内窥镜诊疗微型机器人发展概述及前景分析

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  •     摘 要:文章介绍依据驱动类型划分的具代表性的线缆式内窥镜诊疗机器人和无线药丸式内窥镜系统的研制情况,对体内内窥镜诊疗微型机器人的研究方向和前景进行了讨论。

       医疗机器人是近几年在多学科交叉领域中兴起,并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。医疗机器人将机器人技术应用到医疗领域,极大的推动了现代医疗技术的发展,近年来随着MEMS(微电子机械系统)的发展,大大促进了医疗机器人的微型化,可用于人体内诊断和治疗的微型机器人的研究越来越受到重视。内窥镜是当前体内诊疗的主要工具,线缆式微型机器人内窥镜系统和无线药丸式微型机器人内窥镜系统是肠胃道微创诊疗发展的两个最主要方向。文章介绍依据驱动类型划分的具代表性的线缆式内窥镜诊疗机器人和无线药丸式内窥镜系统的研制情况,分析内窥镜诊疗微型机器人的相关技术难题和发展趋势。

    (一)线缆式内窥镜系统

       线缆式微型机器人内窥镜系统利用可以主动运动的引导头引导进入人体腔道,避免了手动插入造成的软组织损伤,其关键技术在于主动引导头的微小型驱动器的研制。目前体内医疗机器人微小型驱动器的类型大致有以下几种:电磁驱动型、形状记忆合金型(SMA型)、气动型和压电型。

    1.电磁驱动型。

       上海交通大学研制了一种用于肠道检查的内窥镜微型机器人,基于尺蠖运动原理,驱动器为一种基于电磁力的微小型蠕动驱动器, 由头部、尾部、驱动单元、弹性模等组成,长64mm,外径7mm,重9.8g,通过调整驱动电压的频率来调节其运行速度,头部可携带CCD等微型摄像器件,将肠道的图像传输出来。机器人各个单元之间由二自由度的铰链连接,使它可以适应蜿蜒盘曲的肠道。

    2.形状记忆合金型(SMA型)。

        日本东北大学的江刺研究室研制了一种采用形状记忆合金(SMA)作为驱动器的自主式医用内窥镜,利用MEMS技术,研制适合于人体管道环境如结肠中动作的装置,是一种整支导管可独立弯曲的多关节驱动的内窥镜,导管直径为1.2mm,每个关节的驱动器采用形状记忆合金驱动器,通过电阻值反馈控制法,可对导管实现自动柔顺且安全的操作。这种能动型内窥镜可平稳地插入如S状结肠等形状狭小复杂弯曲的管腔内,能够携带成像照明光学系统、前端物镜粘附物清除装置等自动进入人体完成体内诊断和体内微细手术等功能,如图所示。
     
    形状记忆合金能动型内窥镜

    3.气动型。加州理工学院A。brett Slatkin等以纤维内窥镜为基础研制了气压蠕动式内窥镜系统,直径为14mm,主要由信号控制引线、气动执行器导管和光纤束组成,气压动力源分为高压和低压两部分,夹嵌和伸缩单元在气压的驱动下撑紧肠壁和伸缩,产生类似蚯蚓的蠕动。

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