一種單光纖內窺鏡掃描探頭及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單光纖內窺鏡掃描探頭及其制備方法，包括：準直鏡、單纖維光纖、永久磁鐵、微細圓管、驅動線圈和支柱，準直鏡固定在單纖維光纖的一端部；圓柱形的永久磁鐵固定在單纖維光纖的中間；單纖維光纖通過支柱固定在微細圓管的中心軸位置；所述的微細圓管為利用3D打印機直接打印而成，且在該微細圓管表面上利用3D打印機打印有傾斜式凹槽，驅動線圈直接繞在微細圓管的凹槽內。本發(fā)明以微機電系統(tǒng)加工技術為基礎，通過3D打印機直接形成帶有傾斜凹槽的微細圓管，這樣就可以利用纏繞方式在微細圓管表面形成具有任意傾角的驅動線圈結構，即可以沿著凹槽的方向直接繞驅動線圈，這樣驅動線圈就非常穩(wěn)定的固定在微細圓管的表面上。
【專利說明】一種單光纖內窺鏡掃描探頭及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)【技術領域】，具體地，涉及一種能夠用于高分辨率內窺鏡檢查電磁驅動的單光纖內窺鏡掃描探頭及其制備方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的內窺鏡都是利用C C D或者C M O S圖像傳感器，在人體腸胃檢查的時候，由于人體內部非常小的空間，如果要制造出如此小的內窺鏡，人們會面臨著一個巨大的困難:很難制造出如此小尺寸的圖像傳感器。以微機電系統(tǒng)技術為基礎設計和制造的電磁驅動的微型單光纖掃描探頭則能夠實現小直徑、高分辨率的內窺鏡。[0003]掃描探頭主要由單纖維光纖、圓管表面的傾斜驅動線圈、永久磁鐵、固定支座、微細圓管等幾部分組成。一個準直鏡固定在單纖維光纖的一端，一個圓柱型的永久磁鐵固定在光纖的中央。利用非平面光刻加工工藝，在一個外徑很小的細圓管表面上設置傾斜的驅動線圈。這個細圓管的中央有單纖維光纖，當一些以一定周期變化的交流電施加在細管外面的線圈上時，在線圈的周圍將會產生變化的磁場，固定在單纖維光纖上的永久磁鐵將會受到磁場力的作用，有周期的振動起來。通過制造傾角相互垂直的兩個驅動線圈和供給變化的電流，固定在單纖維光纖上的磁鐵將會受到兩個不同方向的作用力，帶動單纖維光纖在平面上沿不同的方向運動，單纖維光纖能夠在二維平面上掃描。通過探測到單纖維光纖振動到的每一個位置的反射光線，就可以看到高分辨率的圖像。
[0004]經對現有技術的文獻檢索發(fā)現，Tadao Matsunaga等在《Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) , 2010IEEE23rd International Conferenceon24-28Jan.2010))(“微電子機械系統(tǒng)，2010年I月24日一28日第23屆美國電子和電氣工程師協會國際會議”，第999-1002頁)發(fā)表了題為“Electromagnetically drivenulutra—miniature single fiber scanner for high—resolution endoscopy fabricatedon cylindrical substrates using MEMS process”(“對于通過微加工過程在圓柱形基板上構造高分辨率內窺鏡的電磁驅動的超小光纖掃描儀”)的論文，提出了以圓柱型聚酰亞胺管表面為基板，在其上電鍍銅金屬的方法來實現這些傾斜的線圈，使其繞在細管上構成了一種微型單光纖內窺鏡掃描探頭，該掃描探頭利用了圓柱激光刻蝕的加工工藝，該項工藝比較復雜，并且需要大型曝光設備，操作起來也不方便。如果把金屬銅絲直接繞在圓柱型圓管的表面上，則通常僅能纏繞出螺線管形式的線圈，根本無法實現具有較大傾斜角的可靠驅動線圈，這也正是上述文獻中不得不采用激光刻蝕和電鍍方式在微細圓管表面制造傾斜線圈的主要原因。如何能夠利用簡便、經濟的方式在微細圓管的表面制作可靠、穩(wěn)定的大角度傾斜驅動線圈，并以此來實現微型單光纖內窺鏡掃描探頭，一直是人們努力的方向。
[0005]因此，本領域的技術人員致力于發(fā)明一種能夠在微細圓管表面上制作大角度傾斜線圈完成單光纖內窺鏡掃描探頭的方法，并希望其工藝過程比較簡單和便捷，讓人們更方便制造這種大范圍的單光纖內窺鏡掃描探頭。
【發(fā)明內容】

[0006]針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種工藝過程簡單、便捷，并能夠直接把傾斜式的線圈繞在微細圓管表面上的單光纖內窺鏡掃描探頭及其制備方法，解決前述在微細圓管表面利用激光刻蝕和電鍍方法制作傾斜線圈時的工藝困難、高成本和復雜程度。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明利用3D打印機直接打印出帶有傾斜凹槽的微細圓管，之后將細銅線纏繞固定在凹槽內，形成表面具有傾斜線圈的整體圓管結構，為單光纖內窺鏡掃描探頭的實現提供了便利、可靠的途徑，由此形成的銅線圈傾斜纏繞在微細圓管的表面上非常牢固，不容易脫落。
[0008]根據本發(fā)明的一方面，提供一種單光纖內窺鏡掃描探頭，包括:準直鏡、單纖維光纖、永久磁鐵、微細圓管、驅動線圈和支柱，其中:準直鏡固定在單纖維光纖的一端部；圓柱形的永久磁鐵固定在單纖維光纖的中間；單纖維光纖通過支柱固定在微細圓管的中心軸位置；所述的微細圓管為利用3D打印機直接打印而成，且在該微細圓管表面上利用3D打印機打印有傾斜式凹槽，驅動線圈直接繞在微細圓管的凹槽內。 [0009]優(yōu)選地，所述的驅動線圈是銅材料制備的，該線圈的厚度是15-50微米，該銅線圈的寬度是50-100微米，銅線圈可以直接纏繞在凹槽里。
[0010]優(yōu)選地，所述的驅動線圈的傾斜角互相垂直。
[0011]優(yōu)選地，所述的凹槽的深度是5-10微米，3D打印機可以打印出任意需要的凹槽。
[0012]優(yōu)選地，所述的凹槽，其傾斜角度為15-75度，但不限于此角度。
[0013]優(yōu)選地，所述的微細圓管為利用3D打印機直接打印而成，其材料為3D打印所使用的任意非導電材料，該微細圓管的外直徑是0.5-2毫米，內直徑是0.48-1.9毫米。
[0014]根據本發(fā)明的另一方面，提供一種單光纖內窺鏡掃描探頭的制備方法，該方法利用3D打印技術直接打印出帶有兩個傾斜角互相垂直線圈凹槽的微細圓管；之后利用手工或機械方式在凹槽內纏繞出驅動線圈，并將固定有圓柱形永久磁體的單根纖維光纖利用支柱安裝在微細圓管中心軸內。
[0015]當在兩個傾斜驅動線圈內同時通以交流電時，一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在X軸方向振動，另一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在Y軸方向振動，二者的同時作用將驅動纖維光纖在XOY面內做螺旋振動掃描，從而整體上實現單纖維光纖內窺鏡探頭的高精度高頻率振動掃描和成像。
[0016]與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0017]本發(fā)明以微機電系統(tǒng)加工技術為基礎，通過3D打印機直接形成帶有傾斜凹槽的微細圓管，這樣就可以利用纏繞方式在微細圓管表面形成具有任意傾角的驅動線圈結構，即可以沿著凹槽的方向直接繞驅動線圈，這樣驅動線圈就非常穩(wěn)定的固定在微細圓管的表面上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0019]圖1是本發(fā)明一實施例單光纖內窺鏡掃描探頭的平面結構示意圖；[0020]圖2是本發(fā)明一實施例單光纖內窺鏡掃描探頭的立體結構示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明一實施例中帶有準直鏡和永久磁鐵的單纖維光纖結構示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明一實施例中永久磁鐵結構示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明一實施例中單纖維光纖結構示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明一實施例中準直鏡的結構示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明一實施例中固定單纖維光纖的支柱的結構示意圖；
[0026]圖8是本發(fā)明一實施例中微細圓管結構示意圖；
[0027]圖9是本發(fā)明一實施例中利用3D打印機打印出的凹槽的結構示意圖；
[0028]圖10是本發(fā)明一實施例中傾斜式驅動線圈的結構示意圖；
[0029]圖11是本發(fā)明一實施例中傾斜式驅動線圈沿著凹槽放在凹槽的結構示意圖；
[0030]圖12是本發(fā)明一實施例中打印有凹槽的微細圓管結構示意圖；
[0031]圖13是本發(fā)明一 實施例中傾斜式驅動線圈沿著凹槽繞在微細圓管表面的結構示意圖；
[0032]圖中:1為利用3D打印的微細圓管，2為凹槽，3為單纖維光纖，4為準直鏡，5為沿X軸方向的傾斜式驅動線圈，6為永久磁鐵，7為驅動線圈產生的磁場線，8為沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈，9為支柱。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0034]如圖1-2所示，本實施例提供一種單光纖內窺鏡掃描探頭，包括:利用3D打印的微細圓管1、單纖維光纖3、準直鏡4、沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5、永久磁鐵6、沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8和支柱9。準直鏡4固定在單纖維光纖3的一端部，支柱9位于單纖維光纖3的另一端部；圓柱形的永久磁鐵6固定在單纖維光纖3的中間；單纖維光纖3通過支柱9固定在微細圓管I的中心軸位置；所述的微細圓管I為利用3D打印機直接打印而成，且在該微細圓管I表面上利用3D打印機打印有傾斜式凹槽，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈
5、沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8直接繞在微細圓管I的凹槽內，且兩驅動線圈傾斜角互相垂直。當一些以一定周期變化的交流電施加在細管外面的沿Y軸方向和沿X軸方向驅動線圈上時，在線圈的周圍將會產生變化的磁場，磁場的分布可以用磁場線7表示。
[0035]本實施例中，微細圓管I上利用3D打印機打印的傾斜式凹槽2的深度為5-10微米、寬度為70-150微米，凹槽2之間的間隔距離為120-200微米，凹槽2的傾斜角度為15-75度；微細圓管I為一圓柱體，其外部直徑為0.5-2毫米、內部直徑為0.48-1.9毫米、長度為1.5-10毫米，微細圓管I為由3D打印機可使用的各類非導電材料構成的；沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8均沿著凹槽2的方向直接放在凹槽2里面，并且非常牢固不會滑下來，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8均為由銅材料構成的，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8的傾斜角度為15-75度，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8的寬度為50-100微米、深度為50-100微米，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5之間和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8之間的間距為122-202微米。
[0036]如圖3所示，為本實施例帶有準直鏡和永久磁鐵的單纖維光纖結構示意圖，準直鏡4固定在單纖維光纖3的一端部，永久磁鐵6固定在單纖維光纖3的中間位置，在光線纖維的另一端部設置有用于固定單纖維光纖3的支柱9。
[0037]如圖4所示，為本實施例永久磁鐵結構示意圖，永久磁鐵6的材料為各類可使用的永磁材料，永久磁鐵2為一圓柱體，其外部直徑為0.1-0.9毫米、內部直徑為0.08-0.4毫米、長度為0.4-2毫米。
[0038]如圖5所示，為本實施例單纖維光纖結構示意圖，單纖維光纖3為一圓柱體，其直徑為0.08-0.4毫米、長度 為1.2-8毫米，單纖維光纖3的材料的主要成分為二氧化硅，里面摻極微量的其他材料，如二氧化鍺、五氧化二磷。
[0039]如圖6所示，為本實施例準直鏡的結構示意圖，準直鏡4為一圓柱體，其高為
0.1-0.3暈米、底面直徑為0.08-0.4暈米。
[0040]如圖7所示，為本實施例固定單纖維光纖的支柱的結構示意圖，支柱9的外部直徑為0.48-1.8毫米、內部直徑為0.08-0.4毫米、長度為0.2-1.8毫米，支柱9的材料為聚酰亞胺或其他非導電材料。
[0041]如圖8所示，為本實施例微細圓管結構示意圖，利用3D打印的微細圓管I的長度為1.5-10毫米、內部直徑為0.48-1.9毫米、外部直徑為0.5-2毫米。
[0042]如圖9所示，為本實施例利用3D打印機打印出的凹槽的結構示意圖，凹槽2橫截面為橢圓，凹槽2的傾斜角度為15-75度、深度為5-10微米、寬度為70-150微米。
[0043]如圖10所示為本實施例中傾斜式驅動線圈的結構示意圖,如圖11所示為本實施例傾斜式驅動線圈沿著凹槽放在凹槽的結構示意圖，如圖12所示為本實施例中打印有凹槽的微細圓管的結構示意圖，如圖13所示為本實施例傾斜式驅動線圈沿著凹槽繞在微細圓管表面的結構示意圖，沿X軸方向的傾斜式驅動線圈5和沿Y軸方向的傾斜式驅動線圈8的的材料均為銅或者其他導電材料，其傾斜角度均為15-75度、寬度均為50-100微米、厚度均為50-100微米，凹槽2的傾斜角度為15-75度。
[0044]由于單光纖內窺鏡掃描探頭在人體檢查時要放入人體的內部，人體內部空間小，上述采用的各個尺寸盡量要小，以不傷害到人體。
[0045]上述實施例中的探頭制備:首先利用3D打印技術直接打印出帶有兩個傾斜角互相垂直線圈凹槽的微細圓管；之后利用手工或機械方式在凹槽內纏繞出驅動線圈，并將固定有圓柱形永久磁體的單根纖維光纖利用支柱安裝在微細圓管中心軸內。當在兩個傾斜驅動線圈內同時通以交流電時，一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在X軸方向振動，另一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在Y軸方向振動，二者的同時作用將驅動纖維光纖在XOY面內做螺旋振動掃描，從而整體上實現單纖維光纖內窺鏡探頭的高精度高頻率振動掃描和成像。
[0046]本發(fā)明提供一種工藝過程簡單、便捷，并能夠直接把傾斜式的線圈繞在微細圓管表面上的方案，利用3D打印機直接打印出帶有傾斜凹槽的微細圓管，之后將細銅線纏繞固定在凹槽內，形成表面具有傾斜線圈的整體圓管結構，為單光纖內窺鏡掃描探頭的實現提供了便利、可靠的途徑，由此形成的銅線圈傾斜纏繞在微細圓管的表面上非常牢固，不容易脫落。[0047] 以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。
【權利要求】
1.一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，包括:準直鏡、單纖維光纖、永久磁鐵、微細圓管、驅動線圈和支柱，其中:準直鏡固定在單纖維光纖的一端部，支柱位于單纖維光纖的另一端部；圓柱形的永久磁鐵固定在單纖維光纖的中間；單纖維光纖通過支柱固定在微細圓管的中心軸位置；所述的微細圓管為利用3D打印機直接打印而成，且在該微細圓管表面上利用3D打印機打印有傾斜式凹槽，驅動線圈直接繞在微細圓管的凹槽內。
2.根據權利要求1所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的驅動線圈的傾斜角互相垂直。
3.根據權利要求2所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的驅動線圈是銅材料制備的，該線圈的厚度是15-50微米，該銅線圈的寬度是50-100微米，銅線圈直接纏繞在凹槽里。
4.根據權利要求1所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的凹槽，其傾斜角度為15-75度。
5.根據權利要求4所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭,其特征在于,所述的凹槽橫截面為橢圓，凹槽的深度為5-10微米、寬度為70-150微米。
6.根據權利要求1所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的微細圓管的外直徑為0.5-2毫米、內直徑為0.48-1.9毫米。
7.根據權利要求1所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的永久磁鐵為一圓柱體，其外部直徑為0.1-0.9毫米、內部直徑為0.08-0.4毫米、長度為0.4-2毫米。
8.根據權利要求1所述的一種單光纖內窺鏡掃描探頭，其特征在于，所述的單纖維光纖為一圓柱體，其直徑為0.08-0.4毫米、長度為1.2-8毫米；所述的準直鏡為一圓柱體，其高為0.1-0.3毫米、底面直徑為0.08-0.4毫米。
9.一種權利要求1-8任一項所述的單光纖內窺鏡掃描探頭的制備方法,其特征在于，該方法利用3D打印技術直接打印出帶有兩個傾斜角互相垂直的凹槽的微細圓管；之后利用手工或機械方式在凹槽內纏繞出驅動線圈，并將固定有圓柱形永久磁體的單根纖維光纖利用支柱安裝在微細圓管中心軸內。
10.根據權利要求9所述的單光纖內窺鏡掃描探頭的制備方法，其特征在于，當在兩個傾斜驅動線圈內同時 通以交流電時，一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在X軸方向振動，另一個驅動線圈將驅動永久磁體帶動纖維光纖在Y軸方向振動，二者的同時作用將驅動纖維光纖在XOY面內做螺旋振動掃描，從而整體上實現單纖維光纖內窺鏡探頭的高精度高頻率振動掃描和成像。
【文檔編號】A61B1/05GK103932659SQ201410147872
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】楊卓青, 徐秋, 孫濱, 丁桂甫, 姚錦元 申請人:上海交通大學