尖端芯片内窥镜检查技术依赖于微型传感器，照明和透镜。市场压力驱使这些关键医疗设备缩小直径和降低成本，同时保持（如果不增加）功能。满足这些需求需要有独创性的工程和制造技术。
 
尖端芯片技术通过实现微创成像，极大地改善了医疗服务。术语“尖端芯片”通常是指将成像传感器放置在设备（例如内窥镜）的远端上，可以将其插入体内以向医疗保健提供者提供内部器官的图像。传感器，LED，透镜，成型，数据传输和密封技术的进步，尤其是尺寸和成本的显着降低，使得尖端芯片技术可以扩展到新的领域和产品领域。
 





整形外科医生使用内窥镜修复士兵撕裂的ACL
 
图像传感器和贴片技术

图像传感器将接收到的光转换为电信号，并且通常基于电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。CCD传感器是最早在数字摄影和内窥镜成像中使用的传感器。随着制造方法的改进以允许制造可与CCD图像质量匹敌的设备，CMOS传感器变得越来越流行。CMOS传感器的较低功耗也使其对手机行业具有吸引力，从而推动了尺寸的进一步减小。现在可行的是在内窥镜的远端容纳一个启用CMOS传感器的相机。 

发光二极管

发光二极管（LED）是尖端芯片技术的另一项成就。多年来，LED已发展为提供明亮的白光，使其可用于一般照明应用。现在可以将微型LED照明源与CMOS摄像头一起放置在内窥镜尖端上，这消除了传统上用于将照明从固定设备传输到示波器尖端的光纤。这些微小的表面贴装技术（SMT）LED当前可从0201封装尺寸（0.02英寸x 0.01英寸）购买。





CMOS摄像头和微型0201 SMT LED使导管尺寸减小
 
微型镜头

镜头是尖端芯片内窥镜系统的另一个关键方面。有多种透镜技术，包括基于毛玻璃元件，塑料元件和渐变折射率（GRIN）透镜的系统。镜头系统需要精心设计才能实现应用所需的属性，例如视角，焦距和其他因素。用于尖端芯片内窥镜的透镜系统通常包括多个元件，因此在尺寸配置上需要一定的精度。在组装到内窥镜尖端期间以及从物镜到图像传感器的整个路径上，可能需要对镜头叠进行调整，但必须将其密封，以防止流体进入光路。

克服进一步小型化的工程挑战

为了设计和构建实用的尖端芯片设备，需要将摄像头和LED机械安装在尖端内。在医用内窥镜的情况下，通常需要使尖端的周长尽可能小。这意味着尖端将具有非常小的特征和薄壁。





内窥镜设备。图片由美国国家癌症研究所提供。
 
对于一次性内窥镜，该零件通常由注塑塑料制成，这使用户能够以低成本方式创建复杂的形状。但是，如此小的注塑件需要专门的微模塑技术和实践。

微成型技术

微型成型是塑料注射成型行业的一个特殊领域，专用于成型非常小和/或非常细致的零件。成功的微成型从零件设计到工具设计，再到适当的成型设备和加工参数开始。

常规模塑工艺和设备的属性具有局限性，可能会导致无法有效模塑微型零件。大桶尺寸会在材料停留时间上造成问题。对于使用大型设备的小尺寸镜头，无法以所需的精度管理小尺寸镜头，这会导致短镜头或因包装过多而产生闪光。

零件设计可以决定模具的构造。对于精细的微型零件，制造它们的工具最终也具有微型特征。如果零件设计者在零件设计中没有同时考虑模具的构造和模具的坚固性，那么最终产品将是很难或不可能有效加工的零件。没有精心的设计和稳健的设计检查实践，就有可能创建零件细节，使其在最终零件中完美发挥作用，但会导致较差的模具坚固性或结构复杂性。这可能导致使零件更难甚至无法生产。

数据传输与完整性

另一个挑战是成功地将视频图像从顶部芯片传感器传送到显示/数据捕获设备。图像传感器具有用于数据输出的各种模拟和数字格式，并且某些传感器比其他传感器更敏感。从图像传感器移动到其目的地的数据容易受到来自内部（例如电源）和外部（即周围环境）电噪声源的破坏或失真。保持信号完整性始于驱动LED的电路设计。

出于多种原因，脉冲宽度调制（PWM）是驱动LED的一种实用方法。通过采用PWM，可以改变脉冲大小和持续时间以采用可变强度（即，调光）功能。PWM还可以以高于最大连续电流的峰值电流驱动LED，以实现更高的流明输出。





模拟信号与PWM信号 图片来源：Cyril BUTTAY（CC BY-SA 3.0）
 
但是，PWM电路会产生明显的电噪声，而纯直流电路则不会。这并不排除以PWM方式驱动尖端芯片技术中的LED，但必须通过知识丰富的屏蔽技术和导体设计应用来减轻潜在的影响。微型同轴电缆和采用屏蔽层模拟同轴电缆屏蔽层的柔性电路可以在极小的尖端芯片设计中实现适当的屏蔽。

当从传感器到显示器或存储设备的距离增加时，保持信号完整性的挑战会加剧，从而降低信号强度并增加干扰机会。这些情况下的解决方案包括放大器电路和低损耗导体。

使用镀银线可降低导体电阻，最多可增加4％。使用低损耗导体成为增加导体尺寸到可用空间限制的一种折衷。可以使用其他几何形状创建解决方案，以利用可用空间。两个示例包括采用扁平线并将导体直接印刷到外壳和套管上。

环保

当然，互连需要进行环境密封，以防止短路和暴露于流体的其他影响。在医疗应用中，这通常表示盐溶液，体液和其他物质。通过为要使用的密封系统提供适当的功能，成功的密封在设计阶段就开始了。例如，这可能意味着包括设计用来容纳和容纳灌封化合物的孔。

使用正确选择的灌封料是密封这种规模物品的最实用方法之一。例如，使用垫圈的机械密封系统会增加微型组件的数量，并使正确的组装更加复杂。选择合适的灌封料时，要考虑几个因素。

灌封材料有几种不同的化学性质。单件式化学药品通常设计为使用热或紫外线或在室温下随时间推移快速固化。室温固化材料的粘度会随时间而变化，这增加了工艺的可变性和适用期（即，灌封材料在部分凝固和不可使用之前的有效处理时间）也影响了密封过程的成本和可变性。

治愈时间可能会延长数十小时，还会带来其他并发症。在这些情况下，必须仔细固定子组件，以防止其在固化过程中移动或移位。但是，这种方法导致高产量风险，空间利用效率低下，处理困难以及大量在制品（WIP）延迟。UV固化材料非常快地固化，通常在几秒钟内即可完成，但要求整个分配的材料都可以暴露在UV光源下，并且不能位于阴影区域。这样，UV材料通常是半透明的。然而，当试图阻挡图像传感器的区域免受外界光的影响时，半透明材料会表现出明显的局限性。

还需要超越灌封过程的环境保护。例如，尖端芯片内窥镜中的图像传感器，LED和电子设备需要可靠地承受医疗灭菌和卫生过程。这可能包括高压灭菌器，环氧乙烷，戊二醛，汽化过氧化氢，辐射和碘的高热量和高水分。在辐射灭菌的情况下，必须谨慎考虑暴露于电子束和伽马辐射的影响，因为许多电子组件不兼容。此外，电离辐射会对某些材料，尤其是聚合物的性能产生负面影响，因此设计人员在选择尖端塑料芯片医疗设备的材料时必须考虑这一因素。

尖端医疗芯片技术的未来

尽管如今有非常小的图像传感器可用，但目前正在开发更小的传感器尺寸，以满足不断增长的尺寸和重量要求。尽管我们已开始接近硅制造技术的实际极限，但制造方法的改进目前仍在继续。制造过程和设备体系结构的结合决定了微处理器的大小和速度，并且在CMOS图像传感器中，也极大地影响了图像质量。

随着传感器尺寸的不断缩小，它们的应用将扩展到更小的医疗设备中，进一步减小尺寸将继续增加与它们的端接和包装相关的挑战。微终止方法的技能和经验对于开发微创针尖芯片医疗镜必不可少，这种医疗镜必须足够小以进入血管和之前通过腹腔镜和其他微创手段无法到达的身体其他区域。
 
【摘自Bishop杂志，作者：Mike Anderson，October 1, 2019】 查看全部