大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

在人身體的消化道中，有一個(gè)直接威脅健康的****殺手，它通常能夠在體內(nèi)潛伏5~10年，然后突然發(fā)病，并在3~5年內(nèi)成為威脅生命的存在。這個(gè)殺手就是結(jié)直腸癌。

結(jié)直腸癌作為最常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤。近年來(lái)我國(guó)結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈明顯上升的趨勢(shì)。截至2020年我國(guó)結(jié)直腸癌發(fā)病率居第3位。但是很多人不知道的是，結(jié)直腸癌也是最容易預(yù)防的癌癥之一，篩查的方式就是——胃腸鏡。

提到胃腸鏡，膠囊機(jī)器人(CR)因其對(duì)使用者的不適程度低，是一種擁有廣泛前景的內(nèi)鏡診斷方法。只要吞下一顆小小的膠囊機(jī)器人，就可以展開(kāi)一場(chǎng)奇幻的人體旅行，帶你領(lǐng)略自己身體里的別致“風(fēng)景”。

目前市面上大多數(shù)的膠囊機(jī)器人僅用于獲取圖像信息，而缺乏采集樣本的能力。當(dāng)遇到可疑病灶時(shí)，活檢是必不可免的。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，被廣泛使用的是可以?shī)A持和切割組織的活檢鉗。雖然也有一些活檢膠囊機(jī)器人(BCRs) ，但由于結(jié)腸組織的柔韌性，在獲取腸道組織的同時(shí)避免撕裂和粘連仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

基于此項(xiàng)難題，近日國(guó)內(nèi)以天津大學(xué)為首的團(tuán)隊(duì)提出了活檢膠囊機(jī)器人的新型活檢采樣策略，在采樣中，軟組織可以被高速旋轉(zhuǎn)的鋒利刀片取走，避免組織撕裂。該項(xiàng)研究以論文《A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue》為題發(fā)表于中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊《Cyborg and Bionic Systems》中。

揭秘醫(yī)療黑科技

為啥要用高速旋轉(zhuǎn)的刀片采樣？研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，靈感來(lái)源于，生活經(jīng)驗(yàn)。。。

你可以簡(jiǎn)單粗暴的這樣理解：當(dāng)肉放在案板上時(shí)，切肉當(dāng)然容易；然而，如果肉是掛著的，切起來(lái)就困難多了。同樣，用BCR固定的刀片切割腸道組織也很困難，因?yàn)榻M織非常靈活，BCR不能穩(wěn)定固定。因此基于上述想法，團(tuán)隊(duì)提出了一種新的采樣策略:高速旋轉(zhuǎn)鋒利的刀片，趁可疑組織不注意，迅速將其切割。

戰(zhàn)術(shù)get到了，來(lái)看看這款機(jī)器人的構(gòu)造。

這款新型的膠囊機(jī)器人中有一個(gè)小小的永磁體，通過(guò)外部磁場(chǎng)來(lái)控制BCR的運(yùn)動(dòng)。BCR中的高速切割器則是由一個(gè)旋緊的螺旋彈簧激活，這種螺旋彈簧可以提供比馬達(dá)或同等質(zhì)量的磁鐵更強(qiáng)勁的瞬時(shí)動(dòng)力，可以有效地避免運(yùn)動(dòng)控制和活檢操控之間的相互干擾。

同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，以保證可靠的采樣，使用鮑登電纜傳遞觸發(fā)力實(shí)現(xiàn)活檢。為避免誤觸發(fā)，扳機(jī)力保持大于指定閾值，并可通過(guò)安裝在操作端的力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；顧z機(jī)構(gòu)及觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮了多次活檢的潛在需求，可進(jìn)行不同部位的活檢采樣。

為了驗(yàn)證該方案的可行性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了原型。膠囊直徑為18毫米，長(zhǎng)度為40毫米。為了保證高速旋轉(zhuǎn)的刀片能夠有效切割組織而不撕裂組織，除了使得刀片高速運(yùn)動(dòng)外，采用鋒利刀刃以及特殊設(shè)計(jì)的刀具形狀。傳動(dòng)部件由金屬制成，外殼由3D打印技術(shù)制成。螺旋彈簧采用304不銹鋼，厚度為0.2 mm。

此外，力傳感器(SBT-50N)通過(guò)3D打印制成的可快速插拔連接器安裝在觸發(fā)器操作端（由臨床一次性活檢鉗改造而成）上，可實(shí)現(xiàn)力傳感器和夾具之間的快速方便連接和拆分，使力傳感器可以重復(fù)使用（已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利CN111991036B）。

整體流程

活檢膠囊機(jī)器人首先從肛門(mén)進(jìn)入結(jié)腸，在外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)視覺(jué)圖像傳輸探尋并靠近可疑組織，移動(dòng)觸發(fā)器操作端中的滑塊就可以拉動(dòng)鮑登線纜進(jìn)行觸發(fā)采樣。顯示面板可以實(shí)時(shí)顯示觸發(fā)力度，以確保安全性。觸發(fā)結(jié)束后活檢刀具可重新恢復(fù)到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次活檢。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膠囊機(jī)器人的高速切削性能并分析了軟組織撕裂時(shí)的速度閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠囊機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多次活檢觸發(fā)，并且每次的切割速度均可有效避免軟組織撕裂。

并利用帶磁鐵的KUKA機(jī)器人來(lái)控制膠囊機(jī)器人的姿態(tài)，以驗(yàn)證膠囊在活檢過(guò)程中調(diào)整姿態(tài)的能力。在KUKA機(jī)器人的控制下，膠囊機(jī)器人可以通過(guò)前進(jìn)、后退、翻滾等動(dòng)作精確到達(dá)活檢部位。最后，在離體豬大腸上進(jìn)行了活檢取樣驗(yàn)證。

未來(lái)應(yīng)用前景

該研究提出了全新的多次活檢膠囊機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，未來(lái)隨著手術(shù)環(huán)境同步定位和測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，BCR移動(dòng)的同時(shí)結(jié)腸的3D地圖可以被同步構(gòu)建，并且BCR的位置和姿態(tài)也將被記錄在地圖中，可以進(jìn)一步輔助膠囊內(nèi)窺鏡下的活檢操作，提升活檢的可靠性。該類(lèi)膠囊機(jī)器人有望成為未來(lái)臨床胃腸檢查的全新手段。

論文地址：

https://doi.org/10.34133/2022/9783517

引用信息：

Zhibin Song, Wenjie Zhang, Wenhui Zhang, Dario Paolo, "A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, ArticleID 9783517, 11 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9783517