前使用的内窥镜的改进。根据该团队的说法,他们的3D打印方法的成功可以使其在一系列临床应用中得到采用。

研究团队在论文中表示:"除了在小动物中使用成像探针的价值外,这种超薄的畸变校正探针还可以安全地进入精致但难以触及的器官,实现高分辨率的横截面成像能力,并可能导致增强患者的安全性和改善健康结果。"

研究人员的研究结果详见他们题为 "Ultrathin monolithic 3D printed optical coherence tomography endoscopy for preclinical and clinical use "的论文,该论文发表在《Sciences and Applications》杂志杂志上。该报告由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 and Robert A. McLaughlin.共同撰写。

内窥镜行业背景

我国医用内窥镜企业主要集中于珠三角、长三角地带,产业增长潜力巨大。但国内内窥镜行业由于起步较晚,国产内镜厂商在核心技术与关键器件研发方面与国外厂商相比仍有较大差距,产品集中于中低端,且以单一产品生产为主,缺乏产业链协同优势,研发实力、销售能力、售后服务能力和海外内窥巨头企业还有一定差距,因而无论是软性内窥镜市场还是硬性内窥镜市场,现阶段所占据的市场份额均较小。近年来,在医疗器械整体高速发展的良好外部环境和国家政策的大力支持下,我国医用内窥镜企业越来越重视自主创新,研发投入逐年增加,技术水平不断提升,国产内镜品牌的国际竞争力日益增强。

相对于工业内窥,医用内窥镜技术壁垒的较高,我国医用内窥镜行业发展起步相对较晚,创新体系尚不完善,在技术、标准、品牌、创新研发和生产能力等方面都面临国外企业的巨大挑战。目前,国内公司都在致力于自主创新微型精密化内窥镜,在医用内窥镜精密光学系统和精密机械系统等关键器件与核心技术领域取得突破性进展。为了减少病患者的疼痛感和提高患者使用体验,以及在诊治方面更好的推广医用内窥镜技术,微型化和定制化也将成为未来医用内窥镜重点发展的方向之一。

市场概况

2017年全球医用内窥镜市场已达350亿美元,预计到2019年,规模将达400亿美元,年均复合增长率为7.72%。美国、欧洲、日本等是内窥镜的主要消费市场,在这些发达国家,内窥镜应用非常成熟和广泛。随着内窥镜技术的推广和普及以及医疗水平的提高,中国、印度、巴西等发展中国家市场需求也在快速增长。内窥镜技术已成为继IVD、心血管诊断、影像、骨科和眼科之后市场份额最大的医疗技术。据统计,2017我国医用内窥镜市场规模已达约200亿元,年复合增长率高达25.7%,中国内窥镜市场规模预测在2019年将达到246亿元。

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内窥镜是集光学、电子、结构、材料等综合学科技术为一体的器械,技术壁垒极高,尤其是软性内窥镜,软性内窥镜市场基本被日本的奥林巴斯、富士胶片、宾得等企业垄断,市场份额超90%以上,其中奥林巴斯市场份额超过70%。之前国内内窥镜市场基本上被日本和欧美企业垄断,随着国内对医疗内窥镜行业的重视,已涌现出深圳开立和上海澳华等行业具有竞争力的企业逐渐占据了国内外部分高中低端市场。为了缩小和进口技术及设备的差距,国内企业正在布局加大产品创新创造力度,并将产品创新列为战略性方向。

国内高精密3D打印在医用内窥镜行业的应用

随着微型化和定制化趋势的到来,产品结构越来越小和薄,内窥镜企业都在致力于寻找相匹配的精密加工方法。对于壁厚小于0.15mm的精密内窥镜端部座,CNC和开模注塑等传统加工方式成型都比较困难,尤其对于一些深宽比大的薄壁件。
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下图中的内窥镜端部座中的圆管壁厚是70微米,管径1mm,高度为4mm,精度要求±10~25微米,CNC和开模注塑,很难加工出这样逼近极限的结构,深圳摩方公司的nanoArch P140设备约两个小时就可以加工出高质量合格的产品,最快一天内可以交付。相类似的壁厚大一点的产品,CNC加工的交期需要1周以上,模具加工的交期需要2周以上。图中端部座带有三根壁厚70微米和高度为4mm的圆管道,传统加工方式需要分别加工三根管道和主体部分然后装配在一起,非常耗时耗成本,而摩方精密3D打印可以实现低成本一次性成型,无需组装。随之内窥镜微型化的发展趋势,目前我们打印过的内窥镜头端部最小产品直径大小大概在2mm左右,壁厚在0.01~0.02mm,这种微型化的结构件开模和CNC加工都及其困难,这也是摩方高精密3D打印的技术价值所在。对于这种需求种类多数量少的微型高附加值内窥镜,定制化成为了他们的首选。
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目前,深圳摩方已服务过国内、欧美日等地区顶尖的内窥镜企业,客户使用摩方精密3D打印技术,可缩短研发周期和降低研发成本以及实现产品定制化。

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