淺析內窺鏡診療微型機器人發(fā)展概述及前景

醫(yī)療機器人是近幾年在多學科交叉領域中興起，并越來越受到關注的機器人應用前沿研究課題之一。醫(yī)療機器人將機器人技術應用到醫(yī)療領域，極大的推動了現(xiàn)代醫(yī)療技術的發(fā)展，近年來隨著MEMS(微電子機械系統(tǒng))的發(fā)展，大大促進了醫(yī)療機器人的微型化，可用于人體內診斷和治療的微型機器人的研究越來越受到重視。內窺鏡是當前體內診療的主要工具，線纜式微型機器人內窺鏡系統(tǒng)和無線藥丸式微型機器人內窺鏡系統(tǒng)是腸胃道微創(chuàng)診療發(fā)展的兩個最主要方向。文章介紹依據驅動類型劃分的具代表性的線纜式內窺鏡診療機器人和無線藥丸式內窺鏡系統(tǒng)的研制情況，分析內窺鏡診療微型機器人的相關技術難題和發(fā)展趨勢。

(一)線纜式內窺鏡系統(tǒng)

線纜式微型機器人內窺鏡系統(tǒng)利用可以主動運動的引導頭引導進入人體腔道，避免了手動插入造成的軟組織損傷，其關鍵技術在于主動引導頭的微小型驅動器的研制。目前體內醫(yī)療機器人微小型驅動器的類型大致有以下幾種：電磁驅動型、形狀記憶合金型(SMA型)、氣動型和壓電型。

1．電磁驅動型。

上海交通大學研制了一種用于腸道檢查的內窺鏡微型機器人，基于尺蠖運動原理，驅動器為一種基于電磁力的微小型蠕動驅動器， 由頭部、尾部、驅動單元、彈性模等組成，長64mm，外徑7mm，重9．8g，通過調整驅動電壓的頻率來調節(jié)其運行速度，頭部可攜帶CCD等微型攝像器件，將腸道的圖像傳輸出來。機器人各個單元之間由二自由度的鉸鏈連接，使它可以適應蜿蜒盤曲的腸道。

2．形狀記憶合金型(SMA型)。

日本東北大學的江刺研究室研制了一種采用形狀記憶合金(SMA)作為驅動器的自主式醫(yī)用內窺鏡，利用MEMS技術，研制適合于人體管道環(huán)境如結腸中動作的裝置，是一種整支導管可獨立彎曲的多關節(jié)驅動的內窺鏡，導管直徑為1．2mm，每個關節(jié)的驅動器采用形狀記憶合金驅動器，通過電阻值反饋控制法，可對導管實現(xiàn)自動柔順且安全的操作。這種能動型內窺鏡可平穩(wěn)地插入如S狀結腸等形狀狹小復雜彎曲的管腔內，能夠攜帶成像照明光學系統(tǒng)、前端物鏡粘附物清除裝置等自動進入人體完成體內診斷和體內微細手術等功能，如圖所示。
 
形狀記憶合金能動型內窺鏡

3．氣動型。加州理工學院A。brett Slatkin等以纖維內窺鏡為基礎研制了氣壓蠕動式內窺鏡系統(tǒng)，直徑為14mm，主要由信號控制引線、氣動執(zhí)行器導管和光纖束組成，氣壓動力源分為高壓和低壓兩部分，夾嵌和伸縮單元在氣壓的驅動下?lián)尉o腸壁和伸縮，產生類似蚯蚓的蠕動。

意大利Mitech實驗室P.Dario與比利時Leuven大學的J.Peris等人利用蚯蚓蠕動性原理研制了一種腸道內窺鏡式機器人，采用壓縮空氣驅動，機器人本體由3個氣囊驅動器組成，中間的驅動器能夠軸向伸縮，產生軸向推動力，推動機器人前進。微機器人直徑15mm，收縮時長42mm，伸脹時長80mm，載有CCD微攝像頭，兩個夾嵌和一個伸縮執(zhí)行器在氣壓分配器的控制下實現(xiàn)在腸道中的蠕動。機器人的頭部裝有作業(yè)工具、攝像機及照明裝置。用來在腸道內進行檢查及手術操作，如圖所示。
 
腸道內窺鏡式機器人

4 壓電驅動型

1995年日本Deson公司研制了基于慣性沖擊式驅動原理的微型機器人，采用疊堆型壓電陶瓷驅動器。1997年，Denso公司進行了改進，以四層雙壓電膜驅動器取代疊堆壓電驅動器。驅動機構由彈性支撐夾、疊堆型壓電陶瓷驅動器及慣性質量塊組成，長17毫米，直徑8毫米，質量1.6克。

（二）無線藥丸式內窺鏡系統(tǒng)

無線藥丸式內窺鏡又稱膠囊式內窺鏡（Capsule Endoscope），它是內窺鏡技術的突破，從整體結構上以藥丸式取代了傳統(tǒng)的線纜插入式，可以吞服的方式進入消化道，實現(xiàn)了真正的無創(chuàng)診療，同時嘔可以實時觀察病人消化道圖象，大大拓展了全消化道檢查的范圍和視野。在無線內窺鏡系統(tǒng)研究方面，國外已有以色列、日本、德國、法國、韓國等國家都在投入巨資進行研發(fā)。最著名的就是以色列Given Imagimg公司2001年5月推出的一種稱為M2A的無線電子藥丸（無線腸胃檢查藥丸），直徑11毫米，長26毫米，重3.7克，視野140度，放大倍率1:8，最小分辨率小于0.1毫米。內部包括微型CMOS圖像傳感器，專用無線通訊芯片，照明白光LED，氧化銀電池等，如圖所示。已于2001年8月獲得美國FDA認證。
 
以色列M2A無線內窺鏡

病人服用“藥丸”后，可以照常進行生活和工作。“藥丸”在體內依靠人體腸胃的蠕動而通過體內，并最終被排出體外，同時將拍攝到的體內情況通過無線方式傳輸出來，并存儲在系在病人腰間的接受裝置里，最終可將圖像下載到計算機上顯示，利用專用軟件進行處理，以供醫(yī)生參考。目前推出的第三代M2A膠囊內窺鏡中的攝像單元的指標已經達到VGA分辨率，速度達到5幀/秒，功率僅9mw左右，代表了當今腸胃道檢查機器人在攝像技術方面的最高水平。日本長野的RF實驗室也研制出一種膠囊式電子“藥丸”--NORIKA3無線內窺鏡，如圖所示，直徑9mm，長度為23mm，采用1/6英寸410000像素微型CCD圖像傳感器，圖像傳輸速率達到30幀/秒，照明裝置為2個白光LED和2個紅外LED，所需電力從體外以電磁波的形式輸送，其運行速度和方向等均可從體外控制。NORIKA3于2002年春進入臨床試驗階段，并于2003年推向了臨床應用。
 
NORIKA3無線內窺鏡

韓國也研制了MIO膠囊，采用了較高的信號傳輸帶寬。在國內，重慶金山科技（集團）有限公司研究開發(fā)的“醫(yī)用無線內窺鏡系統(tǒng)”（簡稱“智能膠囊”）樣機于2004年初取得成功。該智能膠囊直徑11毫米，長度2.5mm，囊殼里安裝有全球最先進的微機電（MEMS）技術設備和微型攝像頭，專用于腸胃道病變檢查。該智能膠囊已在重慶醫(yī)科大學動物中心進行了香豬動物實驗，已進入產業(yè)化研發(fā)階段。中科院合肥智能所)研制了一種無線膠囊腸胃檢查機器人，外徑12mm，長度3．5mm，整個系統(tǒng)由三個部分組成，體內微型檢查機器人實驗樣機本體、體內微型檢查機器人體外接收和處理系統(tǒng)以及體內微型檢查機器人定位與驅動控制系統(tǒng)，是一種數(shù)字信號腸胃檢查微型機器人，包括微型圖像傳感器模塊、核心微處理器模塊、微型無線射頻發(fā)射模塊和能源模塊。無線膠囊進入人體后緩慢地隨著腸胃運動遍歷胃腸道，機器人體內攜帶的微型攝像單元以約5秒／幀的速度拍攝腔道影像，并通過微型無線發(fā)射模塊以射頻信號的形式傳送至體外接收裝置，工作人員可以在接收裝置上進行醫(yī)學圖像觀察處理和診療。

(三)難點問題與前景展望

在當今內窺鏡診療機器人被各界熱切關注的同時，必須認識到當前研究現(xiàn)狀及存在的一些問題。對于線纜式內窺鏡系統(tǒng)，電磁驅動型結構簡單，控制方便且靈活，但存在系統(tǒng)發(fā)熱問題。由于人體腸道內的溫度較高且不能承受太高的溫度，形狀記憶合金的變形與回復溫差必須較小，因而形狀記憶合金驅動的速度較慢。采用氣流驅動方式的機器人外徑不可能太小，而且靠擴張方式行走會引起患者的不適甚至痛苦。采用何種驅動機理，如何實現(xiàn)手術精確定位，是線纜式內窺鏡系統(tǒng)研究的重點和難點。難點主要集中在：選擇適合在內腔中運動的一種驅動機理、不會造成組織損傷的結構(材料、尺寸、重量等)，以及微系統(tǒng)的可操作性，并且需要解決系統(tǒng)發(fā)熱問題。對于無線藥丸式內窺鏡系統(tǒng)，由于藥丸完全依靠腸胃的自然蠕動驅動，無法控制運動速度和確定運行中藥丸的位置，不能對重點部位進行仔細檢查，也有可能造成漏檢。內窺鏡診療機器人的研究開發(fā)，涉及MEMS技術、通信、材料、傳感器、生物醫(yī)學、計算機、圖像處理等眾多領域的技術。其中在四項關鍵性技術即微型圖像傳感器(CMos或CCD)技術、無線通訊技術、能源技術以及驅動與控制技術方面還有很多工作要做。