活检交给机器人，你敢吗？天津大学等团队研发“小胶囊”采集样本稳准狠

在人身体的消化道中，有一个直接威胁健康的隐形杀手，它通常能够在体内潜伏5~10年，然后突然发病，并在3~5年内成为威胁生命的存在。这个杀手就是结直肠癌。

结直肠癌作为最常见的消化道恶性肿瘤。近年来我国结直肠癌的发病率和死亡率呈明显上升的趋势。截至2020年我国结直肠癌发病率居第3位。但是很多人不知道的是，结直肠癌也是最容易预防的癌症之一，筛查的方式就是——胃肠镜。

提到胃肠镜，胶囊机器人(CR)因其对使用者的不适程度低，是一种拥有广泛前景的内镜诊断方法。只要吞下一颗小小的胶囊机器人，就可以展开一场奇幻的人体旅行，带你领略自己身体里的别致“风景”。

目前市面上大多数的胶囊机器人仅用于获取图像信息，而缺乏采集样本的能力。当遇到可疑病灶时，活检是必不可免的。在实际临床应用中，被广泛使用的是可以夹持和切割组织的活检钳。虽然也有一些活检胶囊机器人(BCRs) ，但由于结肠组织的柔韧性，在获取肠道组织的同时避免撕裂和粘连仍然是一个挑战。

基于此项难题，近日国内以天津大学为首的团队提出了活检胶囊机器人的新型活检采样策略，在采样中，软组织可以被高速旋转的锋利刀片取走，避免组织撕裂。该项研究以论文《A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue》为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Cyborg and Bionic Systems》中。

▍揭秘医疗黑科技

为啥要用高速旋转的刀片采样？研发团队表示，灵感来源于，生活经验。。。

你可以简单粗暴的这样理解：当肉放在案板上时，切肉当然容易；然而，如果肉是挂着的，切起来就困难多了。同样，用BCR固定的刀片切割肠道组织也很困难，因为组织非常灵活，BCR不能稳定固定。因此基于上述想法，团队提出了一种新的采样策略:高速旋转锋利的刀片，趁可疑组织不注意，迅速将其切割。

战术get到了，来看看这款机器人的构造。

这款新型的胶囊机器人中有一个小小的永磁体，通过外部磁场来控制BCR的运动。BCR中的高速切割器则是由一个旋紧的螺旋弹簧激活，这种螺旋弹簧可以提供比马达或同等质量的磁铁更强劲的瞬时动力，可以有效地避免运动控制和活检操控之间的相互干扰。

同时，研发团队还设计了一个触发机构，以保证可靠的采样，使用鲍登电缆传递触发力实现活检。为避免误触发，扳机力保持大于指定阈值，并可通过安装在操作端的力传感器实时监测。活检机构及触发机构的设计考虑了多次活检的潜在需求，可进行不同部位的活检采样。

为了验证该方案的可行性，团队设计并制作了原型。胶囊直径为18毫米，长度为40毫米。为了保证高速旋转的刀片能够有效切割组织而不撕裂组织，除了使得刀片高速运动外，采用锋利刀刃以及特殊设计的刀具形状。传动部件由金属制成，外壳由3D打印技术制成。螺旋弹簧采用304不锈钢，厚度为0.2 mm。

此外，力传感器(SBT-50N)通过3D打印制成的可快速插拔连接器安装在触发器操作端（由临床一次性活检钳改造而成）上，可实现力传感器和夹具之间的快速方便连接和拆分，使力传感器可以重复使用（已获得国家发明专利CN111991036B）。

▍整体流程

活检胶囊机器人首先从肛门进入结肠，在外部磁场的驱动下在肠道内运动，通过视觉图像传输探寻并靠近可疑组织，移动触发器操作端中的滑块就可以拉动鲍登线缆进行触发采样。显示面板可以实时显示触发力度，以确保安全性。触发结束后活检刀具可重新恢复到初始状态，准备下一次活检。

▍实验验证过程

接下来，团队通过实验验证了胶囊机器人的高速切削性能并分析了软组织撕裂时的速度阈值。实验结果表明，胶囊机器人可以实现多次活检触发，并且每次的切割速度均可有效避免软组织撕裂。

并利用带磁铁的KUKA机器人来控制胶囊机器人的姿态，以验证胶囊在活检过程中调整姿态的能力。在KUKA机器人的控制下，胶囊机器人可以通过前进、后退、翻滚等动作精确到达活检部位。最后，在离体猪大肠上进行了活检取样验证。

▍未来应用前景

该研究提出了全新的多次活检胶囊机器人设计思路，未来随着手术环境同步定位和测绘技术的发展，BCR移动的同时结肠的3D地图可以被同步构建，并且BCR的位置和姿态也将被记录在地图中，可以进一步辅助胶囊内窥镜下的活检操作，提升活检的可靠性。该类胶囊机器人有望成为未来临床胃肠检查的全新手段。

论文地址：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

排版 | 麦子

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