用于窄腔成像的集成μLED照明的1.8 mm直径Chip-on-Tip内窥镜

《Sensors》：A 1.8 mm-Diameter Chip-on-Tip Endoscope with Integrated μLED Illumination for Narrow-Cavity Imaging

　　

微电子学的进步推动了内窥镜系统的小型化，使得设备越来越紧凑，同时提升了光学和电子性能。然而，目前最先进的商用内窥镜——通常直径从几毫米到超过1厘米——在进入如输卵管、尿道及其他窄腔等精细解剖结构时仍面临显著限制。在本文中，研究人员介绍了一种基于ams OSRAM（NanEyeM）CMOS图像传感器和单个微型LED（LTW-FC03DCD5）的超紧凑型内窥镜。研究人员实现了1.8 mm的总直径，与人体超窄腔兼容。在光学方面，实现了最小相关色温（CCT）10,343 K和最大显色指数（CRI）73.6。这些数值允许通过形态和血管对比检测小尺寸结构。该光学系统展示了在多个工作距离下分辨高达83 lp/mm的能力，对角线视场角（FOV）为115.0° ± 2.4°，适用于窄解剖腔中常见的工作距离。这项工作代表了首个可直接在内窥镜此前无法进入的人体器官中进行直接视觉成像的原型，有助于医疗专业人员进行临床评估并支持疾病诊断。

**论文解读：集成μLED照明的1.8 mm直径Chip-on-Tip内窥镜用于窄腔成像**

**研究背景与问题**

内窥镜技术已广泛应用于多种医学专科，实现了微创干预，减少了创伤、恢复时间和术后并发症。然而，当前商用内窥镜的直径范围——从经鼻型约2.9 mm到胃肠道内窥镜15 mm，以及腹腔镜5~12 mm、神经外科或鼻内镜2~4 mm——严重限制了其对输卵管、伞-卵巢连接处、尿道等特征直径约1 mm的窄腔和精细解剖结构的访问。这些区域至今仍无法直接进行内窥镜可视化。在妇科领域，这一需求尤为迫切，因为输卵管被认为是卵巢癌的潜在起源部位，而卵巢癌是全球女性癌症死亡的第八大原因。因此，开发能够进入小于2 mm开口的内窥镜对于早期诊断至关重要。现有研究面临的核心挑战包括：在极小直径下实现均匀照明、保持高空间分辨率，以及在超微型腔内实现高速实时视频成像。

**研究内容与结论**

研究人员提出了一个直径为1.8 mm的Chip-on-Tip内窥镜原型，集成了一枚CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器（ams OSRAM NanEyeM）和单个μLED（微型发光二极管，LTW-FC03DCD5），旨在首次实现对窄腔如输卵管的直接可视化成像。该原型采用单轴角摆动机构，可在空心窄器官内扩展视场。实验结果表明，照明系统实现了最小CCT（相关色温）10,343 K和最大CRI（显色指数）73.6，成像系统达到115.0° ± 2.4°的对角线FOV（视场角）和最高83 lp/mm（固定增益）或106 lp/mm（自动增益）的MTF50（调制传递函数50%截止频率）空间分辨率。离体猪生殖道组织验证证实，该原型能成功进入输卵管并获取区分主要解剖区域的形态细节，且尖端温度在全部测试条件下低于43°C。该工作代表了首个用于此前内窥镜无法进入的人体器官直接视觉成像的原型，对妇科疾病诊断具有重要推进意义。论文发表在《Sensors》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：（1）成像核心：ams OSRAM的NanEyeM CMOS图像传感器，尺寸1.0×1.0 mm2，分辨率320×320像素，像素间距2.4 μm；（2）照明光源：Lite-On LTW-FC03DCD5白色μLED，尺寸0.6×0.3×0.2 mm，发射角120°；（3）制造工艺：使用Autodesk Fusion 360设计，基于立体光刻的树脂3D打印（Anycubic Photon Mono 4K）制造支撑结构；（4）偏转机构：单根50 μm直径不锈钢丝驱动，实现单轴双向偏转约60°；（5）柔性封装：采用Inslogic Flexible 70A树脂柔性管，外径2.05 mm，收缩后为1.75 mm；（6）离体验证样本：来自当地屠宰场的雌性猪生殖道组织（完整及分离的输卵管和卵巢）。这些方法共同实现了直径1.8 mm的原型，总插入长度40 cm。

**研究结果**

**3.1. 照明系统**
**3.1.1. SPD、CCT和CRI：** 通过光谱功率分布（SPD）测量，μLED呈现磷光体转换白光LED的典型光谱，峰值约445 nm。相关色温（CCT）在5 mA时为10,343 K，至20 mA时升至11,788 K；显色指数（CRI Ra）在69.5~73.6之间。色度坐标位于冷蓝区域，接近窄带成像（NBI）中血红蛋白吸收带，有利于增强黏膜血管对比度。
**3.1.2. LIV：** 光-电流-电压（LIV）特性显示，输出光功率随电流单调增加，在1.0~7.0 mA区间斜率效率为0.7536 mW/mA，之后出现效率下降；壁插效率（WPE）从0.5 mA时32.6%降至20.0 mA时18.5%。
**3.1.3. 辐照度：** 在5.0~40.0 mm工作距离下，辐照度随电流增加而线性增加，随距离增大而下降约85%。通过Spectralon漫反射标准成像获取的二维辐照度图显示，固定增益下变异系数（CV）在4 mm时为0.40，6 mm时为0.60；自动增益下CV均为0.56，表明自动增益部分补偿了空间非均匀性。

**3.2. 成像系统**
**3.2.1. FOV：** 使用棋盘格靶标测量，系统实现平均对角线FOV 115.0° ± 2.4°，水平93.9° ± 4.5°，垂直97.8° ± 1.0°，与μLED的120°发射角匹配良好。
**3.2.2. MTF：** 采用斜边法（ISO 12233）测量调制传递函数（MTF）。固定增益下MTF50峰值在8 mm工作距离达83.07 lp/mm，4~10 mm范围内均高于72 lp/mm；自动增益下峰值在6 mm达106.40 lp/mm。MTF10在4~10 mm范围内接近传感器奈奎斯特极限（208.33 lp/mm）。

**3.3. 机械性能与安全性**
**3.3.1. 热评估：** 在琼脂基体模上进行表面接触和插入两种配置的温度测量。表面接触下，5 mA和20 mA时稳态温度分别为23.49°C和33.88°C；插入配置下分别为19.10°C和19.97°C，均低于IEC 60601-1规定的43°C安全限值。
**3.3.2. 机械与操控性能：** 尖端接触力测量显示最大力0.0734 N，对应局部压力约86.6 kPa，低于输卵管安全阈值（30 psi/约207 kPa）。牵引力测试表明，完全组装原型在20°偏转时需约0.48 N，仅导线原型需约0.11 N，说明电气布线增加了结构刚度。最大偏转时弯曲半径16.31 mm，偏转角度约60°，满足输卵管导航需求。

**3.4. 离体验证**
在离体猪生殖道组织（完整及分离结构）中，原型成功进入输卵管并获取实时视频（约20 Hz）。自动增益图像显示黏膜结构，但存在过曝和色偏；固定增益下颜色更真实，可见输卵管峡部、壶腹部和漏斗部的黏膜褶皱、血管结构及区域性差异。信号噪声比（SNR）在5 mA驱动电流和120 μs曝光时间时达到最大值34 dB。所有四个样本均成功完成全程插入，未观察到宏观组织损伤。

**讨论与结论**

结果表明，该1.8 mm直径Chip-on-Tip内窥镜原型在照明、成像、机械操控和安全性方面均达到了窄腔成像的基本要求。照明系统的高CCT和蓝光成分有利于血管对比，成像系统提供足够的分辨率和FOV。机械性能符合输卵管导航的曲率和力要求，且热安全性良好。离体验证证实了其获取形态学细节的能力。然而，图像采集参数仍需优化以确保不同腔内条件下的一致性，制造和组装流程有待改进。从原型向临床设备转化还需进行生物相容性评估（ISO 10993）、电气安全测试以及灭菌兼容性验证。该平台可扩展至胆道、泌尿系统或神经外科通路等其他窄腔应用。

**研究结论部分翻译：**
本研究证明了集成CMOS图像传感器和单个μLED的1.8 mm直径芯片尖端式内窥镜原型用于可视化窄解剖腔的可行性。光学系统实现了115.0° ± 2.4°的对角线视场角和83 lp/mm的峰值空间分辨率，能够区分与输卵管探查相关的黏膜特征。照明系统实现了最小相关色温10,343 K和最大显色指数73.6，且在所有测试条件下远端尖端温度均低于43°C。使用猪生殖道组织的离体验证确认该系统能够获取区分主要解剖区域的形态细节。作为首个概念验证原型，这些结果支持了亚2 mm直径芯片尖端式内窥镜在该应用中的可行性。图像采集参数仍需优化以确保不同腔内条件下的一致图像质量，制造和组装流程仍有改进空间。从概念验证向临床可用设备的过渡还需要按照ISO 10993标准进行所有患者接触材料的正式生物相容性评估、包括漏电流评估的电气安全特性测试，以及确认材料与生产前终端灭菌过程的兼容性。尽管为妇科应用而开发，同一平台也可适应其他受窄腔尺寸限制的解剖环境，如胆道、泌尿系统或神经外科通路。