洛馬琳達(dá)大學(xué)利用3D打印技術(shù)和拓竹X1C開發(fā)低成本高性能雙目間接檢眼鏡

2025年5月19日，南極熊獲悉，美國加州洛馬琳達(dá)大學(xué)眼科系的一組研究人員利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一款低成本且高性能的雙目間接檢眼鏡（BIO）。該設(shè)備采用了拓竹消費(fèi)級3D打印機(jī)、CAD軟件，以及現(xiàn)成的電子和光學(xué)元件，旨在通過精簡設(shè)計來降低儀器的尺寸和成本。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《眼科雜志》，題目為“低成本3D打印雙目間接檢眼鏡”（傳送門）

3D打印眼科設(shè)備研發(fā)背景

雙目間接檢眼鏡廣泛應(yīng)用于視網(wǎng)膜疾病的診斷與治療。然而，市售BIO儀器普遍體積龐大且價格昂貴（約為售價4423美元）。近年來，隨著3D打印與CAD技術(shù)的普及和成本下降，研究團(tuán)隊決定采用這些手段，制造出一款緊湊、低成本的BIO設(shè)備。

研究人員使用Autodesk Fusion 360進(jìn)行BIO各部件的3D建模設(shè)計，并借助OrcaSlicer準(zhǔn)備3D打印所需的切片文件。他們指出之所以選擇OrcaSlicer而非Bambu Slicer，主要是因為前者在校準(zhǔn)功能和燈絲配置方面提供了更多可調(diào)選項，更適合高精度打印需求。

△雙目間接檢眼鏡的3D打印組件

BIO的光學(xué)元件外殼、鏡腿和鏡框均采用ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯） 材料3D打印，具備出色的耐候性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。用于儀器充電燈窗口的部分則選用了 PETG（聚對苯二甲酸乙二醇酯），具有良好的透光性與機(jī)械強(qiáng)度。而目鏡、充電蓋、LED燈座及鼻托墊圈則采用TPU（熱塑性聚氨酯） 材料，兼具柔韌性與舒適性。所有非3D打印部件皆可通過電商平臺購買獲得。

盡管3D打印相較傳統(tǒng)制造工藝更具成本效益，研究團(tuán)隊所采用的拓竹Lab X1-Carbon打印機(jī)（售價1449美元）以及支持的高性能材料，仍然在一定程度上影響了項目的可及性。在這個方案中，團(tuán)隊列出了完整的成本構(gòu)成：包括X1-Carbon在內(nèi)，整個BIO系統(tǒng)的工具總投入為1707美元，加上必要零部件成本182美元，總計1889美元（約合1.3萬人民幣），相比市售的雙目間接檢眼鏡節(jié)省約2533 美元（約合1.8萬人民幣）。

另外，研究人員還補(bǔ)充指出，在資源極度匱乏的環(huán)境中，可選用售價僅為349美元的拓竹A1 Mini搭配PLA材料來制造雙目間接檢眼鏡。不過，這種價格更低廉的解決方案在耐用性方面會有所欠缺。

△3D打印雙目間接檢眼鏡的硬件、電子和光學(xué)元件

對比傳統(tǒng)設(shè)備3D打印性能更佳

研究人員表示，具有一定電子基礎(chǔ)的眼科醫(yī)生通�？稍�5小時內(nèi)完成所有3D打印部件的制作，并在使用烙鐵與基礎(chǔ)手工工具的情況下，可在2至4小時內(nèi)完成組裝工作。

這款3D打印BIO眼鏡集成了一套可調(diào)光學(xué)系統(tǒng)，具體包括：
●可更換目鏡插槽：支持插入不同度數(shù)的鏡片（如+2D），用于矯正患者屈光不正；
●雙眼獨(dú)立可調(diào)鏡片：每只眼睛前方設(shè)有可移動鏡片，以適應(yīng)不同的瞳距需求；
●中央滑動鏡片結(jié)構(gòu)：可前后移動，用于調(diào)節(jié)雙眼視差，實(shí)現(xiàn)良好的立體視覺體驗（深度感知）。

△3D打印雙目間接檢眼鏡（左）、Keeler Spectra（中）和通用頭帶式檢眼鏡（右）的尺寸比較

該3D打印眼鏡式BIO眼鏡的一大亮點(diǎn)是電池被集成在鏡框中，使它更加緊湊易用。研究人員將鏡腿設(shè)計成不同的形狀和尺寸，以適應(yīng)各種頭型和臉型，鼻托也可調(diào)節(jié)。

照明系統(tǒng)由一個5毫米暖白光LED、可變光圈和平凸透鏡組成，共同形成一個可向下傾斜0至10°的圓形聚光燈。尺寸可在2至6.5厘米之間調(diào)節(jié)。通過脈沖寬度調(diào)制板和調(diào)光旋鈕，用戶可以控制燈光強(qiáng)度。系統(tǒng)由一個400mAh的鋰電池供電，電池通過USB-C端口充電。

為了確保符合安全標(biāo)準(zhǔn)，團(tuán)隊使用光譜儀測量并評估了這款設(shè)備的光學(xué)安全性。他們報告指出，該設(shè)備獲得的視網(wǎng)膜圖像質(zhì)量與市面上的間接成像設(shè)備相當(dāng)。此外，由于頂點(diǎn)距離較短，視野也比市面上的其它眼鏡式BIO設(shè)備略大。

△3D打印雙目間接檢眼鏡的特點(diǎn)

開源3D打印和數(shù)字解決方案使得科技更加進(jìn)步

這款3D打印的BIO最初是為臨床用途設(shè)計的，但它的舒適性以及無線的設(shè)計特點(diǎn)使它成為執(zhí)行鞏膜扣帶術(shù)或脈絡(luò)膜活檢手術(shù)的理想選擇之一。研究團(tuán)隊期望，通過將所有部件上傳至網(wǎng)絡(luò)，其他眼科醫(yī)生能夠自行制作3D打印的BIO，并且能夠?qū)υ�始設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。例如，集成無線視頻錄制功能或內(nèi)置藍(lán)光濾光片，可進(jìn)一步提升這款設(shè)備的實(shí)用性。

研究人員總結(jié)道：“利用3D打印機(jī)和CAD軟件通過迭代過程能夠快速實(shí)現(xiàn)原型設(shè)計，且它們的成本正變得越來越經(jīng)濟(jì)，使用也越來越便捷。我們相信，3D打印技術(shù)將有助于改進(jìn)現(xiàn)有眼科設(shè)備，如BIO，并促進(jìn)新型眼科設(shè)備的開發(fā)。”

最后團(tuán)隊強(qiáng)調(diào)，他們開發(fā)的3D打印BIO符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的間接檢眼鏡標(biāo)準(zhǔn)，并滿足美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會對眼科儀器的光危害防護(hù)要求。