田壯　黃俊華

摘要：隨著醫(yī)學(xué)界對(duì)消化道膠囊內(nèi)鏡的需求越來(lái)越迫切，最初的隨胃腸道蠕動(dòng)的被動(dòng)移動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡已無(wú)法滿足醫(yī)學(xué)的要求。本文重點(diǎn)介紹了膠囊內(nèi)鏡的研究進(jìn)展，提出了現(xiàn)如今幾種膠囊內(nèi)鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)類型，指出各種類型的膠囊內(nèi)鏡的優(yōu)缺點(diǎn)，為膠囊內(nèi)鏡的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

關(guān)鍵詞：智能化 機(jī)器人 膠囊內(nèi)鏡

引言

消化道疾病是我國(guó)人群中的常見(jiàn)病和多發(fā)病。傳統(tǒng)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(mén)進(jìn)入消化道，患者在身體遭受痛苦的同時(shí)心理也會(huì)產(chǎn)生一定的恐懼，如果處理不當(dāng)，還會(huì)造成交叉感染。

膠囊內(nèi)鏡因其在檢查消化道病變時(shí)具有操作簡(jiǎn)單、檢查方便、無(wú)痛苦、無(wú)創(chuàng)傷及其無(wú)交叉感染等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了胃鏡和腸鏡的檢查盲區(qū)，擴(kuò)展了消化道檢查視野，尤其對(duì)可疑小腸病變具有很高的診斷價(jià)值，被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向。然而，隨著對(duì)全腸道膠囊內(nèi)鏡的需求越來(lái)越迫切，最初的隨胃腸遘蠕動(dòng)的被動(dòng)移動(dòng)式膠囊內(nèi)鏡已無(wú)法滿足醫(yī)學(xué)的要求，膠囊內(nèi)鏡的智能化主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)和突破點(diǎn)。

本文重點(diǎn)介紹了膠囊內(nèi)鏡的研究進(jìn)展，提出了現(xiàn)如今幾種膠囊內(nèi)鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)類型，指出各種類型的智能化膠囊內(nèi)鏡的優(yōu)缺點(diǎn)，為膠囊內(nèi)鏡的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

1膠囊內(nèi)鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)研究

1.1活檢機(jī)構(gòu)

活檢機(jī)構(gòu)是一種可以從人體內(nèi)通過(guò)切取、鉗取或刺穿等方法取出病變組織的機(jī)構(gòu)。它方便醫(yī)生對(duì)患者體內(nèi)病變組織進(jìn)行診斷和研究，了解病變，確定病變性質(zhì)進(jìn)而決定手術(shù)方案。膠囊內(nèi)鏡的活檢機(jī)構(gòu)還未真正用于臨床，不過(guò)科研工作者對(duì)于膠囊內(nèi)鏡活檢機(jī)構(gòu)的研究從未停歇。目前膠囊內(nèi)鏡使用的活檢機(jī)構(gòu)主要分為活檢鉗式和活檢剃刀式兩類。

（1）活檢鉗

膠囊內(nèi)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(jìn)膠囊內(nèi)的活檢裝置。不同于一般的內(nèi)窺鏡活檢鉗，它的動(dòng)力由膠囊內(nèi)鏡內(nèi)部提供而不是人力。因此膠囊內(nèi)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(nèi)鏡用的活檢剃刀的基本機(jī)構(gòu)運(yùn)行動(dòng)作與日常生活中的剃刀動(dòng)作類似。只是膠囊內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)狹小，在如此狹小的空間如何實(shí)現(xiàn)剃刀結(jié)構(gòu)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)成為一個(gè)難點(diǎn)。

1.2爬行機(jī)構(gòu)

早期的膠囊內(nèi)鏡無(wú)法在人體腸道內(nèi)主動(dòng)行走，只能隨著腸道的蠕動(dòng)而移動(dòng)，為了更好地觀察病灶位置、活檢取樣和定點(diǎn)施藥，越來(lái)越多的科研工作者提出了膠囊內(nèi)鏡主動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)。它不但解決了膠囊內(nèi)鏡在人體內(nèi)無(wú)法移動(dòng)的難題，并可以保證膠囊內(nèi)鏡以一定的速度和方向定向移動(dòng)，大大方便了醫(yī)生對(duì)病情的診斷和研究。目前科研工作者所提出的爬行機(jī)構(gòu)多種多樣，主要有尺蠖類爬行式、螺旋槳爬行式、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(pán)的附件，中間軀干可以收縮和伸長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前后吸盤(pán)交替作用，中間部位交替收縮和伸長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)[2]。尺蠖類膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人包括鉗位、伸縮等模塊，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中模擬尺蠖的運(yùn)動(dòng)步序該過(guò)程中鉗位機(jī)構(gòu)主要通過(guò)氣動(dòng)吸附、夾鉗、徑向擴(kuò)張的方法增加腸道中的鉗位力。

（2）螺旋槳爬行式

螺旋槳驅(qū)動(dòng)的膠囊內(nèi)鏡機(jī)器人多為內(nèi)部電池供電，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。螺旋槳的作用主要用于控制膠囊前進(jìn)的速度。

（3）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)爬行式

磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)指在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，利用動(dòng)壓原理使膠囊在腸道中高速螺旋前進(jìn)。

1.3聚焦機(jī)構(gòu)

膠囊內(nèi)鏡的一個(gè)重要作用是拍攝病灶部位的清晰圖像，并將其傳輸出來(lái)。調(diào)焦和光學(xué)變焦系統(tǒng)則是智能膠囊內(nèi)鏡的一個(gè)重要研究方向，以洛倫茲力致動(dòng)器在膠囊內(nèi)鏡調(diào)焦和光學(xué)變焦系統(tǒng)中研究最為突出。

2膠囊內(nèi)鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)目前膠囊內(nèi)鏡各主動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源的不同，我們將其歸納為電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)型、磁致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)型、洛倫茲力致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)型、智能材料驅(qū)動(dòng)型四種類型。

2.1電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)型

采用電磁電機(jī)控制的膠囊內(nèi)鏡，電磁電機(jī) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模型的建立與普通電磁電機(jī)控制機(jī)構(gòu)并無(wú)過(guò)多區(qū)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(tǒng)的控制策略。提高零件加工精度會(huì)進(jìn)一步增加微小零件的加工難度，同時(shí)增加成本。

2.2磁致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)型

采用磁致動(dòng)器的膠囊內(nèi)鏡其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)與電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的膠囊內(nèi)鏡并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。但膠囊內(nèi)鏡的空間狹小，因此其內(nèi)部的機(jī)構(gòu)均比較小而復(fù)雜。傳遞鏈越長(zhǎng)，齒輪與齒輪之間，絲杠與螺母之間的累積間隙越大，系統(tǒng)的機(jī)械誤差越大，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度越低等方面的問(wèn)題依然存在。

2.3洛倫茲力致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)型

洛倫茲力致動(dòng)器控制機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是磁致動(dòng)器的典型特例，只是由于其特殊簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和在微小調(diào)焦和光學(xué)變焦系統(tǒng)中的重要作用被單獨(dú)提及。洛倫茲力致動(dòng)器內(nèi)部的作用機(jī)理決定了它和磁致動(dòng)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(qū)動(dòng)型

如圖一為智能材料驅(qū)動(dòng)膠囊內(nèi)鏡概念圖。在膠囊內(nèi)鏡中由于受作業(yè)空間的限制，采用形狀記憶合金作為微機(jī)電系統(tǒng)[3]的驅(qū)動(dòng)源具有輸出力、輸出位移大，功率比高，生物相容性好，驅(qū)動(dòng)電壓低，無(wú)噪音，無(wú)污染，位移輸出沒(méi)有方向性，體積小，重量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)。

3結(jié)論

膠囊內(nèi)鏡正在向微型化、多功能化、智能化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)膠囊內(nèi)鏡鏡頭姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整、主動(dòng)爬行、取活檢和定點(diǎn)施藥等功能成為其進(jìn)一步發(fā)的新趨勢(shì)。隨著膠囊內(nèi)鏡功能的不斷完善，實(shí)現(xiàn)全消化道的診斷，為人類提供更加安全、高效的醫(yī)療服務(wù)將逐步成為可能。

參考文獻(xiàn)

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