活檢交給機器人，你敢嗎？天津大學等團隊研發“小膠囊”采集樣本穩準狠

大數據文摘授權轉載自機器人大講堂

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

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

提到胃腸鏡，膠囊機器人(CR)因其對使用者的不適程度低，是一種擁有廣泛前景的內鏡診斷方法。只要吞下一顆小小的膠囊機器人，就可以展開一場奇幻的人體旅行，帶你領略自己身體里的別致“風景”。

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

基于此項難題，近日國內以天津大學為首的團隊提出了活檢膠囊機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的鋒利刀片取走，避免組織撕裂。該項研究以論文《A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue》為題發表于中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Cyborg and Bionic Systems》中。

揭秘醫療黑科技

為啥要用高速旋轉的刀片采樣？研發團隊表示，靈感來源于，生活經驗。。。

你可以簡單粗暴的這樣理解：當肉放在案板上時，切肉當然容易；然而，如果肉是掛著的，切起來就困難多了。同樣，用BCR固定的刀片切割腸道組織也很困難，因為組織非常靈活，BCR不能穩定固定。因此基于上述想法，團隊提出了一種新的采樣策略:高速旋轉鋒利的刀片，趁可疑組織不注意，迅速將其切割。

戰術get到了，來看看這款機器人的構造。

這款新型的膠囊機器人中有一個小小的永磁體，通過外部磁場來控制BCR的運動。BCR中的高速切割器則是由一個旋緊的螺旋彈簧激活，這種螺旋彈簧可以提供比馬達或同等質量的磁鐵更強勁的瞬時動力，可以有效地避免運動控制和活檢操控之間的相互干擾。

同時，研發團隊還設計了一個觸發機構，以保證可靠的采樣，使用鮑登電纜傳遞觸發力實現活檢。為避免誤觸發，扳機力保持大于指定閾值，并可通過安裝在操作端的力傳感器實時監測。活檢機構及觸發機構的設計考慮了多次活檢的潛在需求，可進行不同部位的活檢采樣。

為了驗證該方案的可行性，團隊設計并制作了原型。膠囊直徑為18毫米，長度為40毫米。為了保證高速旋轉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動外，采用鋒利刀刃以及特殊設計的刀具形狀。傳動部件由金屬制成，外殼由3D打印技術制成。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3D打印制成的可快速插拔連接器安裝在觸發器操作端（由臨床一次性活檢鉗改造而成）上，可實現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使用（已獲得國家發明專利CN111991036B）。

整體流程

活檢膠囊機器人首先從肛門進入結腸，在外部磁場的驅動下在腸道內運動，通過視覺圖像傳輸探尋并靠近可疑組織，移動觸發器操作端中的滑塊就可以拉動鮑登線纜進行觸發采樣。顯示面板可以實時顯示觸發力度，以確保安全性。觸發結束后活檢刀具可重新恢復到初始狀態，準備下一次活檢。

實驗驗證過程

接下來，團隊通過實驗驗證了膠囊機器人的高速切削性能并分析了軟組織撕裂時的速度閾值。實驗結果表明，膠囊機器人可以實現多次活檢觸發，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機器人來控制膠囊機器人的姿態，以驗證膠囊在活檢過程中調整姿態的能力。在KUKA機器人的控制下，膠囊機器人可以通過前進、后退、翻滾等動作精確到達活檢部位。最后，在離體豬大腸上進行了活檢取樣驗證。

未來應用前景

該研究提出了全新的多次活檢膠囊機器人設計思路，未來隨著手術環境同步定位和測繪技術的發展，BCR移動的同時結腸的3D地圖可以被同步構建，并且BCR的位置和姿態也將被記錄在地圖中，可以進一步輔助膠囊內窺鏡下的活檢操作，提升活檢的可靠性。該類膠囊機器人有望成為未來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