消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术.pdf
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1、交叉学科: 机械工程 生物技术 消化道取样微型机器人的研究现状和关键技术 王利容朱文坚 ( 华南理工大学机械工程学院 , 广州 5 1 0 6 0 4 ) 摘要消化道取样微型机器人是胃肠道疾病无创诊疗的研究热点, 介绍了国内外消化道取样微机器人的研究现状, 对取 样微型机器人的关键技术问题进行了详细分析。 关键词: 消化道取样微机器人关键技术 中图分类号: T P 2 3 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 1 3 1 3 3 ( 2 0 0 5 ) 1 1 - 0 1 2 7 - - 0 4 Pr e s e nt s t a t u s a nd k e y t e c h no l
2、 o g y f o r t h e s a m p l i n g mi c r o r o bo t o f a l i m e n t ar y t r a c t Wa n g L i r o n g , Z h u We n j i a n ( S c h o o l o f me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g , t h e s o u t h c h i n a u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y, Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 , C HN) Ab s
3、t r a c t T h e s a mp l i n g mi c r o r o b o t o f a l i me n t a r y t r a c t i s a n i mp o r t a n t i s s u r e f o r g a s t r o i n t e s t i n a l c anal wi t h n o wo u n d I n t rod u c e s t h e p r e s e n t s t a t u s an d d i s c u s s e s t h e k e y t e c h n o l o g y i n d e t
4、a i l for t h e g a s t r o i n t e s t i n al s a mp l i n g mi c ro r o b o t Ke y wo r d s : Al i m e n t a r y t r a c t S a mp l i n g M i c r o r o b o t Ke y t e c h n o l o g y 1 引言 随着自动控制、 新材料技术、 无线通信等技术的迅 速发展, 医用微型机器人引起研究者 的广泛关 注。而 基于传感器技术和微电子技术高度发展相结合的产 物微机电系统( M E M S ) 的出现, 则给微创、 无创医 疗带
5、来了新的手段。M E M S 具有体积小、 多样性、 重量 轻、 能耗低、 响应快、 批量大、 成本低等优点, 能够进入 传统仪器不能到达的微小空间进行精密操作和微定位 等。结合 M E M S 技术改造传统医疗仪器以及研发新 的微型医疗仪器是 M E M S 技术在医疗工程领域中的 主要应用, 这为微创、 无创的消化道诊疗技术提供了一 个可行的有效途径 。 消化道微型机器人按临床应用 可分为 : 内窥镜系 统、 药物释放系统、 消化道采样系统、 消化道监测系统、 手术机器人_ 2 等。2 0 0 1 年以色列 G iv e n I m a g i n g 公司 的 M 2 A J 、 E t
6、 本 R F公司的 N O R I K A 3无线内窥镜 进 入临床应用 , 显示着消化道内窥镜机器人技术 日趋成 熟, 但是消化道取样微机器人至今尚未见有临床应用 的报道。取样微机器人作为消化道诊疗系统中重要的 一 部分 , 目前在技术发展上还不成熟 , 尚处于实验室研 究阶段。 2 消化道取样微型机器人的研究现状 在消化道取样微型机器人中, 胶囊式取样微型机 器人可以实现无创采样, 尤其可以进行小肠采样, 是消 化 道 微创、 无 创 诊疗技术研究的 重点之一。唱 翦班 的胶囊式取样微机器人很多都是采用由病 口腔吞 、 道液体采样方面的研究 , j P 5 0 1 7 4 9 1 专利提出
7、利 用形状记忆合金在胃肠道进行采样或者药物释放。在 U S 4 4 8 1 9 5 2 、 U S 443 9 1 9 7 -,U S 4 5 0 7 1 1 5等专利中, 主要 采用真空吸附技术采集消化液体, 但这些装置的缺点 是: 不能准确控制样品入口的关闭, 有可能导致入E l 关 闭前, 样品流失或被污染。在 U S 5 2 1 7 449专利中, Y u d a 等人利用射频信号触发弹簧收缩产生瞬间真空_ 5 , 将肠液吸套药丸, 缺点是由于胃肠道内并非充满了消 化液, 故很难保证吸人的是体内的空气还是消化液, 以 及吸入 的 肖 化液量是否满足检 查 的要求。在 U S 5 3 1
8、 6 0 1 5 专利中, S in a i k o 等人研究了一种利用微型磁 能驱动器驱动活塞工作采集胃肠道液体的可吞服式微 1 2 7 维普资讯 http:/ 交叉学科 : 机械工 程 生物技 术 型胶囊 J 。该装置的取样入 口由可被肠液分解的膜 密封, 胶囊在体内的位置由体外超声波定位装置实现, 人 口可以在胶囊到达理想位置时准确关闭 , 但是不能 实现精确定位取样。在 U S 5 9 7 1 9 4 2专利中, H o w a r d H G u 和 H a o L i a n g G u 开发了利用在肠道指定位置可 被分解的膜密封预置真空进行采集胃肠道液体 J , 他 们还研制了一
9、种备有多个消化液存储室的采集装置 ( 见图 1 ) , 各存储室的密封片厚度不相同, 需要不同的 时间被肠液全部分解 , 从 而能够在 胃肠道 内不同区域 采集到样品。随着 ME MS技术的飞速发展 , 许多研究 者开始采用微型泵、 微型阀等 M E M S 器件设计取样微 机器人。韩围 B y u n g k y u K i m在其“ 智能结肠镜系统 ( S ma r t c o l o n o s c o p e s y s t e m) ” 中拟用微型泵吮吸系统的 方法采集肠道液体 , 已提 出了原理样机 J 。 图 1 消化液采集装 置 国内在取样微机器人方 面的研 究 尚处于起步 阶
10、 段, 在国家 8 6 3 项 目的支持下, 重庆大学、 第三军医大 学等单位合作开展了应用于中药药理学研究的消化道 采样药丸系统研究。 重庆大学生物力学及组织工程教育部重点实验室 提出了一种基于活塞工作原理的微型采样药丸 ( 见 图 0 样原理是 : 采样用真空方式释放 , 在常态下 , 驱动机桐静止。肠液存储室空腔容积约为0 1 m L 。当 接到采样指令后, 驱动机构动作拉动活塞向远离单向 阀一侧运动, 肠液在储室内产生真空, 肠液通过单向阀 进入肠液存储室, 采样量约为 0 3 m L 。 图 2 微型采样药丸模型 华南理工大学机械设计研究所研究了一种基于 ME MS技术的磁控 电磁吸
11、取式 胃肠道取样微 型胶囊 , 已实现通过体外遥控装置使微型胶囊在人体胃肠道内 定点无创取样, 并首次提出运用吸附纤维的毛细作用 和表面张力来吸 附胃肠道 微量液 体。其取样 ME M S 结构如图 3所示 , 采用二级延 时控制系统 “ 。其缺 点是微胶囊靠胃肠 的蠕 动为前行动力 , 因此不能对微 1 28 胶囊进行人为控制 , 在复杂的非结构化的体内环境 , 随 机因素和外界干扰对微胶囊的影响都比较大, 所采用 的外部磁控方法只能大致控制胶囊 在体内的位置 , 很 难精确定位取样。 图 3 胃肠道取样 ME M S结构 3 取样微型机器人的关键技术 胃肠道取样微型机器人系统一般 由以下三
12、个部分 组成 : 微执行机构 ; 能源和驱动装置 ; 控制系统。 由于进入体 内的取样微机器人的工作环境与工业 应用的情况有很大不同, 如粘滑、 皱折、 凹陷、 弯曲、 易 损软组织等, 所以该机器人必须具有驱动性能良好、 可 靠性高、 尺寸小、 能耗低, 且外壳与胃肠道需具有良好 的兼容性。同时, 还要考虑人体免疫系统的反应 , 一些 效应如表面张力、 粘附、 摩擦等在微小条件下的表现与 宏观条件下不完全一样等问题_ l J 。 综上所述。取样微机器人应用于 胃肠道的关键技 术问题 如下 。 3 1 微型化技术 一 方面, 由于微机器人需要在 胃肠道 内运行 自如 并进行取样操作, 受胃肠道
13、生理条件的限制, 要求整个 机构尽可能微型化, 才能保证该机器人安全可靠地在 弯曲、 狭窄的空间顺利通过, 且能够在曲率较大的地方 顺利运行 : 另一方面, 由于消化道疾病的易发群体 老年人的胃肠道蠕动能力较差 , 为保证人的舒适性 , 微 机器人的体积需尽可能小。根据成人消化道的基本尺 寸 , 微 型机构的总体尺寸周向要小于 1 5 mm, 轴向须小 于 3 0 mm。 3 2 密封技术 由于胃肠道内部这一特殊的工作环境 , 故机构必 须进行 良好的密封 , 既要 防止取得 的消化液被其他部 位的液体污染 , 又要防止微机器人污染 胃肠道 。在 u S 5 3 1 6 0 1 5 、 U S
14、 5 9 7 1 9 4 2等美国专利中, 许多学者利用可 被胃肠液分解的薄膜来密封取样人口, 薄膜采用石蜡、 甘油基硬脂酸盐等材料制成 , 。国内各实验室主要 采用微机构密封取样人 口。 目前还没有哪一种密封技 术占主导地位, 都处于研究和开发中。 3 3 机构的可靠性技术 现代制造工程 2 0 0 S ( 1 1 ) 维普资讯 http:/ 微机器人跟随胃肠 道蠕动 的运动工况很复杂, 运 行速度不可控, 甚至有翻转的可能, 但整体器件不允许 分裂或散落 , 即使受 到意外的破坏也不 能出现碎 片。 为了让微机器人安全地在消化道内完成活检取样 , 除 了满足体积微小的要求外, 微机器人的表
15、面应光滑, 避 免突兀伸出的机构, 整体结构应尽量对称。 3 4 能源供给技术 微型机器人的能源供应有两种方式: 一种是 自身 携带能源装置, 即无缆电源; 另一种是由外部相连动力 线缆为微机器人提供能源, 即有缆电源。 由于微机器人在胃肠道内行走距离较长, 且工作 环境复杂, 若采用有缆电源的方法供电, 则要求供电线 缆的有效长度较长, 不仅增加了微机器人在作业过程 中的拖线阻力, 限制了其作业距离 , 而且可能划伤消化 道内壁, 给病人带来痛苦和不便。若采用无缆的内置 动力源方式, 在长距离的复杂运行过程中, 需考虑如何 保证微机器人实现其载体及执行机构的能源供给。 目前研究的取样微机器人
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