在人体消化道疾病中，结直肠癌是一个直接威胁人体健康的隐形杀手。而结肠镜检查，是结直肠癌诊断的“金标准”。它可以让医生直观地看到结直肠里的病灶，并取活检获得病理诊断。传统结肠镜会给患者带来不适感，而胶囊内窥镜又无法进行活检采样。
近日，以天津大学为首的科研团队提出了活检胶囊机器人的新型活检采样策略，在采样中，结直肠软组织可以被高速旋转的锋利刀片取走，避免组织撕裂。该成果发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《机器人和仿生系统》上。
结肠镜检查是肠癌筛查诊断“金标准”
我国结直肠癌发病率位居恶性肿瘤第二位，仅次于肺癌，且发病率和死亡率都呈明显上升趋势。“不过相比其他恶性肿瘤，结直肠癌也是最容易预防的癌症之一，通过结肠镜筛查，就能及早发现肿瘤的存在，并且可以直接取出病理标本，这是X线、CT等其他影像检查方法所无法比拟的。”天津市人民医院肛肠外科（女子肛肠科）主任陈硕说。
在检查过程中，内镜医师将一根直径约1厘米、长度约140厘米的肠镜从受检者肛门插入，循腔至回盲部，从黏膜侧观察结肠是否有病变。如果结肠镜检查过程中发现息肉，一般大于0.5厘米的，医生会建议可以行内镜下切除术。
“尽管结肠镜检查被奉为结直肠癌诊断‘金标准’，但在临床上，仍有大量患者不愿意进行结肠镜检查。”陈硕说。
《2018胃肠镜筛查认知与行为调研报告》中就曾指出人们不愿意做肠镜的几点原因，其中大约44%的人害怕肠镜所带来的不适感、33%的人担心仪器会对消化道造成损伤。
“而且传统结肠镜也有一些禁忌症。”陈硕举例，如有严重的心肺功能不全、腹主动脉瘤、急性腹膜炎，以及肠穿孔等急性重症疾病的人，是禁止做结肠镜检查的；女性妊娠期和经期也不适宜进行结肠镜检查。
为胶囊机器人增加活检新技能
“胶囊内窥镜也称胶囊机器人，利用胶囊机器人进行肠胃、食道等部位的检查是未来消化道疾病筛查的主要发展方向。”天津大学机械工程学院副教授宋智斌介绍。
只要吞下一颗小小的胶囊机器人，它们就可以展开一场奇幻的人体旅行，并且在消化道中拍摄数十万张高清图像，清晰地传送到医生眼前。检查结束后，胶囊机器人就会随肠道蠕动被排出体外。
据了解，胶囊机器人的研制起源于20世纪末，从第一粒胶囊机器人首次进入人体拍到消化道图像后，胶囊机器人就开启了高速发展模式。可以说，它是典型的医工交叉学科研究的成果。
胶囊机器人采用先进的图像采集技术以及射频无线传输技术。而且近些年，随着图像技术的进步，胶囊机器人采集图像的像素不断提升。目前还有的胶囊机器人采用双镜头设置，视角达到惊人的344°，智能变频帧率4—35帧/秒，分辨率达到360×360，可帮助医生轻松看清胃肠内壁表面组织的细节。
根据胶囊机器人在人体的运动方式不同，其主要分为依靠肠道蠕动的被动胶囊机器人和通过外部磁场牵引的主动胶囊机器人两种。
“最初的胶囊机器人都是被动的，就像是随波逐流的小船，走到哪拍到哪，因此难以全面获取胃肠的图像信息，易出现漏检现象。” 宋智斌说，“而主动胶囊机器人则通过外部引导，可以‘指哪拍哪’，因此能更全面地获得胃肠图像。”
不过，目前市面上大多数胶囊机器人仅用于获取图像信息，而缺乏采集样本的能力。但当遇到可疑病灶时，活检是必不可少的。虽然也有一些活检胶囊机器人，但由于结肠组织的柔韧性，在获取肠道组织的同时避免撕裂和粘连仍然是一个挑战。
“这就好像把肉放在案板上切时非常容易，而如果肉是挂着的，切起来就困难多了。”宋智斌介绍，为了解决这个难题，科研团队提出为活检胶囊机器人安装高速旋转刀片的采样新策略：高速旋转的锋利刀片，能在可疑组织不动时迅速将其切割。
为了实现这个想法，科研团队还为这款安装高速旋转刀片的新型胶囊机器人安装了一个小小的永磁体，通过外部磁场来控制其运动。高速旋转刀片则由一个旋紧的螺旋弹簧激活，这种螺旋弹簧可以提供比马达或同等质量的磁铁更强劲的瞬时动力，同时可以有效避免运动控制和活检操控之间的相互干扰。
此外，科研团队还设计了一个触发机构，使用鲍登线缆传递触发力实现活检。为避免误触发，扳机力保持大于指定阈值，并可通过安装在操作端的力传感器对医生施加的触发力进行实时监测。活检机构及触发机构的设计还考虑了多次活检的潜在需求，可进行不同部位的活检采样。
宋智斌介绍，使用时，活检胶囊机器人首先从肛门进入结肠，在外部磁场的驱动下在肠道内运动，通过视觉图像传输探寻并靠近可疑组织，移动触发器操作端中的滑块就可以拉动鲍登线缆进行触发采样。显示面板可以实时显示触发力度，以确保安全性。触发结束后活检刀具可重新恢复到初始状态，准备下一次活检。
未来机器人操作将更精准可靠
相比其他机器人，我国胶囊机器人的研究起步并不算晚，经过近20年的发展，我国研发的胶囊机器人已经基本上达到了与国外并跑的水平，并且在国内的上百家医院得到了应用推广，在胃肠道疾病的检查，特别是在消化道癌症的早期筛查方面发挥了重要作用。
2012年我国率先研发了机械臂式磁控胶囊系统，通过机械臂操控外部强磁性永磁体，实现了胶囊机器人的高精准运动导航，为胶囊机器人便利使用提供了有效的平台。
“虽然胶囊机器人近些年取得了快速发展，但目前其功能仍然仅仅局限于图像采集及传输，在发现可疑组织后仍然要通过传统内窥镜进行活检，或许这也是大家更多地将其称之为‘胶囊内窥镜’的原因。”宋智斌认为，加入活检功能，使胶囊机器人能够完成有效的操作，才使其更接近“机器人”的概念，“这会进一步提高胃肠疾病诊疗水平，也是胶囊机器人未来的发展方向”。
此次，天津大学团队在该方向上首次提出了高速切割结肠内可疑病变组织，避免现有活检方式存在组织撕裂的问题，可实现一次检查、多次活检的功能，为未来具有活检功能的胶囊机器人临床应用提供了技术支持。
未来随着手术环境同步定位和测绘技术的发展，活检胶囊机器人移动的同时，结肠的3D地图可以被同步构建，并且活检胶囊机器人的位置和姿态也将被记录在地图中，可以进一步辅助胶囊机器人的活检操作，提升活检的可靠性。
