内窥镜诊疗微型机器人发展概述及前景分析

   医疗机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，近年来随着MEMS(微电子机械系统)的发展，大大促进了医疗机器人的微型化，可用于人体内诊断和治疗的微型机器人的研究越来越受到重视。内窥镜是当前体内诊疗的主要工具，线缆式微型机器人内窥镜系统和无线药丸式微型机器人内窥镜系统是肠胃道微创诊疗发展的两个最主要方向。文章介绍依据驱动类型划分的具代表性的线缆式内窥镜诊疗机器人和无线药丸式内窥镜系统的研制情况，分析内窥镜诊疗微型机器人的相关技术难题和发展趋势。

(一)线缆式内窥镜系统

   线缆式微型机器人内窥镜系统利用可以主动运动的引导头引导进入人体腔道，避免了手动插入造成的软组织损伤，其关键技术在于主动引导头的微小型驱动器的研制。目前体内医疗机器人微小型驱动器的类型大致有以下几种：电磁驱动型、形状记忆合金型(SMA型)、气动型和压电型。

1．电磁驱动型。

   上海交通大学研制了一种用于肠道检查的内窥镜微型机器人，基于尺蠖运动原理，驱动器为一种基于电磁力的微小型蠕动驱动器， 由头部、尾部、驱动单元、弹性模等组成，长64mm，外径7mm，重9．8g，通过调整驱动电压的频率来调节其运行速度，头部可携带CCD等微型摄像器件，将肠道的图像传输出来。机器人各个单元之间由二自由度的铰链连接，使它可以适应蜿蜒盘曲的肠道。

2．形状记忆合金型(SMA型)。

    日本东北大学的江刺研究室研制了一种采用形状记忆合金(SMA)作为驱动器的自主式医用内窥镜，利用MEMS技术，研制适合于人体管道环境如结肠中动作的装置，是一种整支导管可独立弯曲的多关节驱动的内窥镜，导管直径为1．2mm，每个关节的驱动器采用形状记忆合金驱动器，通过电阻值反馈控制法，可对导管实现自动柔顺且安全的操作。这种能动型内窥镜可平稳地插入如S状结肠等形状狭小复杂弯曲的管腔内，能够携带成像照明光学系统、前端物镜粘附物清除装置等自动进入人体完成体内诊断和体内微细手术等功能，如图所示。
 
形状记忆合金能动型内窥镜

3．气动型。加州理工学院A。brett Slatkin等以纤维内窥镜为基础研制了气压蠕动式内窥镜系统，直径为14mm，主要由信号控制引线、气动执行器导管和光纤束组成，气压动力源分为高压和低压两部分，夹嵌和伸缩单元在气压的驱动下撑紧肠壁和伸缩，产生类似蚯蚓的蠕动。

意大利Mitech实验室P.Dario与比利时Leuven大学的J.Peris等人利用蚯蚓蠕动性原理研制了一种肠道内窥镜式机器人，采用压缩空气驱动，机器人本体由3个气囊驱动器组成，中间的驱动器能够轴向伸缩，产生轴向推动力，推动机器人前进。微机器人直径15mm，收缩时长42mm，伸胀时长80mm，载有CCD微摄像头，两个夹嵌和一个伸缩执行器在气压分配器的控制下实现在肠道中的蠕动。机器人的头部装有作业工具、摄像机及照明装置。用来在肠道内进行检查及手术操作，如图所示。
 
肠道内窥镜式机器人

4 压电驱动型

1995年日本Deson公司研制了基于惯性冲击式驱动原理的微型机器人，采用叠堆型压电陶瓷驱动器。1997年，Denso公司进行了改进，以四层双压电膜驱动器取代叠堆压电驱动器。驱动机构由弹性支撑夹、叠堆型压电陶瓷驱动器及惯性质量块组成，长17毫米，直径8毫米，质量1.6克。

（二）无线药丸式内窥镜系统

无线药丸式内窥镜又称胶囊式内窥镜（Capsule Endoscope），它是内窥镜技术的突破，从整体结构上以药丸式取代了传统的线缆插入式，可以吞服的方式进入消化道，实现了真正的无创诊疗，同时呕可以实时观察病人消化道图象，大大拓展了全消化道检查的范围和视野。在无线内窥镜系统研究方面，国外已有以色列、日本、德国、法国、韩国等国家都在投入巨资进行研发。最著名的就是以色列Given Imagimg公司2001年5月推出的一种称为M2A的无线电子药丸（无线肠胃检查药丸），直径11毫米，长26毫米，重3.7克，视野140度，放大倍率1:8，最小分辨率小于0.1毫米。内部包括微型CMOS图像传感器，专用无线通讯芯片，照明白光LED，氧化银电池等，如图所示。已于2001年8月获得美国FDA认证。
 
以色列M2A无线内窥镜

病人服用“药丸”后，可以照常进行生活和工作。“药丸”在体内依靠人体肠胃的蠕动而通过体内，并最终被排出体外，同时将拍摄到的体内情况通过无线方式传输出来，并存储在系在病人腰间的接受装置里，最终可将图像下载到计算机上显示，利用专用软件进行处理，以供医生参考。目前推出的第三代M2A胶囊内窥镜中的摄像单元的指标已经达到VGA分辨率，速度达到5帧/秒，功率仅9mw左右，代表了当今肠胃道检查机器人在摄像技术方面的最高水平。日本长野的RF实验室也研制出一种胶囊式电子“药丸”--NORIKA3无线内窥镜，如图所示，直径9mm，长度为23mm，采用1/6英寸410000像素微型CCD图像传感器，图像传输速率达到30帧/秒，照明装置为2个白光LED和2个红外LED，所需电力从体外以电磁波的形式输送，其运行速度和方向等均可从体外控制。NORIKA3于2002年春进入临床试验阶段，并于2003年推向了临床应用。
 
NORIKA3无线内窥镜

韩国也研制了MIO胶囊，采用了较高的信号传输带宽。在国内，重庆金山科技（集团）有限公司研究开发的“医用无线内窥镜系统”（简称“智能胶囊”）样机于2004年初取得成功。该智能胶囊直径11毫米，长度2.5mm，囊壳里安装有全球最先进的微机电（MEMS）技术设备和微型摄像头，专用于肠胃道病变检查。该智能胶囊已在重庆医科大学动物中心进行了香猪动物实验，已进入产业化研发阶段。中科院合肥智能所)研制了一种无线胶囊肠胃检查机器人，外径12mm，长度3．5mm，整个系统由三个部分组成，体内微型检查机器人实验样机本体、体内微型检查机器人体外接收和处理系统以及体内微型检查机器人定位与驱动控制系统，是一种数字信号肠胃检查微型机器人，包括微型图像传感器模块、核心微处理器模块、微型无线射频发射模块和能源模块。无线胶囊进入人体后缓慢地随着肠胃运动遍历胃肠道，机器人体内携带的微型摄像单元以约5秒／帧的速度拍摄腔道影像，并通过微型无线发射模块以射频信号的形式传送至体外接收装置，工作人员可以在接收装置上进行医学图像观察处理和诊疗。

(三)难点问题与前景展望

在当今内窥镜诊疗机器人被各界热切关注的同时，必须认识到当前研究现状及存在的一些问题。对于线缆式内窥镜系统，电磁驱动型结构简单，控制方便且灵活，但存在系统发热问题。由于人体肠道内的温度较高且不能承受太高的温度，形状记忆合金的变形与回复温差必须较小，因而形状记忆合金驱动的速度较慢。采用气流驱动方式的机器人外径不可能太小，而且靠扩张方式行走会引起患者的不适甚至痛苦。采用何种驱动机理，如何实现手术精确定位，是线缆式内窥镜系统研究的重点和难点。难点主要集中在：选择适合在内腔中运动的一种驱动机理、不会造成组织损伤的结构(材料、尺寸、重量等)，以及微系统的可操作性，并且需要解决系统发热问题。对于无线药丸式内窥镜系统，由于药丸完全依靠肠胃的自然蠕动驱动，无法控制运动速度和确定运行中药丸的位置，不能对重点部位进行仔细检查，也有可能造成漏检。内窥镜诊疗机器人的研究开发，涉及MEMS技术、通信、材料、传感器、生物医学、计算机、图像处理等众多领域的技术。其中在四项关键性技术即微型图像传感器(CMos或CCD)技术、无线通讯技术、能源技术以及驱动与控制技术方面还有很多工作要做。
 
摘 要：文章介绍依据驱动类型划分的具代表性的线缆式内窥镜诊疗机器人和无线药丸式内窥镜系统的研制情况，对体内内窥镜诊疗微型机器人的研究方向和前景进行了讨论。

医疗机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域，极大的推动了现代医疗技术的发展，近年来随着MEMS(微电子机械系统)的发展，大大促进了医疗机器人的微型化，可用于人体内诊断和治疗的微型机器人的研究越来越受到重视。内窥镜是当前体内诊疗的主要工具，线缆式微型机器人内窥镜系统和无线药丸式微型机器人内窥镜系统是肠胃道微创诊疗发展的两个最主要方向。文章介绍依据驱动类型划分的具代表性的线缆式内窥镜诊疗机器人和无线药丸式内窥镜系统的研制情况，分析内窥镜诊疗微型机器人的相关技术难题和发展趋势。

(一)线缆式内窥镜系统

线缆式微型机器人内窥镜系统利用可以主动运动的引导头引导进入人体腔道，避免了手动插入造成的软组织损伤，其关键技术在于主动引导头的微小型驱动器的研制。目前体内医疗机器人微小型驱动器的类型大致有以下几种：电磁驱动型、形状记忆合金型(SMA型)、气动型和压电型。

1．电磁驱动型。

上海交通大学研制了一种用于肠道检查的内窥镜微型机器人，基于尺蠖运动原理，驱动器为一种基于电磁力的微小型蠕动驱动器， 由头部、尾部、驱动单元、弹性模等组成，长64mm，外径7mm，重9．8g，通过调整驱动电压的频率来调节其运行速度，头部可携带CCD等微型摄像器件，将肠道的图像传输出来。机器人各个单元之间由二自由度的铰链连接，使它可以适应蜿蜒盘曲的肠道。

2．形状记忆合金型(SMA型)。

日本东北大学的江刺研究室研制了一种采用形状记忆合金(SMA)作为驱动器的自主式医用内窥镜，利用MEMS技术，研制适合于人体管道环境如结肠中动作的装置，是一种整支导管可独立弯曲的多关节驱动的内窥镜，导管直径为1．2mm，每个关节的驱动器采用形状记忆合金驱动器，通过电阻值反馈控制法，可对导管实现自动柔顺且安全的操作。这种能动型内窥镜可平稳地插入如S状结肠等形状狭小复杂弯曲的管腔内，能够携带成像照明光学系统、前端物镜粘附物清除装置等自动进入人体完成体内诊断和体内微细手术等功能，如图所示。

 
形状记忆合金能动型内窥镜

3．气动型。加州理工学院A。brett Slatkin等以纤维内窥镜为基础研制了气压蠕动式内窥镜系统，直径为14mm，主要由信号控制引线、气动执行器导管和光纤束组成，气压动力源分为高压和低压两部分，夹嵌和伸缩单元在气压的驱动下撑紧肠壁和伸缩，产生类似蚯蚓的蠕动。

意大利Mitech实验室P.Dario与比利时Leuven大学的J.Peris等人利用蚯蚓蠕动性原理研制了一种肠道内窥镜式机器人，采用压缩空气驱动，机器人本体由3个气囊驱动器组成，中间的驱动器能够轴向伸缩，产生轴向推动力，推动机器人前进。微机器人直径15mm，收缩时长42mm，伸胀时长80mm，载有CCD微摄像头，两个夹嵌和一个伸缩执行器在气压分配器的控制下实现在肠道中的蠕动。机器人的头部装有作业工具、摄像机及照明装置。用来在肠道内进行检查及手术操作，如图所示。
 
肠道内窥镜式机器人

4 压电驱动型

1995年日本Deson公司研制了基于惯性冲击式驱动原理的微型机器人，采用叠堆型压电陶瓷驱动器。1997年，Denso公司进行了改进，以四层双压电膜驱动器取代叠堆压电驱动器。驱动机构由弹性支撑夹、叠堆型压电陶瓷驱动器及惯性质量块组成，长17毫米，直径8毫米，质量1.6克。

（二）无线药丸式内窥镜系统

无线药丸式内窥镜又称胶囊式内窥镜（Capsule Endoscope），它是内窥镜技术的突破，从整体结构上以药丸式取代了传统的线缆插入式，可以吞服的方式进入消化道，实现了真正的无创诊疗，同时呕可以实时观察病人消化道图象，大大拓展了全消化道检查的范围和视野。在无线内窥镜系统研究方面，国外已有以色列、日本、德国、法国、韩国等国家都在投入巨资进行研发。最著名的就是以色列Given Imagimg公司2001年5月推出的一种称为M2A的无线电子药丸（无线肠胃检查药丸），直径11毫米，长26毫米，重3.7克，视野140度，放大倍率1:8，最小分辨率小于0.1毫米。内部包括微型CMOS图像传感器，专用无线通讯芯片，照明白光LED，氧化银电池等，如图所示。已于2001年8月获得美国FDA认证。

 
以色列M2A无线内窥镜

病人服用“药丸”后，可以照常进行生活和工作。“药丸”在体内依靠人体肠胃的蠕动而通过体内，并最终被排出体外，同时将拍摄到的体内情况通过无线方式传输出来，并存储在系在病人腰间的接受装置里，最终可将图像下载到计算机上显示，利用专用软件进行处理，以供医生参考。目前推出的第三代M2A胶囊内窥镜中的摄像单元的指标已经达到VGA分辨率，速度达到5帧/秒，功率仅9mw左右，代表了当今肠胃道检查机器人在摄像技术方面的最高水平。日本长野的RF实验室也研制出一种胶囊式电子“药丸”--NORIKA3无线内窥镜，如图所示，直径9mm，长度为23mm，采用1/6英寸410000像素微型CCD图像传感器，图像传输速率达到30帧/秒，照明装置为2个白光LED和2个红外LED，所需电力从体外以电磁波的形式输送，其运行速度和方向等均可从体外控制。NORIKA3于2002年春进入临床试验阶段，并于2003年推向了临床应用。

 
NORIKA3无线内窥镜

韩国也研制了MIO胶囊，采用了较高的信号传输带宽。在国内，重庆金山科技（集团）有限公司研究开发的“医用无线内窥镜系统”（简称“智能胶囊”）样机于2004年初取得成功。该智能胶囊直径11毫米，长度2.5mm，囊壳里安装有全球最先进的微机电（MEMS）技术设备和微型摄像头，专用于肠胃道病变检查。该智能胶囊已在重庆医科大学动物中心进行了香猪动物实验，已进入产业化研发阶段。中科院合肥智能所)研制了一种无线胶囊肠胃检查机器人，外径12mm，长度3．5mm，整个系统由三个部分组成，体内微型检查机器人实验样机本体、体内微型检查机器人体外接收和处理系统以及体内微型检查机器人定位与驱动控制系统，是一种数字信号肠胃检查微型机器人，包括微型图像传感器模块、核心微处理器模块、微型无线射频发射模块和能源模块。无线胶囊进入人体后缓慢地随着肠胃运动遍历胃肠道，机器人体内携带的微型摄像单元以约5秒／帧的速度拍摄腔道影像，并通过微型无线发射模块以射频信号的形式传送至体外接收装置，工作人员可以在接收装置上进行医学图像观察处理和诊疗。

(三)难点问题与前景展望

在当今内窥镜诊疗机器人被各界热切关注的同时，必须认识到当前研究现状及存在的一些问题。对于线缆式内窥镜系统，电磁驱动型结构简单，控制方便且灵活，但存在系统发热问题。由于人体肠道内的温度较高且不能承受太高的温度，形状记忆合金的变形与回复温差必须较小，因而形状记忆合金驱动的速度较慢。采用气流驱动方式的机器人外径不可能太小，而且靠扩张方式行走会引起患者的不适甚至痛苦。采用何种驱动机理，如何实现手术精确定位，是线缆式内窥镜系统研究的重点和难点。难点主要集中在：选择适合在内腔中运动的一种驱动机理、不会造成组织损伤的结构(材料、尺寸、重量等)，以及微系统的可操作性，并且需要解决系统发热问题。对于无线药丸式内窥镜系统，由于药丸完全依靠肠胃的自然蠕动驱动，无法控制运动速度和确定运行中药丸的位置，不能对重点部位进行仔细检查，也有可能造成漏检。内窥镜诊疗机器人的研究开发，涉及MEMS技术、通信、材料、传感器、生物医学、计算机、图像处理等众多领域的技术。其中在四项关键性技术即微型图像传感器(CMos或CCD)技术、无线通讯技术、能源技术以及驱动与控制技术方面还有很多工作要做。