導語：膠囊機械人是一種很有前景的胃腸診斷內窺鏡方法，因為它可以極大程度降低患者的不適感。大多數膠囊機械人僅用於獲取圖像信息，缺乏收集樣本的能力。在最新一項研究中，來自天津大學的研究團隊開發了一種具有新穎採樣策略的活檢膠囊機械人，採集樣本的大小滿足臨床要求，未來或許可以代替腸鏡檢查！
目前，結直腸癌已經成為全球第三大常見惡性腫瘤和第二大致命癌症。2020年，結直腸癌發病人數達190萬，導致90萬人死亡。Ⅰ期結直腸癌的存活率達到90%，Ⅴ期結直腸癌的存活率僅僅只有10%，因此，早期診斷可以顯著降低死亡率。並且，通過調整可改變的危險因素以及檢測和去除癌前病變，結直腸癌在很大程度上是可以預防的，長期篩查可以大幅減少結直腸癌的發病和死亡。如此一來，迫切需要高效且準確的篩查工具。相比於腸鏡檢查，膠囊機械人（Capsulerobot，CR）可以降低患者不適，同時達到高效檢查的效果，不失為最佳診斷方式。
大腸癌的診斷主要依靠帶有圖像採集系統的柔性細長內窺鏡對結腸進行內窺鏡檢查，但是患者需要忍受不適還需承擔一定風險。近年來，CR已經成為傳統內窺鏡的替代品，極大減輕了患者的疼痛和精神壓力。近日，來自天津大學的研究團隊開發了一種基於高速切割組織的新型活檢膠囊機械人（Biopsycapsulerobots，BCRs），可以實現有效可靠的取樣。這項研究以「A Novel Biopsy Capsule Robot Based on High-Speed Cutting Tissue」發表在Cyborg and Bionic Systems上。
圖1 研究成果（圖源：[1]）
典型CR的運動是被動的，這意味着它完全取決於結腸的蠕動，也正因為如此，可能會漏診病灶。為此，有科研人員研發出主動機車CR，其軌跡可以通過外部磁場或內部執行器進行調製，以實現對結腸的更徹底探索。主動機車CR的位置和姿態都可以通過外部磁場得到良好控制，並且圖像可以從CR通過射頻發射電路傳輸到外部接收器進行實時監控。但成像不足以診斷，還要對可疑病變進行活檢，而CR卻無法進行活檢，這就是BCR的用武之地。
在新型BCR的設計過程中，研究人員提出了一種新的採樣策略，其中鋒利的刀片高速旋轉以切割結腸的可疑區域，同時使用壓縮螺旋彈簧為葉片提供動力，此外還採用了鮑登拉索機構以實時監測拉索中的張力。據此，設計了一個BCR系統以實現這些功能。
圖2 BCR的結構示意圖（圖源：[1]）
為了驗證該方案的可行性，研究人員設計並製作了一個BCR原型。刀具速度對切削力矩的影響，在刀具軸線上切割軟組織所需的力矩不容忽視，研究人員通過實驗以獲得切削扭矩與刀具速度之間的關係，最終發現電機轉速越快，切割扭矩就越小，因此本研究採用的高速切削方法可以有效降低切削扭矩。
此外，研究人員還進行了電機速度固定為9.81 rad/s ，並調整膠囊與軟組織之間的接觸力的實驗，膠囊與軟組織之間的力越大，所需切割扭矩越大。20.45 N·mm 的最大切割扭矩對應於測試的最高接觸力，因為更多的組織被擠壓到切割區域，這也就意味着可以獲得更大的組織樣本。也就是說，通過這些實驗確定了速度對切割扭矩的影響，結果表明高速切割可以有效地進行低切割扭矩的活檢。
圖3 研究人員設計製作出的BCR原型（圖源：[1]）
接着，研究人員通過高速切割性能實驗，證實這種設計可以有效地利用高速切割來實現組織取樣，進一步證明了本研究中高速軟組織切割方案的可行性。在該BCR的設計中，自複位觸發器和螺旋彈簧有利於進行多次活檢，為了對此進行測試，研究人員使用高速攝像機記錄彈簧的旋轉速度，發現BCR可實現連續3次活檢。
此外，在取樣過程中要求BCR在避免組織撕裂的情況下取出軟組織，為此研究人員在高速切割實驗研究的基礎上設置不同的切割器轉速來研究軟組織的撕裂，隨着刀具轉速的變化，研究人員發現當刀具的切割速度為1.05 rad/ms時，軟組織可以有效取樣以實現活檢。
最後，為了驗證所設計BCR的活檢性能，研究人員使用豬的大腸進行了體外測試，最終證實這種切割方法可以採集足夠多的可疑組織以滿足臨床活檢的要求。
綜上所述，該項研究中所提出的採樣策略是有效的，通過此種方法採集到的樣本大小足以滿足臨床要求。相信隨着技術的進一步發展，這種活檢膠囊機械人可以有效代替目前的腸鏡檢查，將會極大程度上減輕患者做腸鏡檢查時的不適感與精神壓力。
撰文|木子久
排版|文競擇
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參考資料：
[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
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