Endoskopların Boyut Sınırını Zorlayan 3D Baskı ve Manyetik Tahrik

Geleneksel yöntemlerle üretilen, optik bileşenleri, aktüatörleri ve mekanik yapıları entegre eden sürülebilir endoskoplar, minyatürleştirme yetenekleri açısından sınırlıdır ve genel dış çapları tipik olarak 1 mm'yi aşar. Bu durum, insan vücudundaki en ince kan damarlarına ve dar lümenlere erişimlerinde zorluklar yaratmaktadır.

2025 yılında, Nature'ın kardeş yayını olan Communications Engineering'de yayınlanan bir çalışma, çığır açan bir ilerleme kaydetti. Bugün bu araştırma raporunu yorumlayacağız.

Almanya'daki Stuttgart Üniversitesi ve diğer kurumların ortaklaşa yürüttüğü bu çalışma, oldukça kompakt, manyetik olarak sürülebilen 3B baskılı endoskopik bir mikro-sistem önerdi ve doğruladı. Temelinde, iki-foton polimerizasyon 3B baskı teknolojisi ve manyetik tahrikin birleşimi yer alıyor; bu da optik, mekanik ve mikroakışkan yapılara sahip eksiksiz bir mikro-sistemin, görüntüleme fiber demetinin uç yüzüne doğrudan tek adımda entegre üretimini sağlıyor.

Bu yeni teknolojinin çalışma şekli anlaşılması zor olabilir ve ilk kilit nokta "tek adımlı entegre üretim" ifadesinde yatmaktadır. Geleneksel yöntemler, mikro lensler, mikro yaylar ve mikro mıknatıslar gibi mikro bileşenleri ayrı ayrı üretmeyi, ardından bunları bir mikroskop altında mikro cerrahi ameliyatı yapıyormuş gibi monte etmeyi içerir - bu son derece zor ve hataya açık bir süreçtir. Buna karşılık, bu yeni teknoloji "tek seferlik baskı, integral oluşum"u gerçekleştirir: tüm bileşenler birbirine bağlı bir bütün olarak yazdırılır, doğası gereği tek bir birimdir, böylece kabus gibi mikro montaj adımlarını tamamen ortadan kaldırır.

Zahmetli mikro-montaj sürecini ortadan kaldırarak, karmaşık ve hassas mikro-optik sistemler 3B baskı yoluyla tek adımda üretiliyor.

Sistemde elektromanyetik mikro bobinler entegre edilmiştir ve elektrik akımıyla kontrol edilen manyetik alan, mikro yapıya gömülü polimer bağlı mıknatısları harekete geçirerek optik bileşenlerin hassas hareketini sağlar.

Gösterilen tüm sistemlerin genel çapı 900 mikrometrenin (0,9 mm) altında başarıyla kontrol edilmiş olup, en kompakt döner tahrik sistemi yalnızca yaklaşık 660 mikrometre çapında ölçülerek, sürülebilir endoskopik cihazlarda dikkate değer bir minyatürleştirme gerçekleştirilmiştir.

Araştırma ekibi, endoskoplara sırasıyla yakınlaştırma, yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve panoramik görüntüleme yetenekleri kazandıran, farklı işlevlere sahip üç manyetik olarak çalıştırılabilir mikro sistem sergiledi.

Prensip: Bir mikro lens, üç helisel yay tarafından desteklenir ve eksenel olarak manyetize edilmiş bir polimer mıknatısa gömülür. Enerji verildiğinde, elektromanyetik bobin tarafından üretilen manyetik alan, mıknatısı ve lensi optik eksen boyunca hareket ettirmek için iter.

İşlev: Lensin ileri ve geri hareketi, yakınlaştırmayı sağlamak için odak uzaklığını değiştirir (deneylerde yaklaşık 1.3 kat yakınlaştırma oranı elde edildi) ve ayrıca tüm endoskopu hareket ettirmeden farklı nesne mesafelerinde yeniden odaklama için de kullanılabilir.

Boyutlar: Mikro sistemin kendisi 500 mikrometre çapa sahiptir ve 500 mikrometre optik fiber üzerine entegre edilmiştir, toplam çapı yaklaşık 810 mikrometredir.

Prensip: Özel olarak tasarlanmış esnek bir menteşe (örneğin, dört paralel yaprak yay) mikro lensin manyetik alan etkisi altında hassas yanal öteleme yapmasını sağlar.

İşlev: Yanal hareket, görüntüleme optik yolunda hafif bir kaymaya neden olarak aynı nesnenin hafifçe farklı konumlandırılmış birden çok görüntüsünün elde edilmesini sağlar. Bu görüntüler algoritmalar aracılığıyla birleştirilerek, görüntüleme fiber demetlerinin doğasında bulunan "petek benzeri" pikselleşme sorunu etkili bir şekilde aşılabilir ve görüntü çözünürlüğü önemli ölçüde iyileştirilebilir. Deneyler, yeniden yapılandırılan görüntülerin orijinalde ayırt edilemeyen saçakları net bir şekilde ayırt edebildiğini kanıtlamıştır.

Boyutlar: Genel çap da yaklaşık 810 mikrometredir.

Prensip: Eksantrik bir polimer mıknatısa sahip bir mikro prizma, iki burulma çubuğu aracılığıyla monte edilmiştir. Eksenel bir manyetik alan, mıknatısı sürerek prizmanın kendi ekseni etrafında dönmesine neden olur (deneylerde yaklaşık -6,9° ila +9,0° dönme açısı ölçülmüştür).

İşlev: Prizmanın dönmesi, optik yolun yönünü değiştirerek gözlemlenen görüş alanını çevirir ve genişletir. Bu, klinisyenlerin endoskopun kendisini hareket ettirmeden yan alanları görmelerini sağlayarak dar alanlarda durumsal farkındalığı artırır.

Boyutlar: 350 mikrometre optik fiber üzerine basılan sistemin toplam çapı yalnızca yaklaşık 660 mikrometredir, bu da onu üçü arasında en kompakt hale getirir.

Bu çalışma, sürülebilir endoskopların minyatürleştirilmesinde önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. En son mikro/nano 3D baskı teknolojisini ustaca bir manyetik tahrik tasarımıyla birleştirerek, kalp kan damarları, sinir sistemi ve pediatrik uygulamalar gibi son derece dar alanlarda gelecekteki ultra hassas minimal invaziv cerrahi ve teşhis için yepyeni bir teknik yol açmaktadır. Bir endoskopun "gözü" sadece "görememekle" kalmayıp aynı zamanda "yakınlaştırabilir", "etrafında dönebilir" ve daha net görebilirse, minimal invaziv tıbbın sınırları bir kez daha genişleyecektir.

Atıf Kaynağı:

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. ve diğerleri. Manyetik olarak çalıştırılabilen 3B basılı endoskopik mikro sistemler. Commun Eng 4, 69 (2025).https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8