腸道膠囊內鏡的研究進展

田壯　黃俊華

摘要：隨著醫學界對消化道膠囊內鏡的需求越來越迫切，最初的隨胃腸道蠕動的被動移動式膠囊內鏡已無法滿足醫學的要求。本文重點介紹了膠囊內鏡的研究進展，提出了現如今幾種膠囊內鏡的機械結構和驅動類型，指出各種類型的膠囊內鏡的優缺點，為膠囊內鏡的進一步智能化研究提供參考。

關鍵詞：智能化 機器人 膠囊內鏡

引言

消化道疾病是我國人群中的常見病和多發病。傳統的胃鏡和腸鏡檢查方法中鏡身必須從受檢者口腔或者肛門進入消化道，患者在身體遭受痛苦的同時心理也會產生一定的恐懼，如果處理不當，還會造成交叉感染。

膠囊內鏡因其在檢查消化道病變時具有操作簡單、檢查方便、無痛苦、無創傷及其無交叉感染等優點，填補了胃鏡和腸鏡的檢查盲區，擴展了消化道檢查視野，尤其對可疑小腸病變具有很高的診斷價值，被醫學界譽為21世紀內窺鏡發展的革命與方向。然而，隨著對全腸道膠囊內鏡的需求越來越迫切，最初的隨胃腸遘蠕動的被動移動式膠囊內鏡已無法滿足醫學的要求，膠囊內鏡的智能化主運動機構成為解決這一問題的關鍵點和突破點。

本文重點介紹了膠囊內鏡的研究進展，提出了現如今幾種膠囊內鏡的機械結構和驅動類型，指出各種類型的智能化膠囊內鏡的優缺點，為膠囊內鏡的進一步智能化研究提供參考。

1膠囊內鏡機械結構研究

1.1活檢機構

活檢機構是一種可以從人體內通過切取、鉗取或刺穿等方法取出病變組織的機構。它方便醫生對患者體內病變組織進行診斷和研究，了解病變，確定病變性質進而決定手術方案。膠囊內鏡的活檢機構還未真正用于臨床，不過科研工作者對于膠囊內鏡活檢機構的研究從未停歇。目前膠囊內鏡使用的活檢機構主要分為活檢鉗式和活檢剃刀式兩類。

（1）活檢鉗

膠囊內鏡所用的活檢鉗一般是利用鉗刀切下人體病變組織樣本，并把組織樣本回收進膠囊內的活檢裝置。不同于一般的內窺鏡活檢鉗，它的動力由膠囊內鏡內部提供而不是人力。因此膠囊內鏡用活檢鉗的體積大小和能耗要求非常高。

（2）活檢剃刀

膠囊內鏡用的活檢剃刀的基本機構運行動作與日常生活中的剃刀動作類似。只是膠囊內鏡結構狹小，在如此狹小的空間如何實現剃刀結構主動運動成為一個難點。

1.2爬行機構

早期的膠囊內鏡無法在人體腸道內主動行走，只能隨著腸道的蠕動而移動，為了更好地觀察病灶位置、活檢取樣和定點施藥，越來越多的科研工作者提出了膠囊內鏡主動爬行機構。它不但解決了膠囊內鏡在人體內無法移動的難題，并可以保證膠囊內鏡以一定的速度和方向定向移動，大大方便了醫生對病情的診斷和研究。目前科研工作者所提出的爬行機構多種多樣，主要有尺蠖類爬行式、螺旋槳爬行式、旋轉磁場爬行式等。

（1）尺蠖類爬行式

尺蠖身體的前后部位有類似吸盤的附件，中間軀干可以收縮和伸長，運動過程中前后吸盤交替作用，中間部位交替收縮和伸長，最終實現運動[2]。尺蠖類膠囊內鏡機器人包括鉗位、伸縮等模塊，在運動過程中模擬尺蠖的運動步序該過程中鉗位機構主要通過氣動吸附、夾鉗、徑向擴張的方法增加腸道中的鉗位力。

（2）螺旋槳爬行式

螺旋槳驅動的膠囊內鏡機器人多為內部電池供電，電機帶動螺旋槳驅動機器人前進。螺旋槳的作用主要用于控制膠囊前進的速度。

（3）旋轉磁場爬行式

磁旋轉磁場驅動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。

1.3聚焦機構

膠囊內鏡的一個重要作用是拍攝病灶部位的清晰圖像，并將其傳輸出來。調焦和光學變焦系統則是智能膠囊內鏡的一個重要研究方向，以洛倫茲力致動器在膠囊內鏡調焦和光學變焦系統中研究最為突出。

2膠囊內鏡驅動機構

根據目前膠囊內鏡各主動運動機構的動力源的不同，我們將其歸納為電磁電機驅動型、磁致動器驅動型、洛倫茲力致動器驅動型、智能材料驅動型四種類型。

2.1電磁電機驅動型

采用電磁電機控制的膠囊內鏡，電磁電機 機械傳動機構系統模型的建立與普通電磁電機控制機構并無過多區別。為了提高傳遞精度的做法只有提高零件的加工精度和改善系統的控制策略。提高零件加工精度會進一步增加微小零件的加工難度，同時增加成本。

2.2磁致動器驅動型

采用磁致動器的膠囊內鏡其機械傳動系統與電磁電機驅動的膠囊內鏡并無本質區別。但膠囊內鏡的空間狹小，因此其內部的機構均比較小而復雜。傳遞鏈越長，齒輪與齒輪之間，絲杠與螺母之間的累積間隙越大，系統的機械誤差越大，最終導致系統的控制精度越低等方面的問題依然存在。

2.3洛倫茲力致動器驅動型

洛倫茲力致動器控制機構本質上是磁致動器的典型特例，只是由于其特殊簡單的結構和在微小調焦和光學變焦系統中的重要作用被單獨提及。洛倫茲力致動器內部的作用機理決定了它和磁致動器一樣具有較大的滯后性、非線性和不確定性，建模難度較大。

2 4智能材料驅動型

如圖一為智能材料驅動膠囊內鏡概念圖。在膠囊內鏡中由于受作業空間的限制，采用形狀記憶合金作為微機電系統[3]的驅動源具有輸出力、輸出位移大，功率比高，生物相容性好，驅動電壓低，無噪音，無污染，位移輸出沒有方向性，體積小，重量輕等眾多優點。

3結論

膠囊內鏡正在向微型化、多功能化、智能化的方向發展，實現膠囊內鏡鏡頭姿態自動調整、主動爬行、取活檢和定點施藥等功能成為其進一步發的新趨勢。隨著膠囊內鏡功能的不斷完善，實現全消化道的診斷，為人類提供更加安全、高效的醫療服務將逐步成為可能。

參考文獻

[1]高鵬，顏國正，王志武，等.腸道微機器人柔性運動系統[J].光學精密工程，2012，20（3）： 541-549.

[2]辛文輝，侯逢勃，主動式膠囊內鏡系統設計[J].測控技術，2014，（10）：13-16.

[3]朱勝清，張華，馬國紅，等.膠囊內鏡機器人微驅動仿真研究[J].微計算機信息，2008，24（12）：250-251.