小小胶囊机器人，腔镜手术大功臣

cbi89 2019-05-15

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提示：

胶囊微型机器人，是一种能进入人体胃肠道进行医学探查和治疗的智能化微型工具，是体内介入检查与治疗医学技术的新突破。人们研制出的微型消化道胶囊内窥镜是利用消化道蠕动进行整个区域检查，由内嵌CMOS微型摄像机以无线方式传输检查图像。

胶囊微型机器人在人体肠胃中进行无创检查和小损伤手术，对于减轻病人痛苦、提高检查和手术的安全性和降低医疗费用都具有重要意义。现在国内治疗肠胃病的一般方法是用内窥镜透视、放射造影或手术检查，不但费用高而且病人比较痛苦。而微型机器人不但成本低、节省时间，而且治疗起来并不会给病人带来痛苦。

相比传统胃镜给人带来的不适，借助安翰磁控胶囊胃镜机器人，受检人无需插管，喝一口水、吞一颗胶囊，躺15分钟就能完成无痛、无创、无麻醉的胃部检查。

但是，现有胶囊内窥镜靠肠道蠕动或者重力行走，速度及姿态具有偶然性，临床研究表明胶囊内窥镜在小肠内的诊断效果最好，但在食管、胃部和结肠等三维宽裕环境内的诊断效果较差，存在视觉盲区和漏检高等问题。原因是在肠道蠕动与重力作用下，胶囊姿态更容易翻滚。事实上，研究宽裕环境内胶囊调姿与行走的主动控制更有实用价值。临床分析表明肠道宽裕环境内胶囊内窥镜漏检率高的原因是没有根本解决定点调姿问题：例如，结肠检查技术尚属空白；定向介入施药、取样、光动等诊疗等作业依然受限于定点调姿功能。因此，研制三维宽裕环境内姿态与运动可主动控制的胶囊内窥镜迫在眉睫。

主动控制可望实现胶囊姿态调整，避开视觉盲区，提高诊断效果。主要存在两个技术瓶颈：第一个是要解决无缆驱动问题；第二个是适于胃肠道三维宽裕环境内新型驱动原理的研究。

首先，磁驱动为解决能源供给问题提供了新途径，主要有磁力与磁矩两种操作方式：磁力操作主要通过体外永磁体向胶囊施加磁力实现肠道内翻滚、移动，但梯度磁场的磁力使机器人姿态调整与运动的灵活性受限，姿态可控性差，位移控制精度低，甚至会导致胶囊冲击肠壁等危险；磁矩操作有两种方法，一种是采用旋转磁铁静态磁矩操纵胶囊在胃表面滚动与定位，但梯度磁场下磁矩与磁力耦合，影响调姿与行走控制的灵活性，不能实现内嵌径向磁化磁体胶囊姿态的唯一性控制，另一种操作方法是采用线圈电流激励耦合动态磁矩驱动，电流操作可产生方位、旋向和强度可控旋转磁场，灵活性等优势比磁铁明显，如NORIKA等采用三轴亥氏线圈磁场激励内嵌磁体胶囊装置实现旋转、前进、后退，但未解决旋转磁场轴线方位任意控制问题。

磁力改变位移，磁矩改变姿态，均匀磁场可消除磁矩与磁力耦合，只有纯磁矩操作才能保证胶囊姿态准确控制。纯磁矩操作方式有两种：一是两块平行磁铁间的均匀磁场；二是线圈电流激励均匀万向旋转磁场。前者体积庞大笨重，磁场方位控制不灵活，旋转操作不便利，因此，以磁铁驱动方式实施磁力或磁矩操作不能实现自由状态胶囊姿态的唯一性控制。本课题组突破了空间万向旋转磁场技术，实现了磁矢量方位、旋向、转速等数字化控制，解决了胶囊前进、后退与转弯驱动等难题。空间万向旋转磁场分布均匀，消除了梯度磁场磁力对姿态控制灵活性的限制，为姿态的唯一性控制奠定了基础。

其次，第二个技术瓶颈是胃肠道宽裕环境内调姿与行走可分离的高效驱动原理的研究。只有实现定点“悬停”调姿，才能避免胶囊滚动而错过待检区域，消除调姿与行走耦合影响，完成体内诊疗作业。典型主动式胶囊驱动系统包括划桨式、腿式、螺旋桨式、旋转驱动式，微电机驱动式和仿生式，上述驱动方式受自载电源的限制有碍于应用，且机器人均与肠道内壁接触，易导致肠道损伤。我们研制了一种花瓣廓形胶囊机器人，多楔形效应可有效避免肠道受损。尽管胶囊机器人已有三十余年的研究历程，典型载体结构与驱动原理并没有根本解决胶囊调姿问题：理论上，只有失重自由状态下，整体结构胶囊才能实现调姿与行走的分离；实践上，磁操作不能实现重力场下整体结构胶囊调姿与行走的独立控制。可见，三维宽裕环境定点调姿与行走双重模式转换的研究更具有挑战性。只有多刚体结构胶囊才能实现定点“悬停”调姿。

大连理工大学的张永顺教授团队提出了一种主被动双半球胶囊机器人和定点“悬停”调姿概念，突破了双半球胶囊调姿与滚动行走双重模态分离与转换关键技术：主动模态实现滚动行走；被动模态实现定点“悬停”调姿。定点“悬停”调姿是实现胶囊姿态准确控制的唯一手段。本文利用拉格朗日方程建立了定点“悬停”调姿动力学模型，确定了“悬停”稳定性条件，试验表明胶囊机器人姿态控制稳定，实现了双重工作模式转换与姿态的唯一性控制，定点“悬停”调姿为肠道内取样、定点靶向治疗等临床应用奠定了基础。