主被動(dòng)式腸道微型機(jī)器人研究進(jìn)展*

遲明路，劉榮升※，鄭華棟，周燕飛，王元利，任沁超，錢曉艷，任瑞華

（1.河南工學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)，鄭州 450002；3.河南輕工職業(yè)學(xué)院，鄭州 450002；4.江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司，江蘇蘇州 215121）

0 引言

消化道疾病歷來是人類的高發(fā)病癥，胃腸道疾病，特別是位于小腸和結(jié)腸部分的疾病，對(duì)人類健康帶來了較大危害。集機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)成像技術(shù)的無線微型膠囊機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱“膠囊”）的出現(xiàn)是消化道疾病診療領(lǐng)域的重大突破，完全避免了傳統(tǒng)生硬插管檢查的痛苦，相比傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡，膠囊提供了一種全新的無創(chuàng)解決方案［1－3］。醫(yī)生通過攝像頭無線傳輸圖片獲得病變組織信息，進(jìn)行腸道疾病診斷，改變了現(xiàn)有醫(yī)療模式，為體內(nèi)消化道診察提供了嶄新的無創(chuàng)、無痛、診療手段，具有廣闊的應(yīng)用前景［4］。

目前，國內(nèi)外主要有兩種膠囊：被動(dòng)膠囊與主動(dòng)膠囊。已經(jīng)商業(yè)化使用的被動(dòng)膠囊主要依靠攝像頭傳輸進(jìn)行診斷，主要運(yùn)動(dòng)形式為依靠人體自身胃腸道的蠕動(dòng)力［5］，配合膠囊的自身重力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外醫(yī)院的胃腸道消化科。雖然相比于主動(dòng)膠囊，被動(dòng)膠囊無法主動(dòng)靠近或離開胃腸道內(nèi)部病患檢查區(qū)域，但仍以其原理簡(jiǎn)單、操作方便和成本較低的特點(diǎn)，備受胃腸醫(yī)療消費(fèi)市場(chǎng)青睞［6］。

另一種主動(dòng)膠囊正成為現(xiàn)階段研究人員的熱點(diǎn)探索領(lǐng)域，主動(dòng)膠囊具有行走方向、位置、速度可控的特點(diǎn)，能夠與操作醫(yī)師緊密互動(dòng)，操作反饋實(shí)時(shí)性好、定向診治靈活［7］。能夠有效提高診療效率，減少非病患區(qū)照片拍攝數(shù)量，降低漏檢率。最重要的是搭載了靶向施藥與微型手術(shù)的主動(dòng)膠囊，可以輕松應(yīng)對(duì)消化道內(nèi)部的病變分析和息肉取樣等操作，具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。本文分別介紹這兩種膠囊的研究進(jìn)展情況。

1 被動(dòng)膠囊機(jī)器人

被動(dòng)膠囊最初是由傳統(tǒng)的插管式內(nèi)窺鏡發(fā)展而來，歷經(jīng)直管內(nèi)窺鏡、半可屈式內(nèi)窺鏡、軟式光纖內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡、膠囊機(jī)器人5個(gè)階段。由于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡采用從人體口腔或肛門直插人體的方式，令患者苦不堪言、十分畏懼。而通過口服膠囊的方式進(jìn)入人體，能有效避免直插內(nèi)臟對(duì)人體造成的軟組織身體損傷和心理傷害，且操作簡(jiǎn)單、無痛，因此，各類型的被動(dòng)膠囊應(yīng)運(yùn)而生。國內(nèi)外常見的被動(dòng)膠囊利用人體消化道的蠕動(dòng)推力向下運(yùn)動(dòng)［8］，依靠無線收發(fā)系統(tǒng)傳輸拍攝圖像，如無其他特殊控制操作，可大量節(jié)約電能消耗，能夠維持長(zhǎng)時(shí)間工作。

以色列Given Imaging公司在2003年推出了PillCam口服無線膠囊，獲得了當(dāng)年美國食品與藥品管理機(jī)構(gòu)（FDA）的許可，該膠囊專為10～18歲年齡段的青少年開發(fā)，用于治療小腸疾病。膠囊隨著腸道的蠕動(dòng)而收縮運(yùn)動(dòng)，依靠?jī)?nèi)部的CMOS相機(jī)以每秒2張靜止照片的頻率拍攝腸內(nèi)組織照片，電池壽命約為8 h［9－10］。該公司還研制了PillCam ESO和Pill Cam COLON系列膠囊［11］。目前，國內(nèi)外商業(yè)化應(yīng)用的膠囊公司主要有日本Olympus公司（EndoCapsule）、重慶金山科技公司（OMOM）、韓國Intromedic公司（MiRo capsule）、美國CapsoVision公司（CapsoCam SV1）［12］，上述公司的膠囊產(chǎn)品和具體參數(shù)對(duì)比分別如圖1和表1所示。

圖1 國內(nèi)外被動(dòng)膠囊

表1 被動(dòng)式膠囊參數(shù)對(duì)比

上述膠囊產(chǎn)品均已推向全球醫(yī)療市場(chǎng)并成功進(jìn)行臨床應(yīng)用，能夠針對(duì)胃腸道疾病產(chǎn)生一定的治療作用，但仍存在一些問題，例如，拍攝的圖像經(jīng)無線傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)丟失，圖像拍攝的隨機(jī)性較大等問題。目前大部分膠囊的攝像頭均在兩端，極易受到膠囊姿態(tài)和腸道非光滑內(nèi)壁的影響而無法完整拍攝，會(huì)降低病變檢出率，導(dǎo)致漏檢，圖2所示為膠囊攝像頭安放位置對(duì)比情況。

圖2 攝像頭安放位置對(duì)比

因此，美國CapsoVision公司設(shè)計(jì)了CapsoCam Plus膠囊［13］，利用4個(gè)CCD鏡頭安裝在膠囊中部形成具有全方位拍攝的功能，拍攝的照片達(dá)到212×896像素，拍攝速率20幀／s，電池續(xù)航能力長(zhǎng)達(dá)15 h，膠囊內(nèi)部集成了閃存盤，拍攝過程中直接存儲(chǔ)照片，無需進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，消除了無線信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路的干擾，并減少了內(nèi)部體積占用，如圖3所示。Jang等［14］研制出一種類似的超輕無線膠囊系統(tǒng)，具有低功耗（＜1 mW）、能夠高速傳輸圖像（80 Mb／s）的特點(diǎn)，能夠連續(xù)工作8～12 h。

香港中文大學(xué)Leung等［15］研制了一種充氣止血膠囊。醫(yī)學(xué)上，常通過填塞效應(yīng)減少出血量，人體血小板需要（4.5±1.5）min才能有效凝血。對(duì)胃腸道的內(nèi)出血進(jìn)行止血治療時(shí)，借助酸堿吸熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體為氣球充氣，當(dāng)氣球達(dá)到預(yù)算值時(shí)，停止充氣并停留在腸道出血部位處。機(jī)器人直徑為14 mm，長(zhǎng)為60 mm，由酸液注射器、氣體發(fā)生器、電路模塊組成，長(zhǎng)度分別為13 mm、35 mm和12 mm，3部分之間由柔性接頭連接，密封在硅膠氣球中。

Mohammed等［16］提出并設(shè)計(jì)了一種無線熒光膠囊，用于對(duì)人體小腸組織的自體熒光進(jìn)行成像。該機(jī)器人配置468 nm波長(zhǎng)的低照明LED，功率為78μW，所有功率消耗由兩塊1.5 V的紐扣電池維持供電，并在哺乳動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行了熒光成像實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人三維模型分解結(jié)構(gòu)如圖4所示，集成了發(fā)射器和螺旋天線的14 mm PCB板、FPGA控制器和ASIC成像器等。

圖4 熒光膠囊

Tortora等［17］研發(fā)了一種光動(dòng)力診療膠囊，該機(jī)器人的治療原理是：利用藍(lán)光殺菌的有效波長(zhǎng)范圍375～425 nm，紅光殺菌波長(zhǎng)范圍625～675 nm，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行30 min的輻照殺菌作業(yè)進(jìn)行滅菌。圖5所示為發(fā)射紅光的膠囊樣機(jī)（波長(zhǎng)625 nm），8個(gè)LED為兩端布置，外殼由透明聚碳酸酯構(gòu)成，直徑12 mm，長(zhǎng)27 mm。由3 V／160 mAh的圓柱形鋰電池供電，直徑11.6 mm，長(zhǎng)10.6 mm，可為8個(gè)LED連續(xù)供電1 h左右。

圖5 光動(dòng)力診療膠囊樣機(jī)

綜上分析，被動(dòng)膠囊的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用，大部分被動(dòng)膠囊僅由外殼、攝像頭、無線收發(fā)裝置、電池等部分模塊構(gòu)成，甚至還有診療模塊，例如光學(xué)活檢。模塊化的易用設(shè)計(jì)使得被動(dòng)膠囊迅速發(fā)展，有效降低了研發(fā)及生產(chǎn)成本。

2 主動(dòng)膠囊機(jī)器人

2.1 電力驅(qū)動(dòng)型

De Falco等［18－19］研發(fā)了一種電力驅(qū)動(dòng)四螺旋膠囊，主要用于檢查胃內(nèi)較大空間的環(huán)境，如圖6所示。采用4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳在尾部推進(jìn)的方式，選用加拿大Plantraco公司生產(chǎn)的鋰電池為螺旋槳供電，電池容量為50 mAh／3.7 V，能量密度200 Wh／kg，尺寸為13 mm×17 mm×5.7 mm，質(zhì)量為1.5 g，機(jī)器人長(zhǎng)度為32 mm，最大直徑為22 mm，產(chǎn)生的最大推進(jìn)力為25.5 mN。機(jī)器人頭部攝像頭的圖像采樣率為30 fps，視頻采集系統(tǒng)由一臺(tái)CMOS微型照相機(jī)構(gòu)成，經(jīng)過對(duì)比聚焦評(píng)估測(cè)試，能夠感知和區(qū)分不同顏色。在實(shí)驗(yàn)室離體胃組織內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，機(jī)器人電池供電時(shí)間可維持13 min。

圖6 四螺旋槳膠囊結(jié)構(gòu)

Norton等［20］提出一種帶有膨脹收縮臂的輪式微型機(jī)器人。通過電纜為機(jī)器人傳遞電力和控制信號(hào)，膨脹機(jī)構(gòu)用于調(diào)整3個(gè)支臂角度，使機(jī)器人能夠主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的尺寸和形狀，提供足夠的牽引力和力矩，每個(gè)支臂末端有一個(gè)球形輪。行走輪機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)3個(gè)球形輪以獲得驅(qū)動(dòng)力，控制機(jī)器人在結(jié)腸內(nèi)的位置和方向，每個(gè)支臂內(nèi)都有一個(gè)長(zhǎng)為6 mm的有刷直流電機(jī)和221∶1的減速箱，運(yùn)動(dòng)速度為3.85 mm／s。

2.2 磁（電磁）驅(qū)動(dòng)型

張永順等［21－22］經(jīng)過多年的探索研究，研發(fā)了多種膠囊，圖7所示為扭轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)花瓣型膠囊系統(tǒng)［23］，該機(jī)器人能夠以懸浮姿態(tài)在腸道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，避免了接觸腸道內(nèi)壁，并提高了轉(zhuǎn)彎游動(dòng)速度，采用三軸方形正交亥姆霍茲線圈作為電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)任意姿態(tài)的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)行走。

圖7 扭轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)花瓣型膠囊系統(tǒng)

Ha Le等［24］研制一款能夠釋放藥物微型液壓泵膠囊，由亥姆霍茲線圈和麥克斯韋線圈組成電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)行走時(shí)，安裝的2個(gè)軟磁環(huán)被系統(tǒng)磁場(chǎng)沿軸線磁化，相互吸合，連同液壓泵螺旋槳一同旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)膠囊行走；當(dāng)需要釋放藥物時(shí)，軟磁環(huán)被消磁而相互遠(yuǎn)離，脫開液壓泵螺旋槳，液壓泵螺旋槳在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)藥倉釋放藥物。

天津理工大學(xué)Nan Liang等［25］研制出一種對(duì)稱螺旋膠囊，如圖8所示，該膠囊長(zhǎng)70 mm，直徑12 mm，內(nèi)部嵌有永磁體，通過外部磁場(chǎng)對(duì)內(nèi)部永磁體作用耦合力矩而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，Nan Liang分析了不同液體流速下機(jī)器人的游動(dòng)性能，以及膠囊在液體中的浮力和阻力特性。當(dāng)液體流速為26 mL／min時(shí)，機(jī)器人動(dòng)態(tài)游動(dòng)性能最佳。水平方向游動(dòng)時(shí)，機(jī)器人順流游動(dòng)最大速度為20.44 mm／s，逆流游動(dòng)最大速度為6.49 mm／s；垂直向上游動(dòng)時(shí)，機(jī)器人順流和逆流游動(dòng)最大速度分別為10.1 mm／s和1.34 mm／s；垂直向下游動(dòng)時(shí)，機(jī)器人順流和逆流游動(dòng)最大速度分別為10.11 mm／s和1.337 mm／s。

圖8 對(duì)稱螺旋膠囊

意大利圣安娜高等研究學(xué)院Fontana等［26－27］提出一種球形膠囊，該機(jī)器人直徑為26 mm，質(zhì)量為12.7 g，內(nèi)置圖像與光纖傳感器、控制單元、動(dòng)系統(tǒng)、智能充電電池、智能通電電路和定位模塊，該機(jī)器人通過電磁控制系統(tǒng)產(chǎn)生的磁吸引力作用于機(jī)器人外嵌永磁體，拉動(dòng)機(jī)器人沿所需方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將機(jī)器人放置于充電座上時(shí)，可進(jìn)行無線充電，機(jī)器人內(nèi)部線圈與充電座上的線圈通過電磁感應(yīng)原理為機(jī)器人內(nèi)置電池充電，充電時(shí)間約為26 min。

為精確定位機(jī)器人的角度和位置，保證傳出圖像質(zhì)量，Son等［28－29］設(shè)計(jì)了一種5D定位方法，即通過單軸霍爾傳感器陣列測(cè)量給定位置的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度，定位方法分成兩步：首先，從測(cè)量的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中減去電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，目的是為了獲得機(jī)器人磁場(chǎng)的精確值；然后，對(duì)減去的磁場(chǎng)二次微分，以減小電磁場(chǎng)在定位過程中產(chǎn)生的影響。該定位方法的位置誤差能達(dá)到（2.1±0.8）mm，角度誤差為6.7°±4.3°。方柱形膠囊的尺寸為6.4 mm×6.4 mm×12.8 mm，材質(zhì)為Nd－Fe－B永磁體，磁矩為0.45 A·m2，采用滾動(dòng)行走方式。

2.3 氣壓驅(qū)動(dòng)型

Poon等［30］提出一種仿毛蟲機(jī)器人，如圖9所示。機(jī)器人全長(zhǎng)100 mm，為提高機(jī)器人的移動(dòng)效率和安全性，對(duì)氣囊充氣過程中的壓力、體積和與腸內(nèi)壁的接觸力均進(jìn)行了研究，分別在硬質(zhì)PVC管道、軟質(zhì)PVC管道、多肌肉豬腸和少肌肉豬腸中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在少肌肉腸道內(nèi)機(jī)器人行走時(shí)間最長(zhǎng)，在硬質(zhì)管道中行走時(shí)間最短，45 mmHg為腸道內(nèi)最小錨固壓力，雙氣囊內(nèi)的最佳壓力分別為5.4 kPa和5.6 kPa。與之類似，日本中央大學(xué)Adachi等［31］也開發(fā)了一種腸道仿蚯微型機(jī)器人。

圖9 腸道仿毛蟲微型機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制

3 結(jié)束語

本文對(duì)國內(nèi)外主被動(dòng)式腸道微型機(jī)器人的特點(diǎn)和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。被動(dòng)膠囊利用消化道自身蠕動(dòng)力進(jìn)行全消化道的遍歷診察，運(yùn)動(dòng)緩慢而無序，無法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)主動(dòng)控制，遇到腸道褶皺堆積還會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間滯留人體的危險(xiǎn)。主動(dòng)膠囊能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人方向和姿態(tài)的主動(dòng)調(diào)整，縮短消化道遍歷時(shí)間，提高診療效率，改善診療安全性。主動(dòng)控制對(duì)擴(kuò)展膠囊功能十分重要，如檢測(cè)胃腸道pH值生理參數(shù)，消化道內(nèi)釋放藥物、光動(dòng)力診察、甚至微手術(shù)等。因此，主動(dòng)控制成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，磁驅(qū)動(dòng)型膠囊以其供能穩(wěn)定、控制方便、磁場(chǎng)均勻以及方位指向性好等特點(diǎn)，成為主動(dòng)膠囊的主流方向，該方式可不受機(jī)器人內(nèi)部體積約束，能高度微型化，降低檢查過程中的不適感與異物感，便于臨床推廣應(yīng)用。目前，許多研究機(jī)構(gòu)已紛紛轉(zhuǎn)向無線磁控膠囊的研究，并認(rèn)為是最有可能應(yīng)用的技術(shù)途徑。隨著科技發(fā)展，人工智能在醫(yī)學(xué)中逐步應(yīng)用，尤其在膠囊診治中，人工智能輔助系統(tǒng)可全面提升檢察效率與診治質(zhì)量，因此，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與膠囊的融合將是未來消化道疾病診療發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)膠囊的智能化發(fā)展。