|
醫療機器人是近幾年在多學(xué)科交叉領(lǐng)域中興起，并越來(lái)越受到關(guān)注的機器人應用前沿研究課題之一。醫療機器人將機器人技術(shù)應用到醫療領(lǐng)域，極大的推動(dòng)了現代醫療技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)隨著(zhù)MEMS(微電子機械系統)的發(fā)展，大大促進(jìn)了醫療機器人的微型化，可用于人體內診斷和治療的微型機器人的研究越來(lái)越受到重視。內窺鏡是當前體內診療的主要工具，線(xiàn)纜式微型機器人內窺鏡系統和無(wú)線(xiàn)藥丸式微型機器人內窺鏡系統是腸胃道微創(chuàng )診療發(fā)展的兩個(gè)最主要方向。文章介紹依據驅動(dòng)類(lèi)型劃分的具代表性的線(xiàn)纜式內窺鏡診療機器人和無(wú)線(xiàn)藥丸式內窺鏡系統的研制情況，分析內窺鏡診療微型機器人的相關(guān)技術(shù)難題和發(fā)展趨勢。 (一)線(xiàn)纜式內窺鏡系統 線(xiàn)纜式微型機器人內窺鏡系統利用可以主動(dòng)運動(dòng)的引導頭引導進(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)引導頭的微小型驅動(dòng)器的研制。目前體內醫療機器人微小型驅動(dòng)器的類(lèi)型大致有以下幾種：電磁驅動(dòng)型、形狀記憶合金型(SMA型)、氣動(dòng)型和壓電型。 1．電磁驅動(dòng)型。 上海交通大學(xué)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(dòng)原理，驅動(dòng)器為一種基于電磁力的微小型蠕動(dòng)驅動(dòng)器， 由頭部、尾部、驅動(dòng)單元、彈性模等組成，長(cháng)64mm，外徑7mm，重9．8g，通過(guò)調整驅動(dòng)電壓的頻率來(lái)調節其運行速度，頭部可攜帶CCD等微型攝像器件，將腸道的圖像傳輸出來(lái)。機器人各個(gè)單元之間由二自由度的鉸鏈連接，使它可以適應蜿蜒盤(pán)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)作為驅動(dòng)器的自主式醫用內窺鏡，利用MEMS技術(shù)，研制適合于人體管道環(huán)境如結腸中動(dòng)作的裝置，是一種整支導管可獨立彎曲的多關(guān)節驅動(dòng)的內窺鏡，導管直徑為1．2mm，每個(gè)關(guān)節的驅動(dòng)器采用形狀記憶合金驅動(dòng)器，通過(guò)電阻值反饋控制法，可對導管實(shí)現自動(dòng)柔順且安全的操作。這種能動(dòng)型內窺鏡可平穩地插入如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(xué)系統、前端物鏡粘附物清除裝置等自動(dòng)進(jìn)入人體完成體內診斷和體內微細手術(shù)等功能，如圖所示。 形狀記憶合金能動(dòng)型內窺鏡 3．氣動(dòng)型。 加州理工學(xué)院A。brett Slatkin等以纖維內窺鏡為基礎研制了氣壓蠕動(dòng)式內窺鏡系統，直徑為14mm，主要由信號控制引線(xiàn)、氣動(dòng)執行器導管和光纖束組成，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動(dòng)下?lián)尉o腸壁和伸縮，產(chǎn)生類(lèi)似蚯蚓的蠕動(dòng)。 意大利Mitech實(shí)驗室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窺鏡式機器人，采用壓縮空氣驅動(dòng)，機器人本體由3個(gè)氣囊驅動(dòng)器組成，中間的驅動(dòng)器能夠軸向伸縮，產(chǎn)生軸向推動(dòng)力，推動(dòng)機器人前進(jìn)。微機器人直徑15mm，收縮時(shí)長(cháng)42mm，伸脹時(shí)長(cháng)80mm，載有CCD微攝像頭，兩個(gè)夾嵌和一個(gè)伸縮執行器在氣壓分配器的控制下實(shí)現在腸道中的蠕動(dòng)。機器人的頭部裝有作業(yè)工具、攝像機及照明裝置。用來(lái)在腸道內進(jìn)行檢查及手術(shù)操作，如圖所示。 腸道內窺鏡式機器人 4 壓電驅動(dòng)型 1995年日本Deson公司研制了基于慣性沖擊式驅動(dòng)原理的微型機器人，采用疊堆型壓電陶瓷驅動(dòng)器。1997年，Denso公司進(jìn)行了改進(jìn)，以四層雙壓電膜驅動(dòng)器取代疊堆壓電驅動(dòng)器。驅動(dòng)機構由彈性支撐夾、疊堆型壓電陶瓷驅動(dòng)器及慣性質(zhì)量塊組成，長(cháng)17毫米，直徑8毫米，質(zhì)量1.6克。 （二）無(wú)線(xiàn)藥丸式內窺鏡系統 無(wú)線(xiàn)藥丸式內窺鏡又稱(chēng)膠囊式內窺鏡（Capsule Endoscope），它是內窺鏡技術(shù)的突破，從整體結構上以藥丸式取代了傳統的線(xiàn)纜插入式，可以吞服的方式進(jìn)入消化道，實(shí)現了真正的無(wú)創(chuàng )診療，同時(shí)嘔可以實(shí)時(shí)觀(guān)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(wú)線(xiàn)內窺鏡系統研究方面，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(jìn)行研發(fā)。最著(zhù)名的就是以色列Given Imagimg公司2001年5月推出的一種稱(chēng)為M2A的無(wú)線(xiàn)電子藥丸（無(wú)線(xiàn)腸胃檢查藥丸），直徑11毫米，長(cháng)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(zhuān)用無(wú)線(xiàn)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。 病人服用“藥丸”后，可以照常進(jìn)行生活和工作�！八幫琛痹隗w內依靠人體腸胃的蠕動(dòng)而通過(guò)體內，并最終被排出體外，同時(shí)將拍攝到的體內情況通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳輸出來(lái)，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(zhuān)用軟件進(jìn)行處理，以供醫生參考。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(jīng)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(shù)方面的最高水平。日本長(cháng)野的RF實(shí)驗室也研制出一種膠囊式電子“藥丸”--NORIKA3無(wú)線(xiàn)內窺鏡，如圖所示，直徑9mm，長(cháng)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(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)入臨床試驗階段，并于2003年推向了臨床應用。 NORIKA3無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)的“醫用無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統”（簡(jiǎn)稱(chēng)“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(cháng)度2.5mm，囊殼里安裝有全球最先進(jìn)的微機電（MEMS）技術(shù)設備和微型攝像頭，專(zhuān)用于腸胃道病變檢查。該智能膠囊已在重慶醫科大學(xué)動(dòng)物中心進(jìn)行了香豬動(dòng)物實(shí)驗，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(wú)線(xiàn)膠囊腸胃檢查機器人，外徑12mm，長(cháng)度3．5mm，整個(gè)系統由三個(gè)部分組成，體內微型檢查機器人實(shí)驗樣機本體、體內微型檢查機器人體外接收和處理系統以及體內微型檢查機器人定位與驅動(dòng)控制系統，是一種數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(wú)線(xiàn)射頻發(fā)射模塊和能源模塊。無(wú)線(xiàn)膠囊進(jìn)入人體后緩慢地隨著(zhù)腸胃運動(dòng)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(guò)微型無(wú)線(xiàn)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(jìn)行醫學(xué)圖像觀(guān)察處理和診療。 (三)難點(diǎn)問(wèn)題與前景展望 在當今內窺鏡診療機器人被各界熱切關(guān)注的同時(shí)，必須認識到當前研究現狀及存在的一些問(wèn)題。對于線(xiàn)纜式內窺鏡系統，電磁驅動(dòng)型結構簡(jiǎn)單，控制方便且靈活，但存在系統發(fā)熱問(wèn)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(dòng)的速度較慢。采用氣流驅動(dòng)方式的機器人外徑不可能太小，而且靠擴張方式行走會(huì )引起患者的不適甚至痛苦。采用何種驅動(dòng)機理，如何實(shí)現手術(shù)精確定位，是線(xiàn)纜式內窺鏡系統研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。難點(diǎn)主要集中在：選擇適合在內腔中運動(dòng)的一種驅動(dòng)機理、不會(huì )造成組織損傷的結構(材料、尺寸、重量等)，以及微系統的可操作性，并且需要解決系統發(fā)熱問(wèn)題。對于無(wú)線(xiàn)藥丸式內窺鏡系統，由于藥丸完全依靠腸胃的自然蠕動(dòng)驅動(dòng)，無(wú)法控制運動(dòng)速度和確定運行中藥丸的位置，不能對重點(diǎn)部位進(jìn)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(kāi)發(fā)，涉及MEMS技術(shù)、通信、材料、傳感器、生物醫學(xué)、計算機、圖像處理等眾多領(lǐng)域的技術(shù)。其中在四項關(guān)鍵性技術(shù)即微型圖像傳感器(CMos或CCD)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)、能源技術(shù)以及驅動(dòng)與控制技術(shù)方面還有很多工作要做。 |
