隨著膠囊內窺鏡的發展, 實現主動運動的膠囊內窺鏡機器人已成為必然趨勢。對胃部診察的機器人已投入臨床測試, 而全腸道膠囊內窺鏡機器人的實現仍然是個難點。本文介紹了國內外腸道內窺鏡機器人的研究現狀及進展, 并討論分析了各種方法的優缺點和發展前景, 為下一步腸道內窺鏡機器人的研究提供參考。
引用本文： 顏國正, 陳雯雯. 腸道內窺鏡機器人研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(1): 214-217. doi: 10.7507/1001-5515.20150039 復制
引言
2000年，以色列Given Imaging發明了膠囊內鏡“M2A”，并將其推向市場，現在膠囊內窺鏡作為腸道診察的輔助方式，獲得越來越多的關注[1]。我國金山科技有限公司推出的OMOM膠囊[2]在中國已經投入測試。但膠囊內窺鏡跟隨腸道蠕動而被動運動，無法重復檢查或停泊，且無法代替傳統內窺鏡實施復雜診療動作。為克服其缺點，下一步膠囊內窺鏡的發展需實現自主運動、高效安全，并可實施活檢、施藥等定點手術。
目前，由第二軍醫大學設計實現的膠囊內鏡機器人[3]已研制成功，采用外磁場驅動，可實現對胃部的定位和檢查。而全消化道尤其是腸道的內窺鏡機器人的實現仍然是難點。
現階段的研究集中于解決無線纜限制及主動運動。驅動方式決定了膠囊內窺鏡機器人的運動特性，主要包括以下幾種：利用驅動電機、SMA等執行元件，實現腸道內的仿生運動；近兩年出現了利用腸刺激推動膠囊，或是內部靜態摩擦力運動；在外部磁場作用下，驅動腸道內部膠囊的轉向、沉浮和前進后退等動作；另外，還有將磁驅動和其他驅動方式相結合的混合驅動。下面分別介紹幾種典型的腸道內窺鏡機器人的研究進展。
1 仿生機器人
1.1 蚯蚓、尺蠖仿生機器人
蚯蚓及尺蠖式機器人采用多節細長的機構，適應腸道管腔環境，可靈活轉彎并依靠體表材料產生摩擦力，幫助推動前進。筆者等曾分別采用了壓電、SMA和電機驅動，實現了仿蚯蚓式小腸機器人和結腸機器人，并攜帶攝像頭和無線通信控制，可診察腸道圖像。另外氣動式仿蚯蚓運動機器人，通過調節氣壓可以使艙體伸縮與轉向，或使用SMA驅動伸縮結構，采用類似剛毛的尖鉤增加各節的摩擦力[4]。
仿尺蠖式機器人類似于蚯蚓式機器人為多節結構，機器人的基本單元為鉗位和伸縮，機器人以一定的步序驅動各個運動單元。多采用氣動吸附、夾鉗、徑向擴張的方法增加腸道中的鉗位力。Lin等[5]、高鵬等[6]分別設計了在小腸和結腸中運動的尺蠖式機器人，軸向撐開的腿式鉗位結構可以快速擴張腸壁，并可有效增加鉗位力。現在尺蠖機器人向短小型化發展，出現了單電機的尺蠖式機器人樣機[7]。
1.2 昆蟲仿生機器人
腿式機器人仿照昆蟲爬行，通過腿的劃動推進機體，細長而尖的足部結構可撐開腸道并獲得一定的鉗位力。多采用電機驅動螺桿、蝸桿或SMA彈簧拉動腿式機構[8]。Gu等[9]設計了SMA驅動的足式機器人，機體直徑15 mm，長33 mm。
2 內力驅動機器人
2.1 摩擦力驅動
利用膠囊內力和腸道環境摩擦力運動的膠囊機器人不需要外部運動部件，機器人機體由一個塑料管、銅線圈和一個NiFeB磁鐵棒組成，控制內部重塊的運動加速度[10]，按照四步動作循環執行，可實現機器人單維方向的運動。
該種驅動方式依賴于磁塊加速的內力和腸道外力相互作用，對運動環境有一定的要求。
2.2 電刺激式
利用電極刺激腸道收縮可推動膠囊運動，通過改變電極刺激等級可改變運動速度。Woo等[11]設計采用四個電極實現了膠囊的雙向運動。利用電刺激膠囊機器人產生的推力必須大于最大靜摩擦力，當刺激器位于膠囊中間時可實現鉗位，能夠停泊在腸道中。
3 外磁場驅動機器人
3.1 磁懸浮式
磁場懸浮式(magnetic levitation system)是指通過外部磁鐵和膠囊內永磁鐵相互吸引和排斥的作用，驅動膠囊運動和轉向。設計中包括外磁場導向裝置和膠囊的磁鐵環[12]。為了提高磁場中的控制精度，結合類似達爾文系統的醫用精密手臂驅動外磁場，相對手動驅動，可達到更高的目標趨近率。Simi等[13]設計了磁導向視頻圖像膠囊。膠囊包括頭尾兩部分，可以懸浮、轉向、轉動攝像頭。已設計實現了可用于胃內的3D任意位置游動的磁驅動柔軟膠囊機器人[14]，并可通過磁力擠壓膠囊變形來定點施藥。Lien等[15]采用手持式外部磁場導航儀(可控距離12 cm)，設計實現了可檢查胃壁的膠囊內窺鏡。
3.2 磁旋轉式
磁旋轉式是指在旋轉磁場作用下，利用動壓原理使膠囊在腸道中高速螺旋前進。Masahiko等提出了一種可在旋轉磁場中游動的機器人的設計。Gao等[16]設計了旋轉磁場的驅動膠囊內窺鏡，并進行了相應的電磁驅動設計及仿真分析。Zhou等設計了螺旋磁場的螺旋膠囊系統，分析螺紋的參數，優化結構。Kim等[17]設計了帶表面螺紋的膠囊，在外部旋轉磁場平臺作用下可旋轉運動或平移運動，當外部磁場的旋轉角速度為24 r/min時，膠囊運動速度可達400 mm/min。Zhang等[18]設計實現的磁驅膠囊機器人，可在管道中垂直運動，并研究了轉彎的可行性。為了適應變化的腸道直徑，設計了變直徑膠囊，提高了膠囊機器人外表面螺旋肋處的流體動壓力、推力和膠囊機器人的管徑適應性，采用了三軸正交的亥姆霍茲線圈生成一個空間全方位的磁場環境。
3.3 磁場混合驅動
為了更好地適應腸道環境，使機器人可以在粘滑的腸道中鉗位，撐開塌縮的腸道，研究者們結合磁驅動和其他驅動方式進行膠囊機器人的設計。Simi等[19]在磁懸浮膠囊機器人中結合了腿式機構, 通過外磁場驅動機器人懸浮，無刷電機驅動腿可以撐開塌縮的腸道，減少運動阻力。Okada等[20]結合了尾鰭拍打運動和螺旋射流運動，通過外磁場驅動機器人機體可以旋轉前進并振動。
另外，有些新穎設計也為機器人的發展提供了新思路：螺旋鞭毛的驅動方式，利用旋轉的外磁場驅動產生推動的扭矩力[21]；利用高分子化合物水凝膠鉗位，通過加熱改變其親水狀態，從而改變其鉗位力[22]；在電機驅動下，旋轉膠囊頭部的螺旋紋理與腸道作用產生前進的摩擦力[23]；研制拖纜的黏膜黏附機器人，采用PDMS材料制作黏附力相對較大的履帶等[24]，利用滾輪或類似履帶表面的摩擦力在腸道中運動。
4 討論
尺蠖、蚯蚓式和腿式機器人限于能量消耗，一般采用拖纜的方式，少數使用了無線能量傳輸。尺蠖和蚯蚓式機器人有較長的體長，無法吞服，從肛門進入腸道檢查，伸縮步距較長，可獲得較高的運動速度；而且由于具有細長的體型，運動穩定性好，可較好地適應腸道細長的管腔環境。尤其是尺蠖式機器人增加了鉗位機構，可幫助克服運動步距的損失。但該類機構要求機體柔軟，可通過腸道轉彎處，不產生拉扯和傷害。腿式機器人趨向于可吞服膠囊大小的設計，運動步態簡單，相對靈活，可一定程度撐開塌縮的腸道，幫助鉗位和圖像診察。但其一個步距的長度完全依賴腿的長度，或是機體中螺桿的長度，短小的機器人不利于克服腸道的蠕動波。鉗位點集中在腿的尖端，單點接觸尤其是尖腿的接觸有安全隱患。但是其結構簡單，運動速度快，接近于傳統內窺鏡的檢查速度(結腸鏡檢查需要20~60 min)。受限于機體的大小，傳統的加工方式不能滿足機構的加工要求，需使用MEMS的加工手段，并且要求機構結構簡單高效，現有的驅動方式很難進一步提高此類機器人的運動性能。
腸刺激和摩擦力的驅動方式比較新穎，利用腸道內部環境特點，膠囊本體可以做到無縫密封，體積為可吞服大小。靜摩擦力驅動利用了膠囊內力和腸道摩擦力之差，在膠囊內部重力塊的作用下，實現在腸道中的滑動，該方案尚在理論研究階段。但有幾點需要考慮：腸道內壁的環境變化，導致表面摩擦特性變化較大，摩擦力和內力的相互作用能否保持運動性能；作用力的方向為一維，只能在腸道軸向方向上運動，可能容易在彎曲處受阻；沒有鉗位或擴張腸道的能力，無法定點診察。腸刺激方式所需能量較少，但是電壓較高(6~20 V)，電池供電仍然不能滿足能量需求，還需要完善供能和控制方案。另外，患者對腸道刺激方式的耐受性也需要進一步的研究。
磁驅動借助于體外驅動設備，集控制驅動于一體，擺脫了線纜的束縛，無需擔心能量不足的問題。同時，控制裝置位于體外有利于實現體內膠囊的微小化。但是在控制過程中，需對當前膠囊位置定位，并制定導航控制方案。磁懸浮式為了實現高精度的位置和角度控制，借助了外部手術機器人手臂，設備較復雜，而且結合定位的導航控制方案也需要進一步的研究。該種運動方式適合寬闊的水環境，運動維數一般為兩維，可旋轉、前進或后退，多節式可以增加運動維數，但是體積變大。結合腿式結構的混合方式，引入了其他的驅動設備，增加了系統的復雜性，消除了磁驅動的優越性。另外，視頻觀察供能仍然依賴電能，連續的觀察幫助定姿需要拖纜供電，單純依賴磁驅動的方式依然難以實現多功能診療。旋轉磁場驅動在液體管道環境中有很好的運動性能，可以垂直高速地前進后退，該方式經過多年的研究，系統已臻成熟，但在塌縮、多彎曲的活體腸道環境中仍需驗證。另外，高速旋轉的狀態使之不適合用于視頻觀察。
盡管不同類型機器人的設計都有其局限性，但現階段腸道內窺鏡機器人已經獲得了巨大進步，并向多樣化、小型化和多功能化方向發展。我們相信隨著技術的發展和進步，腸道診察機器人可實現對全消化道的診療，為人類提供更加安全、舒適、高效的醫療服務。
引言
2000年，以色列Given Imaging發明了膠囊內鏡“M2A”，并將其推向市場，現在膠囊內窺鏡作為腸道診察的輔助方式，獲得越來越多的關注[1]。我國金山科技有限公司推出的OMOM膠囊[2]在中國已經投入測試。但膠囊內窺鏡跟隨腸道蠕動而被動運動，無法重復檢查或停泊，且無法代替傳統內窺鏡實施復雜診療動作。為克服其缺點，下一步膠囊內窺鏡的發展需實現自主運動、高效安全，并可實施活檢、施藥等定點手術。
目前，由第二軍醫大學設計實現的膠囊內鏡機器人[3]已研制成功，采用外磁場驅動，可實現對胃部的定位和檢查。而全消化道尤其是腸道的內窺鏡機器人的實現仍然是難點。
現階段的研究集中于解決無線纜限制及主動運動。驅動方式決定了膠囊內窺鏡機器人的運動特性，主要包括以下幾種：利用驅動電機、SMA等執行元件，實現腸道內的仿生運動；近兩年出現了利用腸刺激推動膠囊，或是內部靜態摩擦力運動；在外部磁場作用下，驅動腸道內部膠囊的轉向、沉浮和前進后退等動作；另外，還有將磁驅動和其他驅動方式相結合的混合驅動。下面分別介紹幾種典型的腸道內窺鏡機器人的研究進展。
1 仿生機器人
1.1 蚯蚓、尺蠖仿生機器人
蚯蚓及尺蠖式機器人采用多節細長的機構，適應腸道管腔環境，可靈活轉彎并依靠體表材料產生摩擦力，幫助推動前進。筆者等曾分別采用了壓電、SMA和電機驅動，實現了仿蚯蚓式小腸機器人和結腸機器人，并攜帶攝像頭和無線通信控制，可診察腸道圖像。另外氣動式仿蚯蚓運動機器人，通過調節氣壓可以使艙體伸縮與轉向，或使用SMA驅動伸縮結構，采用類似剛毛的尖鉤增加各節的摩擦力[4]。
仿尺蠖式機器人類似于蚯蚓式機器人為多節結構，機器人的基本單元為鉗位和伸縮，機器人以一定的步序驅動各個運動單元。多采用氣動吸附、夾鉗、徑向擴張的方法增加腸道中的鉗位力。Lin等[5]、高鵬等[6]分別設計了在小腸和結腸中運動的尺蠖式機器人，軸向撐開的腿式鉗位結構可以快速擴張腸壁，并可有效增加鉗位力。現在尺蠖機器人向短小型化發展，出現了單電機的尺蠖式機器人樣機[7]。
1.2 昆蟲仿生機器人
腿式機器人仿照昆蟲爬行，通過腿的劃動推進機體，細長而尖的足部結構可撐開腸道并獲得一定的鉗位力。多采用電機驅動螺桿、蝸桿或SMA彈簧拉動腿式機構[8]。Gu等[9]設計了SMA驅動的足式機器人，機體直徑15 mm，長33 mm。
2 內力驅動機器人
2.1 摩擦力驅動
利用膠囊內力和腸道環境摩擦力運動的膠囊機器人不需要外部運動部件，機器人機體由一個塑料管、銅線圈和一個NiFeB磁鐵棒組成，控制內部重塊的運動加速度[10]，按照四步動作循環執行，可實現機器人單維方向的運動。
該種驅動方式依賴于磁塊加速的內力和腸道外力相互作用，對運動環境有一定的要求。
2.2 電刺激式
利用電極刺激腸道收縮可推動膠囊運動，通過改變電極刺激等級可改變運動速度。Woo等[11]設計采用四個電極實現了膠囊的雙向運動。利用電刺激膠囊機器人產生的推力必須大于最大靜摩擦力，當刺激器位于膠囊中間時可實現鉗位，能夠停泊在腸道中。
3 外磁場驅動機器人
3.1 磁懸浮式
磁場懸浮式(magnetic levitation system)是指通過外部磁鐵和膠囊內永磁鐵相互吸引和排斥的作用，驅動膠囊運動和轉向。設計中包括外磁場導向裝置和膠囊的磁鐵環[12]。為了提高磁場中的控制精度，結合類似達爾文系統的醫用精密手臂驅動外磁場，相對手動驅動，可達到更高的目標趨近率。Simi等[13]設計了磁導向視頻圖像膠囊。膠囊包括頭尾兩部分，可以懸浮、轉向、轉動攝像頭。已設計實現了可用于胃內的3D任意位置游動的磁驅動柔軟膠囊機器人[14]，并可通過磁力擠壓膠囊變形來定點施藥。Lien等[15]采用手持式外部磁場導航儀(可控距離12 cm)，設計實現了可檢查胃壁的膠囊內窺鏡。
3.2 磁旋轉式
磁旋轉式是指在旋轉磁場作用下，利用動壓原理使膠囊在腸道中高速螺旋前進。Masahiko等提出了一種可在旋轉磁場中游動的機器人的設計。Gao等[16]設計了旋轉磁場的驅動膠囊內窺鏡，并進行了相應的電磁驅動設計及仿真分析。Zhou等設計了螺旋磁場的螺旋膠囊系統，分析螺紋的參數，優化結構。Kim等[17]設計了帶表面螺紋的膠囊，在外部旋轉磁場平臺作用下可旋轉運動或平移運動，當外部磁場的旋轉角速度為24 r/min時，膠囊運動速度可達400 mm/min。Zhang等[18]設計實現的磁驅膠囊機器人，可在管道中垂直運動，并研究了轉彎的可行性。為了適應變化的腸道直徑，設計了變直徑膠囊，提高了膠囊機器人外表面螺旋肋處的流體動壓力、推力和膠囊機器人的管徑適應性，采用了三軸正交的亥姆霍茲線圈生成一個空間全方位的磁場環境。
3.3 磁場混合驅動
為了更好地適應腸道環境，使機器人可以在粘滑的腸道中鉗位，撐開塌縮的腸道，研究者們結合磁驅動和其他驅動方式進行膠囊機器人的設計。Simi等[19]在磁懸浮膠囊機器人中結合了腿式機構, 通過外磁場驅動機器人懸浮，無刷電機驅動腿可以撐開塌縮的腸道，減少運動阻力。Okada等[20]結合了尾鰭拍打運動和螺旋射流運動，通過外磁場驅動機器人機體可以旋轉前進并振動。
另外，有些新穎設計也為機器人的發展提供了新思路：螺旋鞭毛的驅動方式，利用旋轉的外磁場驅動產生推動的扭矩力[21]；利用高分子化合物水凝膠鉗位，通過加熱改變其親水狀態，從而改變其鉗位力[22]；在電機驅動下，旋轉膠囊頭部的螺旋紋理與腸道作用產生前進的摩擦力[23]；研制拖纜的黏膜黏附機器人，采用PDMS材料制作黏附力相對較大的履帶等[24]，利用滾輪或類似履帶表面的摩擦力在腸道中運動。
4 討論
尺蠖、蚯蚓式和腿式機器人限于能量消耗，一般采用拖纜的方式，少數使用了無線能量傳輸。尺蠖和蚯蚓式機器人有較長的體長，無法吞服，從肛門進入腸道檢查，伸縮步距較長，可獲得較高的運動速度；而且由于具有細長的體型，運動穩定性好，可較好地適應腸道細長的管腔環境。尤其是尺蠖式機器人增加了鉗位機構，可幫助克服運動步距的損失。但該類機構要求機體柔軟，可通過腸道轉彎處，不產生拉扯和傷害。腿式機器人趨向于可吞服膠囊大小的設計，運動步態簡單，相對靈活，可一定程度撐開塌縮的腸道，幫助鉗位和圖像診察。但其一個步距的長度完全依賴腿的長度，或是機體中螺桿的長度，短小的機器人不利于克服腸道的蠕動波。鉗位點集中在腿的尖端，單點接觸尤其是尖腿的接觸有安全隱患。但是其結構簡單，運動速度快，接近于傳統內窺鏡的檢查速度(結腸鏡檢查需要20~60 min)。受限于機體的大小，傳統的加工方式不能滿足機構的加工要求，需使用MEMS的加工手段，并且要求機構結構簡單高效，現有的驅動方式很難進一步提高此類機器人的運動性能。
腸刺激和摩擦力的驅動方式比較新穎，利用腸道內部環境特點，膠囊本體可以做到無縫密封，體積為可吞服大小。靜摩擦力驅動利用了膠囊內力和腸道摩擦力之差，在膠囊內部重力塊的作用下，實現在腸道中的滑動，該方案尚在理論研究階段。但有幾點需要考慮：腸道內壁的環境變化，導致表面摩擦特性變化較大，摩擦力和內力的相互作用能否保持運動性能；作用力的方向為一維，只能在腸道軸向方向上運動，可能容易在彎曲處受阻；沒有鉗位或擴張腸道的能力，無法定點診察。腸刺激方式所需能量較少，但是電壓較高(6~20 V)，電池供電仍然不能滿足能量需求，還需要完善供能和控制方案。另外，患者對腸道刺激方式的耐受性也需要進一步的研究。
磁驅動借助于體外驅動設備，集控制驅動于一體，擺脫了線纜的束縛，無需擔心能量不足的問題。同時，控制裝置位于體外有利于實現體內膠囊的微小化。但是在控制過程中，需對當前膠囊位置定位，并制定導航控制方案。磁懸浮式為了實現高精度的位置和角度控制，借助了外部手術機器人手臂，設備較復雜，而且結合定位的導航控制方案也需要進一步的研究。該種運動方式適合寬闊的水環境，運動維數一般為兩維，可旋轉、前進或后退，多節式可以增加運動維數，但是體積變大。結合腿式結構的混合方式，引入了其他的驅動設備，增加了系統的復雜性，消除了磁驅動的優越性。另外，視頻觀察供能仍然依賴電能，連續的觀察幫助定姿需要拖纜供電，單純依賴磁驅動的方式依然難以實現多功能診療。旋轉磁場驅動在液體管道環境中有很好的運動性能，可以垂直高速地前進后退，該方式經過多年的研究，系統已臻成熟，但在塌縮、多彎曲的活體腸道環境中仍需驗證。另外，高速旋轉的狀態使之不適合用于視頻觀察。
盡管不同類型機器人的設計都有其局限性，但現階段腸道內窺鏡機器人已經獲得了巨大進步，并向多樣化、小型化和多功能化方向發展。我們相信隨著技術的發展和進步，腸道診察機器人可實現對全消化道的診療，為人類提供更加安全、舒適、高效的醫療服務。