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活檢交給機(jī)器人,你敢嗎?天津大學(xué)等團(tuán)隊(duì)研發(fā)“小膠囊”采集樣本穩(wěn)準(zhǔn)狠

發(fā)布人:大數(shù)據(jù)文摘 時(shí)間:2022-08-20 來源:工程師 發(fā)布文章

大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂


在人身體的消化道中,有一個(gè)直接威脅健康的****殺手,它通常能夠在體內(nèi)潛伏5~10年,然后突然發(fā)病,并在3~5年內(nèi)成為威脅生命的存在。這個(gè)殺手就是結(jié)直腸癌。


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結(jié)直腸癌作為最常見的消化道惡性腫瘤。近年來我國結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈明顯上升的趨勢。截至2020年我國結(jié)直腸癌發(fā)病率居第3位。但是很多人不知道的是,結(jié)直腸癌也是最容易預(yù)防的癌癥之一,篩查的方式就是——胃腸鏡。


提到胃腸鏡,膠囊機(jī)器人(CR)因其對(duì)使用者的不適程度低,是一種擁有廣泛前景的內(nèi)鏡診斷方法。只要吞下一顆小小的膠囊機(jī)器人,就可以展開一場奇幻的人體旅行,帶你領(lǐng)略自己身體里的別致“風(fēng)景”。


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目前市面上大多數(shù)的膠囊機(jī)器人僅用于獲取圖像信息,而缺乏采集樣本的能力。當(dāng)遇到可疑病灶時(shí),活檢是必不可免的。在實(shí)際臨床應(yīng)用中,被廣泛使用的是可以夾持和切割組織的活檢鉗。雖然也有一些活檢膠囊機(jī)器人(BCRs) ,但由于結(jié)腸組織的柔韌性,在獲取腸道組織的同時(shí)避免撕裂和粘連仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


基于此項(xiàng)難題,近日國內(nèi)以天津大學(xué)為首的團(tuán)隊(duì)提出了活檢膠囊機(jī)器人的新型活檢采樣策略,在采樣中,軟組織可以被高速旋轉(zhuǎn)的鋒利刀片取走,避免組織撕裂。該項(xiàng)研究以論文《A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue》為題發(fā)表于中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃高起點(diǎn)新刊《Cyborg and Bionic Systems》中。


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揭秘醫(yī)療黑科技


為啥要用高速旋轉(zhuǎn)的刀片采樣?研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示,靈感來源于,生活經(jīng)驗(yàn)。。。


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你可以簡單粗暴的這樣理解:當(dāng)肉放在案板上時(shí),切肉當(dāng)然容易;然而,如果肉是掛著的,切起來就困難多了。同樣,用BCR固定的刀片切割腸道組織也很困難,因?yàn)榻M織非常靈活,BCR不能穩(wěn)定固定。因此基于上述想法,團(tuán)隊(duì)提出了一種新的采樣策略:高速旋轉(zhuǎn)鋒利的刀片,趁可疑組織不注意,迅速將其切割。


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戰(zhàn)術(shù)get到了,來看看這款機(jī)器人的構(gòu)造。


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這款新型的膠囊機(jī)器人中有一個(gè)小小的永磁體,通過外部磁場來控制BCR的運(yùn)動(dòng)。BCR中的高速切割器則是由一個(gè)旋緊的螺旋彈簧激活,這種螺旋彈簧可以提供比馬達(dá)或同等質(zhì)量的磁鐵更強(qiáng)勁的瞬時(shí)動(dòng)力,可以有效地避免運(yùn)動(dòng)控制和活檢操控之間的相互干擾。


同時(shí),研發(fā)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)觸發(fā)機(jī)構(gòu),以保證可靠的采樣,使用鮑登電纜傳遞觸發(fā)力實(shí)現(xiàn)活檢。為避免誤觸發(fā),扳機(jī)力保持大于指定閾值,并可通過安裝在操作端的力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測?;顧z機(jī)構(gòu)及觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮了多次活檢的潛在需求,可進(jìn)行不同部位的活檢采樣。


為了驗(yàn)證該方案的可行性,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了原型。膠囊直徑為18毫米,長度為40毫米。為了保證高速旋轉(zhuǎn)的刀片能夠有效切割組織而不撕裂組織,除了使得刀片高速運(yùn)動(dòng)外,采用鋒利刀刃以及特殊設(shè)計(jì)的刀具形狀。傳動(dòng)部件由金屬制成,外殼由3D打印技術(shù)制成。螺旋彈簧采用304不銹鋼,厚度為0.2 mm。


此外,力傳感器(SBT-50N)通過3D打印制成的可快速插拔連接器安裝在觸發(fā)器操作端(由臨床一次性活檢鉗改造而成)上,可實(shí)現(xiàn)力傳感器和夾具之間的快速方便連接和拆分,使力傳感器可以重復(fù)使用(已獲得國家發(fā)明專利CN111991036B)。


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整體流程


活檢膠囊機(jī)器人首先從肛門進(jìn)入結(jié)腸,在外部磁場的驅(qū)動(dòng)下在腸道內(nèi)運(yùn)動(dòng),通過視覺圖像傳輸探尋并靠近可疑組織,移動(dòng)觸發(fā)器操作端中的滑塊就可以拉動(dòng)鮑登線纜進(jìn)行觸發(fā)采樣。顯示面板可以實(shí)時(shí)顯示觸發(fā)力度,以確保安全性。觸發(fā)結(jié)束后活檢刀具可重新恢復(fù)到初始狀態(tài),準(zhǔn)備下一次活檢。


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實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程


接下來,團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膠囊機(jī)器人的高速切削性能并分析了軟組織撕裂時(shí)的速度閾值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膠囊機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多次活檢觸發(fā),并且每次的切割速度均可有效避免軟組織撕裂。


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并利用帶磁鐵的KUKA機(jī)器人來控制膠囊機(jī)器人的姿態(tài),以驗(yàn)證膠囊在活檢過程中調(diào)整姿態(tài)的能力。在KUKA機(jī)器人的控制下,膠囊機(jī)器人可以通過前進(jìn)、后退、翻滾等動(dòng)作精確到達(dá)活檢部位。最后,在離體豬大腸上進(jìn)行了活檢取樣驗(yàn)證。


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未來應(yīng)用前景


該研究提出了全新的多次活檢膠囊機(jī)器人設(shè)計(jì)思路,未來隨著手術(shù)環(huán)境同步定位和測繪技術(shù)的發(fā)展,BCR移動(dòng)的同時(shí)結(jié)腸的3D地圖可以被同步構(gòu)建,并且BCR的位置和姿態(tài)也將被記錄在地圖中,可以進(jìn)一步輔助膠囊內(nèi)窺鏡下的活檢操作,提升活檢的可靠性。該類膠囊機(jī)器人有望成為未來臨床胃腸檢查的全新手段。


論文地址:

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

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