导语：胶囊机器人是一种很有前景的胃肠诊断内窥镜方法，因为它可以极大程度降低患者的不适感。大多数胶囊机器人仅用于获取图像信息，缺乏收集样本的能力。在最新一项研究中，来自天津大学的研究团队开发了一种具有新颖采样策略的活检胶囊机器人，采集样本的大小满足临床要求，未来或许可以代替肠镜检查！
目前，结直肠癌已经成为全球第三大常见恶性肿瘤和第二大致命癌症。2020年，结直肠癌发病人数达190万，导致90万人死亡。Ⅰ期结直肠癌的存活率达到90%，Ⅴ期结直肠癌的存活率仅仅只有10%，因此，早期诊断可以显著降低死亡率。并且，通过调整可改变的危险因素以及检测和去除癌前病变，结直肠癌在很大程度上是可以预防的，长期筛查可以大幅减少结直肠癌的发病和死亡。如此一来，迫切需要高效且准确的筛查工具。相比于肠镜检查，胶囊机器人（Capsulerobot，CR）可以降低患者不适，同时达到高效检查的效果，不失为最佳诊断方式。
大肠癌的诊断主要依靠带有图像采集系统的柔性细长内窥镜对结肠进行内窥镜检查，但是患者需要忍受不适还需承担一定风险。近年来，CR已经成为传统内窥镜的替代品，极大减轻了患者的疼痛和精神压力。近日，来自天津大学的研究团队开发了一种基于高速切割组织的新型活检胶囊机器人（Biopsycapsulerobots，BCRs），可以实现有效可靠的取样。这项研究以“A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue”发表在Cyborg and Bionic Systems上。
图1 研究成果（图源：[1]）
典型CR的运动是被动的，这意味着它完全取决于结肠的蠕动，也正因为如此，可能会漏诊病灶。为此，有科研人员研发出主动机车CR，其轨迹可以通过外部磁场或内部执行器进行调制，以实现对结肠的更彻底探索。主动机车CR的位置和姿态都可以通过外部磁场得到良好控制，并且图像可以从CR通过射频发射电路传输到外部接收器进行实时监控。但成像不足以诊断，还要对可疑病变进行活检，而CR却无法进行活检，这就是BCR的用武之地。
在新型BCR的设计过程中，研究人员提出了一种新的采样策略，其中锋利的刀片高速旋转以切割结肠的可疑区域，同时使用压缩螺旋弹簧为叶片提供动力，此外还采用了鲍登拉索机构以实时监测拉索中的张力。据此，设计了一个BCR系统以实现这些功能。
图2 BCR的结构示意图（图源：[1]）
为了验证该方案的可行性，研究人员设计并制作了一个BCR原型。刀具速度对切削力矩的影响，在刀具轴线上切割软组织所需的力矩不容忽视，研究人员通过实验以获得切削扭矩与刀具速度之间的关系，最终发现电机转速越快，切割扭矩就越小，因此本研究采用的高速切削方法可以有效降低切削扭矩。
此外，研究人员还进行了电机速度固定为9.81 rad/s ，并调整胶囊与软组织之间的接触力的实验，胶囊与软组织之间的力越大，所需切割扭矩越大。20.45 N·mm 的最大切割扭矩对应于测试的最高接触力，因为更多的组织被挤压到切割区域，这也就意味着可以获得更大的组织样本。也就是说，通过这些实验确定了速度对切割扭矩的影响，结果表明高速切割可以有效地进行低切割扭矩的活检。
图3 研究人员设计制作出的BCR原型（图源：[1]）
接着，研究人员通过高速切割性能实验，证实这种设计可以有效地利用高速切割来实现组织取样，进一步证明了本研究中高速软组织切割方案的可行性。在该BCR的设计中，自复位触发器和螺旋弹簧有利于进行多次活检，为了对此进行测试，研究人员使用高速摄像机记录弹簧的旋转速度，发现BCR可实现连续3次活检。
此外，在取样过程中要求BCR在避免组织撕裂的情况下取出软组织，为此研究人员在高速切割实验研究的基础上设置不同的切割器转速来研究软组织的撕裂，随着刀具转速的变化，研究人员发现当刀具的切割速度为1.05 rad/ms时，软组织可以有效取样以实现活检。
最后，为了验证所设计BCR的活检性能，研究人员使用猪的大肠进行了体外测试，最终证实这种切割方法可以采集足够多的可疑组织以满足临床活检的要求。
综上所述，该项研究中所提出的采样策略是有效的，通过此种方法采集到的样本大小足以满足临床要求。相信随着技术的进一步发展，这种活检胶囊机器人可以有效代替目前的肠镜检查，将会极大程度上减轻患者做肠镜检查时的不适感与精神压力。
参考资料：
[1]Zhibin Song, Wenjie Zhang, Wenhui Zhang, et al. A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue. Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9783517, 11 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9783517
