CN103932659A - 一种单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法，包括：准直镜、单纤维光纤、永久磁铁、微细圆管、驱动线圈和支柱，准直镜固定在单纤维光纤的一端部；圆柱形的永久磁铁固定在单纤维光纤的中间；单纤维光纤通过支柱固定在微细圆管的中心轴位置；所述的微细圆管为利用3D打印机直接打印而成，且在该微细圆管表面上利用3D打印机打印有倾斜式凹槽，驱动线圈直接绕在微细圆管的凹槽内。本发明以微机电系统加工技术为基础，通过3D打印机直接形成带有倾斜凹槽的微细圆管，这样就可以利用缠绕方式在微细圆管表面形成具有任意倾角的驱动线圈结构，即可以沿着凹槽的方向直接绕驱动线圈，这样驱动线圈就非常稳定的固定在微细圆管的表面上。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，具体地，涉及一种能够用于高分辨率内窥镜检查电磁驱动的单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法。
背景技术
传统的内窥镜都是利用ＣＣＤ或者ＣＭＯＳ图像传感器，在人体肠胃检查的时候，由于人体内部非常小的空间，如果要制造出如此小的内窥镜，人们会面临着一个巨大的困难：很难制造出如此小尺寸的图像传感器。以微机电系统技术为基础设计和制造的电磁驱动的微型单光纤扫描探头则能够实现小直径、高分辨率的内窥镜。
扫描探头主要由单纤维光纤、圆管表面的倾斜驱动线圈、永久磁铁、固定支座、微细圆管等几部分组成。一个准直镜固定在单纤维光纤的一端，一个圆柱型的永久磁铁固定在光纤的中央。利用非平面光刻加工工艺，在一个外径很小的细圆管表面上设置倾斜的驱动线圈。这个细圆管的中央有单纤维光纤，当一些以一定周期变化的交流电施加在细管外面的线圈上时，在线圈的周围将会产生变化的磁场，固定在单纤维光纤上的永久磁铁将会受到磁场力的作用，有周期的振动起来。通过制造倾角相互垂直的两个驱动线圈和供给变化的电流，固定在单纤维光纤上的磁铁将会受到两个不同方向的作用力，带动单纤维光纤在平面上沿不同的方向运动，单纤维光纤能够在二维平面上扫描。通过探测到单纤维光纤振动到的每一个位置的反射光线，就可以看到高分辨率的图像。
经对现有技术的文献检索发现，Tadao Matsunaga等在《Micro Electro MechanicalSystems(MEMS),2010IEEE23rd International Conference on24-28Jan.2010》（“微电子机械系统，2010年1月24日—28日第23届美国电子和电气工程师协会国际会议”，第999-1002页）发表了题为“Electromagnetically driven ulutra-miniaturesingle fiber scanner for high-resolution endoscopy fabricated on cylindricalsubstrates using MEMS process”（“对于通过微加工过程在圆柱形基板上构造高分辨率内窥镜的电磁驱动的超小光纤扫描仪”）的论文，提出了以圆柱型聚酰亚胺管表面为基板，在其上电镀铜金属的方法来实现这些倾斜的线圈，使其绕在细管上构成了一种微型单光纤内窥镜扫描探头，该扫描探头利用了圆柱激光刻蚀的加工工艺，该项工艺比较复杂，并且需要大型曝光设备，操作起来也不方便。如果把金属铜丝直接绕在圆柱型圆管的表面上，则通常仅能缠绕出螺线管形式的线圈，根本无法实现具有较大倾斜角的可靠驱动线圈，这也正是上述文献中不得不采用激光刻蚀和电镀方式在微细圆管表面制造倾斜线圈的主要原因。如何能够利用简便、经济的方式在微细圆管的表面制作可靠、稳定的大角度倾斜驱动线圈，并以此来实现微型单光纤内窥镜扫描探头，一直是人们努力的方向。
因此，本领域的技术人员致力于发明一种能够在微细圆管表面上制作大角度倾斜线圈完成单光纤内窥镜扫描探头的方法，并希望其工艺过程比较简单和便捷，让人们更方便制造这种大范围的单光纤内窥镜扫描探头。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种工艺过程简单、便捷，并能够直接把倾斜式的线圈绕在微细圆管表面上的单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法，解决前述在微细圆管表面利用激光刻蚀和电镀方法制作倾斜线圈时的工艺困难、高成本和复杂程度。
为实现上述目的，本发明利用3D打印机直接打印出带有倾斜凹槽的微细圆管，之后将细铜线缠绕固定在凹槽内，形成表面具有倾斜线圈的整体圆管结构，为单光纤内窥镜扫描探头的实现提供了便利、可靠的途径，由此形成的铜线圈倾斜缠绕在微细圆管的表面上非常牢固，不容易脱落。
根据本发明的一方面，提供一种单光纤内窥镜扫描探头，包括：准直镜、单纤维光纤、永久磁铁、微细圆管、驱动线圈和支柱，其中：准直镜固定在单纤维光纤的一端部；圆柱形的永久磁铁固定在单纤维光纤的中间；单纤维光纤通过支柱固定在微细圆管的中心轴位置；所述的微细圆管为利用3D打印机直接打印而成，且在该微细圆管表面上利用3D打印机打印有倾斜式凹槽，驱动线圈直接绕在微细圆管的凹槽内。
优选地，所述的驱动线圈是铜材料制备的，该线圈的厚度是15-50微米，该铜线圈的宽度是50-100微米，铜线圈可以直接缠绕在凹槽里。
优选地，所述的驱动线圈的倾斜角互相垂直。
优选地，所述的凹槽的深度是5-10微米，3D打印机可以打印出任意需要的凹槽。
优选地，所述的凹槽，其倾斜角度为15-75度，但不限于此角度。
优选地，所述的微细圆管为利用3D打印机直接打印而成，其材料为3D打印所使用的任意非导电材料，该微细圆管的外直径是0.5-2毫米，内直径是0.48-1.9毫米。
根据本发明的另一方面，提供一种单光纤内窥镜扫描探头的制备方法，该方法利用3D打印技术直接打印出带有两个倾斜角互相垂直线圈凹槽的微细圆管；之后利用手工或机械方式在凹槽内缠绕出驱动线圈，并将固定有圆柱形永久磁体的单根纤维光纤利用支柱安装在微细圆管中心轴内。
当在两个倾斜驱动线圈内同时通以交流电时，一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在X轴方向振动，另一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在Y轴方向振动，二者的同时作用将驱动纤维光纤在XOY面内做螺旋振动扫描，从而整体上实现单纤维光纤内窥镜探头的高精度高频率振动扫描和成像。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明以微机电系统加工技术为基础，通过3D打印机直接形成带有倾斜凹槽的微细圆管，这样就可以利用缠绕方式在微细圆管表面形成具有任意倾角的驱动线圈结构，即可以沿着凹槽的方向直接绕驱动线圈，这样驱动线圈就非常稳定的固定在微细圆管的表面上。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例单光纤内窥镜扫描探头的平面结构示意图；
图2是本发明一实施例单光纤内窥镜扫描探头的立体结构示意图；
图3是本发明一实施例中带有准直镜和永久磁铁的单纤维光纤结构示意图；
图4是本发明一实施例中永久磁铁结构示意图；
图5是本发明一实施例中单纤维光纤结构示意图；
图6是本发明一实施例中准直镜的结构示意图；
图7是本发明一实施例中固定单纤维光纤的支柱的结构示意图；
图8是本发明一实施例中微细圆管结构示意图；
图9是本发明一实施例中利用3D打印机打印出的凹槽的结构示意图；
图10是本发明一实施例中倾斜式驱动线圈的结构示意图；
图11是本发明一实施例中倾斜式驱动线圈沿着凹槽放在凹槽的结构示意图；
图12是本发明一实施例中打印有凹槽的微细圆管结构示意图；
图13是本发明一实施例中倾斜式驱动线圈沿着凹槽绕在微细圆管表面的结构示意图；
图中：1为利用3D打印的微细圆管，2为凹槽，3为单纤维光纤，4为准直镜，5为沿X轴方向的倾斜式驱动线圈，6为永久磁铁，7为驱动线圈产生的磁场线，8为沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈，9为支柱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-2所示，本实施例提供一种单光纤内窥镜扫描探头，包括：利用3D打印的微细圆管1、单纤维光纤3、准直镜4、沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5、永久磁铁6、沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8和支柱9。准直镜4固定在单纤维光纤3的一端部，支柱9位于单纤维光纤3的另一端部；圆柱形的永久磁铁6固定在单纤维光纤3的中间；单纤维光纤3通过支柱9固定在微细圆管1的中心轴位置；所述的微细圆管1为利用3D打印机直接打印而成，且在该微细圆管1表面上利用3D打印机打印有倾斜式凹槽，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5、沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8直接绕在微细圆管1的凹槽内，且两驱动线圈倾斜角互相垂直。当一些以一定周期变化的交流电施加在细管外面的沿Y轴方向和沿X轴方向驱动线圈上时，在线圈的周围将会产生变化的磁场，磁场的分布可以用磁场线7表示。
本实施例中，微细圆管1上利用3D打印机打印的倾斜式凹槽2的深度为5-10微米、宽度为70-150微米，凹槽2之间的间隔距离为120-200微米，凹槽2的倾斜角度为15-75度；微细圆管1为一圆柱体，其外部直径为0.5-2毫米、内部直径为0.48-1.9毫米、长度为1.5-10毫米，微细圆管1为由3D打印机可使用的各类非导电材料构成的；沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8均沿着凹槽2的方向直接放在凹槽2里面，并且非常牢固不会滑下来，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8均为由铜材料构成的，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8的倾斜角度为15-75度，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8的宽度为50-100微米、深度为50-100微米，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5之间和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8之间的间距为122-202微米。
如图3所示，为本实施例带有准直镜和永久磁铁的单纤维光纤结构示意图，准直镜4固定在单纤维光纤3的一端部，永久磁铁6固定在单纤维光纤3的中间位置，在光线纤维的另一端部设置有用于固定单纤维光纤3的支柱9。
如图4所示，为本实施例永久磁铁结构示意图，永久磁铁6的材料为各类可使用的永磁材料，永久磁铁2为一圆柱体，其外部直径为0.1-0.9毫米、内部直径为0.08-0.4毫米、长度为0.4-2毫米。
如图5所示，为本实施例单纤维光纤结构示意图，单纤维光纤3为一圆柱体，其直径为0.08-0.4毫米、长度为1.2-8毫米，单纤维光纤3的材料的主要成分为二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，如二氧化锗、五氧化二磷。
如图6所示，为本实施例准直镜的结构示意图，准直镜4为一圆柱体，其高为0.1-0.3毫米、底面直径为0.08-0.4毫米。
如图7所示，为本实施例固定单纤维光纤的支柱的结构示意图，支柱9的外部直径为0.48-1.8毫米、内部直径为0.08-0.4毫米、长度为0.2-1.8毫米，支柱9的材料为聚酰亚胺或其他非导电材料。
如图8所示，为本实施例微细圆管结构示意图，利用3D打印的微细圆管1的长度为1.5-10毫米、内部直径为0.48-1.9毫米、外部直径为0.5-2毫米。
如图9所示，为本实施例利用3D打印机打印出的凹槽的结构示意图，凹槽2横截面为椭圆，凹槽2的倾斜角度为15-75度、深度为5-10微米、宽度为70-150微米。
如图10所示为本实施例中倾斜式驱动线圈的结构示意图，如图11所示为本实施例倾斜式驱动线圈沿着凹槽放在凹槽的结构示意图，如图12所示为本实施例中打印有凹槽的微细圆管的结构示意图，如图13所示为本实施例倾斜式驱动线圈沿着凹槽绕在微细圆管表面的结构示意图，沿X轴方向的倾斜式驱动线圈5和沿Y轴方向的倾斜式驱动线圈8的的材料均为铜或者其他导电材料，其倾斜角度均为15-75度、宽度均为50-100微米、厚度均为50-100微米，凹槽2的倾斜角度为15-75度。
由于单光纤内窥镜扫描探头在人体检查时要放入人体的内部，人体内部空间小，上述采用的各个尺寸尽量要小，以不伤害到人体。
上述实施例中的探头制备：首先利用3D打印技术直接打印出带有两个倾斜角互相垂直线圈凹槽的微细圆管；之后利用手工或机械方式在凹槽内缠绕出驱动线圈，并将固定有圆柱形永久磁体的单根纤维光纤利用支柱安装在微细圆管中心轴内。当在两个倾斜驱动线圈内同时通以交流电时，一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在X轴方向振动，另一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在Y轴方向振动，二者的同时作用将驱动纤维光纤在XOY面内做螺旋振动扫描，从而整体上实现单纤维光纤内窥镜探头的高精度高频率振动扫描和成像。
本发明提供一种工艺过程简单、便捷，并能够直接把倾斜式的线圈绕在微细圆管表面上的方案，利用3D打印机直接打印出带有倾斜凹槽的微细圆管，之后将细铜线缠绕固定在凹槽内，形成表面具有倾斜线圈的整体圆管结构，为单光纤内窥镜扫描探头的实现提供了便利、可靠的途径，由此形成的铜线圈倾斜缠绕在微细圆管的表面上非常牢固，不容易脱落。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，包括：准直镜、单纤维光纤、永久磁铁、微细圆管、驱动线圈和支柱，其中：准直镜固定在单纤维光纤的一端部，支柱位于单纤维光纤的另一端部；圆柱形的永久磁铁固定在单纤维光纤的中间；单纤维光纤通过支柱固定在微细圆管的中心轴位置；所述的微细圆管为利用3D打印机直接打印而成，且在该微细圆管表面上利用3D打印机打印有倾斜式凹槽，驱动线圈直接绕在微细圆管的凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的驱动线圈的倾斜角互相垂直。
3.根据权利要求2所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的驱动线圈是铜材料制备的，该线圈的厚度是15-50微米，该铜线圈的宽度是50-100微米，铜线圈直接缠绕在凹槽里。
4.根据权利要求1所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的凹槽，其倾斜角度为15-75度。
5.根据权利要求4所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的凹槽横截面为椭圆，凹槽的深度为5-10微米、宽度为70-150微米。
6.根据权利要求1所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的微细圆管的外直径为0.5-2毫米、内直径为0.48-1.9毫米。
7.根据权利要求1所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的永久磁铁为一圆柱体，其外部直径为0.1-0.9毫米、内部直径为0.08-0.4毫米、长度为0.4-2毫米。
8.根据权利要求1所述的一种单光纤内窥镜扫描探头，其特征在于，所述的单纤维光纤为一圆柱体，其直径为0.08-0.4毫米、长度为1.2-8毫米；所述的准直镜为一圆柱体，其高为0.1-0.3毫米、底面直径为0.08-0.4毫米。
9.一种权利要求1-8任一项所述的单光纤内窥镜扫描探头的制备方法，其特征在于，该方法利用3D打印技术直接打印出带有两个倾斜角互相垂直的凹槽的微细圆管；之后利用手工或机械方式在凹槽内缠绕出驱动线圈，并将固定有圆柱形永久磁体的单根纤维光纤利用支柱安装在微细圆管中心轴内。
10.根据权利要求9所述的单光纤内窥镜扫描探头的制备方法，其特征在于，当在两个倾斜驱动线圈内同时通以交流电时，一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在X轴方向振动，另一个驱动线圈将驱动永久磁体带动纤维光纤在Y轴方向振动，二者的同时作用将驱动纤维光纤在XOY面内做螺旋振动扫描，从而整体上实现单纤维光纤内窥镜探头的高精度高频率振动扫描和成像。
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| BIN SUN等: "Design and Fabrication of Driving Micorcoil with Large Tilt-Angle for Medical Scanner Application", 《DESIGN, TEST, INTEGRATION AND PACKAGING OF MEMS/MOEMS》, 4 April 2014 (2014-04-04), pages 1 - 6, XP 032746494, DOI: doi:10.1109/DTIP.2014.7056688 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104856634A (zh) * | 2015-04-01 | 2015-08-26 | 上海交通大学 | 一种大扫描角单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法 |
| CN105167734A (zh) * | 2015-09-29 | 2015-12-23 | 上海交通大学 | 一种双磁体单光纤内窥镜扫描探头及其制备方法 |
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|---|---|
| CN103932659B (zh) | 2016-11-02 |
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