肠道胶囊内镜的研究进展

田壮　黄俊华

摘要：随着医学界对消化道胶囊内镜的需求越来越迫切，最初的随胃肠道蠕动的被动移动式胶囊内镜已无法满足医学的要求。本文重点介绍了胶囊内镜的研究进展，提出了现如今几种胶囊内镜的机械结构和驱动类型，指出各种类型的胶囊内镜的优缺点，为胶囊内镜的进一步智能化研究提供参考。

关键词：智能化 机器人 胶囊内镜

引言

消化道疾病是我国人群中的常见病和多发病。传统的胃镜和肠镜检查方法中镜身必须从受检者口腔或者肛门进入消化道，患者在身体遭受痛苦的同时心理也会产生一定的恐惧，如果处理不当，还会造成交叉感染。

胶囊内镜因其在检查消化道病变时具有操作简单、检查方便、无痛苦、无创伤及其无交叉感染等优点，填补了胃镜和肠镜的检查盲区，扩展了消化道检查视野，尤其对可疑小肠病变具有很高的诊断价值，被医学界誉为21世纪内窥镜发展的革命与方向。然而，随着对全肠道胶囊内镜的需求越来越迫切，最初的随胃肠遘蠕动的被动移动式胶囊内镜已无法满足医学的要求，胶囊内镜的智能化主运动机构成为解决这一问题的关键点和突破点。

本文重点介绍了胶囊内镜的研究进展，提出了现如今几种胶囊内镜的机械结构和驱动类型，指出各种类型的智能化胶囊内镜的优缺点，为胶囊内镜的进一步智能化研究提供参考。

1胶囊内镜机械结构研究

1.1活检机构

活检机构是一种可以从人体内通过切取、钳取或刺穿等方法取出病变组织的机构。它方便医生对患者体内病变组织进行诊断和研究，了解病变，确定病变性质进而决定手术方案。胶囊内镜的活检机构还未真正用于临床，不过科研工作者对于胶囊内镜活检机构的研究从未停歇。目前胶囊内镜使用的活检机构主要分为活检钳式和活检剃刀式两类。

（1）活检钳

胶囊内镜所用的活检钳一般是利用钳刀切下人体病变组织样本，并把组织样本回收进胶囊内的活检装置。不同于一般的内窥镜活检钳，它的动力由胶囊内镜内部提供而不是人力。因此胶囊内镜用活检钳的体积大小和能耗要求非常高。

（2）活检剃刀

胶囊内镜用的活检剃刀的基本机构运行动作与日常生活中的剃刀动作类似。只是胶囊内镜结构狭小，在如此狭小的空间如何实现剃刀结构主动运动成为一个难点。

1.2爬行机构

早期的胶囊内镜无法在人体肠道内主动行走，只能随着肠道的蠕动而移动，为了更好地观察病灶位置、活检取样和定点施药，越来越多的科研工作者提出了胶囊内镜主动爬行机构。它不但解决了胶囊内镜在人体内无法移动的难题，并可以保证胶囊内镜以一定的速度和方向定向移动，大大方便了医生对病情的诊断和研究。目前科研工作者所提出的爬行机构多种多样，主要有尺蠖类爬行式、螺旋桨爬行式、旋转磁场爬行式等。

（1）尺蠖类爬行式

尺蠖身体的前后部位有类似吸盘的附件，中间躯干可以收缩和伸长，运动过程中前后吸盘交替作用，中间部位交替收缩和伸长，最终实现运动[2]。尺蠖类胶囊内镜机器人包括钳位、伸缩等模块，在运动过程中模拟尺蠖的运动步序该过程中钳位机构主要通过气动吸附、夹钳、径向扩张的方法增加肠道中的钳位力。

（2）螺旋桨爬行式

螺旋桨驱动的胶囊内镜机器人多为内部电池供电，电机带动螺旋桨驱动机器人前进。螺旋桨的作用主要用于控制胶囊前进的速度。

（3）旋转磁场爬行式

磁旋转磁场驱动指在旋转磁场作用下，利用动压原理使胶囊在肠道中高速螺旋前进。

1.3聚焦机构

胶囊内镜的一个重要作用是拍摄病灶部位的清晰图像，并将其传输出来。调焦和光学变焦系统则是智能胶囊内镜的一个重要研究方向，以洛伦兹力致动器在胶囊内镜调焦和光学变焦系统中研究最为突出。

2胶囊内镜驱动机构

根据目前胶囊内镜各主动运动机构的动力源的不同，我们将其归纳为电磁电机驱动型、磁致动器驱动型、洛伦兹力致动器驱动型、智能材料驱动型四种类型。

2.1电磁电机驱动型

采用电磁电机控制的胶囊内镜，电磁电机 机械传动机构系统模型的建立与普通电磁电机控制机构并无过多区别。为了提高传递精度的做法只有提高零件的加工精度和改善系统的控制策略。提高零件加工精度会进一步增加微小零件的加工难度，同时增加成本。

2.2磁致动器驱动型

采用磁致动器的胶囊内镜其机械传动系统与电磁电机驱动的胶囊内镜并无本质区别。但胶囊内镜的空间狭小，因此其内部的机构均比较小而复杂。传递链越长，齿轮与齿轮之间，丝杠与螺母之间的累积间隙越大，系统的机械误差越大，最终导致系统的控制精度越低等方面的问题依然存在。

2.3洛伦兹力致动器驱动型

洛伦兹力致动器控制机构本质上是磁致动器的典型特例，只是由于其特殊简单的结构和在微小调焦和光学变焦系统中的重要作用被单独提及。洛伦兹力致动器内部的作用机理决定了它和磁致动器一样具有较大的滞后性、非线性和不确定性，建模难度较大。

2 4智能材料驱动型

如图一为智能材料驱动胶囊内镜概念图。在胶囊内镜中由于受作业空间的限制，采用形状记忆合金作为微机电系统[3]的驱动源具有输出力、输出位移大，功率比高，生物相容性好，驱动电压低，无噪音，无污染，位移输出没有方向性，体积小，重量轻等众多优点。

3结论

胶囊内镜正在向微型化、多功能化、智能化的方向发展，实现胶囊内镜镜头姿态自动调整、主动爬行、取活检和定点施药等功能成为其进一步发的新趋势。随着胶囊内镜功能的不断完善，实现全消化道的诊断，为人类提供更加安全、高效的医疗服务将逐步成为可能。

参考文献

[1]高鹏，颜国正，王志武，等.肠道微机器人柔性运动系统[J].光学精密工程，2012，20（3）： 541-549.

[2]辛文輝，侯逢勃，主动式胶囊内镜系统设计[J].测控技术，2014，（10）：13-16.

[3]朱胜清，张华，马国红，等.胶囊内镜机器人微驱动仿真研究[J].微计算机信息，2008，24（12）：250-251.