內(nèi)窺鏡診療微型機(jī)器人發(fā)展概述及前景分析

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

(一)線纜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

線纜式微型機(jī)器人內(nèi)窺鏡系統(tǒng)利用可以主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)頭引導(dǎo)進(jìn)入人體腔道，避免了手動(dòng)插入造成的軟組織損傷，其關(guān)鍵技術(shù)在于主動(dòng)引導(dǎo)頭的微小型驅(qū)動(dòng)器的研制。目前體內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人微小型驅(qū)動(dòng)器的類型大致有以下幾種：電磁驅(qū)動(dòng)型、形狀記憶合金型(SMA型)、氣動(dòng)型和壓電型。

1．電磁驅(qū)動(dòng)型。

上海交通大學(xué)研制了一種用于腸道檢查的內(nèi)窺鏡微型機(jī)器人，基于尺蠖運(yùn)動(dòng)原理，驅(qū)動(dòng)器為一種基于電磁力的微小型蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)器， 由頭部、尾部、驅(qū)動(dòng)單元、彈性模等組成，長(zhǎng)64mm，外徑7mm，重9．8g，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的頻率來調(diào)節(jié)其運(yùn)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(jī)器人各個(gè)單元之間由二自由度的鉸鏈連接，使它可以適應(yīng)蜿蜒盤曲的腸道。

2．形狀記憶合金型(SMA型)。

日本東北大學(xué)的江刺研究室研制了一種采用形狀記憶合金(SMA)作為驅(qū)動(dòng)器的自主式醫(yī)用內(nèi)窺鏡，利用MEMS技術(shù)，研制適合于人體管道環(huán)境如結(jié)腸中動(dòng)作的裝置，是一種整支導(dǎo)管可獨(dú)立彎曲的多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)窺鏡，導(dǎo)管直徑為1．2mm，每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器，通過電阻值反饋控制法，可對(duì)導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)自動(dòng)柔順且安全的操作。這種能動(dòng)型內(nèi)窺鏡可平穩(wěn)地插入如S狀結(jié)腸等形狀狹小復(fù)雜彎曲的管腔內(nèi)，能夠攜帶成像照明光學(xué)系統(tǒng)、前端物鏡粘附物清除裝置等自動(dòng)進(jìn)入人體完成體內(nèi)診斷和體內(nèi)微細(xì)手術(shù)等功能，如圖所示。

形狀記憶合金能動(dòng)型內(nèi)窺鏡

3．氣動(dòng)型。

加州理工學(xué)院A。brett Slatkin等以纖維內(nèi)窺鏡為基礎(chǔ)研制了氣壓蠕動(dòng)式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，直徑為14mm，主要由信號(hào)控制引線、氣動(dòng)執(zhí)行器導(dǎo)管和光纖束組成，氣壓動(dòng)力源分為高壓和低壓兩部分，夾嵌和伸縮單元在氣壓的驅(qū)動(dòng)下?lián)尉o腸壁和伸縮，產(chǎn)生類似蚯蚓的蠕動(dòng)。

意大利Mitech實(shí)驗(yàn)室P.Dario與比利時(shí)Leuven大學(xué)的J.Peris等人利用蚯蚓蠕動(dòng)性原理研制了一種腸道內(nèi)窺鏡式機(jī)器人，采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人本體由3個(gè)氣囊驅(qū)動(dòng)器組成，中間的驅(qū)動(dòng)器能夠軸向伸縮，產(chǎn)生軸向推動(dòng)力，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。微機(jī)器人直徑15mm，收縮時(shí)長(zhǎng)42mm，伸脹時(shí)長(zhǎng)80mm，載有CCD微攝像頭，兩個(gè)夾嵌和一個(gè)伸縮執(zhí)行器在氣壓分配器的控制下實(shí)現(xiàn)在腸道中的蠕動(dòng)。機(jī)器人的頭部裝有作業(yè)工具、攝像機(jī)及照明裝置。用來在腸道內(nèi)進(jìn)行檢查及手術(shù)操作，如圖所示。

腸道內(nèi)窺鏡式機(jī)器人

4 壓電驅(qū)動(dòng)型

1995年日本Deson公司研制了基于慣性沖擊式驅(qū)動(dòng)原理的微型機(jī)器人，采用疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。1997年，Denso公司進(jìn)行了改進(jìn)，以四層雙壓電膜驅(qū)動(dòng)器取代疊堆壓電驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由彈性支撐夾、疊堆型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及慣性質(zhì)量塊組成，長(zhǎng)17毫米，直徑8毫米，質(zhì)量1.6克。

（二）無線藥丸式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

無線藥丸式內(nèi)窺鏡又稱膠囊式內(nèi)窺鏡（Capsule Endoscope），它是內(nèi)窺鏡技術(shù)的突破，從整體結(jié)構(gòu)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(jìn)入消化道，實(shí)現(xiàn)了真正的無創(chuàng)診療，同時(shí)嘔可以實(shí)時(shí)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(nèi)窺鏡系統(tǒng)研究方面，國(guó)外已有以色列、日本、德國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家都在投入巨資進(jìn)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(zhǎng)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(nèi)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(guó)FDA認(rèn)證。

病人服用“藥丸”后，可以照常進(jìn)行生活和工作。“藥丸”在體內(nèi)依靠人體腸胃的蠕動(dòng)而通過體內(nèi)，并最終被排出體外，同時(shí)將拍攝到的體內(nèi)情況通過無線方式傳輸出來，并存儲(chǔ)在系在病人腰間的接受裝置里，最終可將圖像下載到計(jì)算機(jī)上顯示，利用專用軟件進(jìn)行處理，以供醫(yī)生參考。目前推出的第三代M2A膠囊內(nèi)窺鏡中的攝像單元的指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到VGA分辨率，速度達(dá)到5幀/秒，功率僅9mw左右，代表了當(dāng)今腸胃道檢查機(jī)器人在攝像技術(shù)方面的最高水平。日本長(zhǎng)野的RF實(shí)驗(yàn)室也研制出一種膠囊式電子“藥丸”--NORIKA3無線內(nèi)窺鏡，如圖所示，直徑9mm，長(zhǎng)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(dá)到30幀/秒，照明裝置為2個(gè)白光LED和2個(gè)紅外LED，所需電力從體外以電磁波的形式輸送，其運(yùn)行速度和方向等均可從體外控制。NORIKA3于2002年春進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并于2003年推向了臨床應(yīng)用。

NORIKA3無線內(nèi)窺鏡

韓國(guó)也研制了MIO膠囊，采用了較高的信號(hào)傳輸帶寬。在國(guó)內(nèi)，重慶金山科技（集團(tuán)）有限公司研究開發(fā)的“醫(yī)用無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱“智能膠囊”）樣機(jī)于2004年初取得成功。該智能膠囊直徑11毫米，長(zhǎng)度2.5mm，囊殼里安裝有全球最先進(jìn)的微機(jī)電（MEMS）技術(shù)設(shè)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(xué)動(dòng)物中心進(jìn)行了香豬動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，已進(jìn)入產(chǎn)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(jī)器人，外徑12mm，長(zhǎng)度3．5mm，整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，體內(nèi)微型檢查機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)本體、體內(nèi)微型檢查機(jī)器人體外接收和處理系統(tǒng)以及體內(nèi)微型檢查機(jī)器人定位與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種數(shù)字信號(hào)腸胃檢查微型機(jī)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(jìn)入人體后緩慢地隨著腸胃運(yùn)動(dòng)遍歷胃腸道，機(jī)器人體內(nèi)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(hào)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(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像觀察處理和診療。
　　
(三)難點(diǎn)問題與前景展望

在當(dāng)今內(nèi)窺鏡診療機(jī)器人被各界熱切關(guān)注的同時(shí)，必須認(rèn)識(shí)到當(dāng)前研究現(xiàn)狀及存在的一些問題。對(duì)于線纜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，電磁驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(nèi)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(fù)溫差必須較小，因而形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的速度較慢。采用氣流驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人外徑不可能太小，而且靠擴(kuò)張方式行走會(huì)引起患者的不適甚至痛苦。采用何種驅(qū)動(dòng)機(jī)理，如何實(shí)現(xiàn)手術(shù)精確定位，是線纜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。難點(diǎn)主要集中在：選擇適合在內(nèi)腔中運(yùn)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)理、不會(huì)造成組織損傷的結(jié)構(gòu)(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(duì)于無線藥丸式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，由于藥丸完全依靠腸胃的自然蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)，無法控制運(yùn)動(dòng)速度和確定運(yùn)行中藥丸的位置，不能對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行仔細(xì)檢查，也有可能造成漏檢。內(nèi)窺鏡診療機(jī)器人的研究開發(fā)，涉及MEMS技術(shù)、通信、材料、傳感器、生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、圖像處理等眾多領(lǐng)域的技術(shù)。其中在四項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)即微型圖像傳感器(CMos或CCD)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、能源技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)方面還有很多工作要做。