内窥检查机器人化的传感与主动介入技术

　　1　引　　言

　　近年来,医疗机器人技术引起各国学术界的极大关注,研究工作篷勃兴起。医疗机器人是目前国外研究最活跃、投资最多的领域之一,也是最有发展前途的应用领域之一。1994,1995年医疗机器人被世界著名的期刊IEEE SPECTRUM列为十大技术预测之一[1,2]。

　　许多著名国际会议,如IEEE Robotics andAutomation, IEEE EMBS, IEEE System man andCybernetics,ICAR等都将其单独列为一个专题[3]。特别是在1996和1998国际先进机器人协调会(IARP)上,医疗机器人是讨论的热点之一,主动内窥镜(activeendoscope)等体内移动诊疗机器人为大家公认的研究方向之一。从根本上讲,这方面的研究是为了克服传统内窥镜检查中的困难和不足。

　　传统的内窥镜诊疗术是微创外科的重要手段,其典型器材是内窥纤维镜和导管等,它们对病灶的诊断和治疗有极其重要的作用。以结肠癌为例,它是工业化国家中发病率列第二位的恶性肿瘤[4],其中90%的结肠癌由良性的息肉发展而来,从理论上讲,均可以在早期诊断中利用内窥镜发现和切除。但实际上由于技术的复杂性等原因,目前条件下还无法完全做到。

　　现有内窥纤维镜是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中的,是一种被动方式,带有一定柔性的装置在腔道组织上滑行时,对腔道壁面产生压力,有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤,一旦这个压力超过一定的阈值,还可造成组织破损(穿孔)。同时人体腔道结构比较复杂,以结肠为例,存在多处弯道,仅凭手感要把内窥纤维镜顺利插入到深处并非易事,据统计,经过专业训练、有经验的医务人员把纤维镜插到结肠远端(盲肠部)的概率仅为85～90%。鉴于这种情况,内窥镜检查和手术基本上在技术水平较高的大医院中进行,而且对操作医师要求很高。经常需要多个医师配合,一般一例检查为40～60分钟。为了能够减少病员的痛苦和发生穿孔等医疗事故,减少对医师的技术熟练程度的依赖和提高微创外科的普及,改善纤维镜操作医师的工作条件,有必要研制内窥检查机器人化的传感与主动介入技术。

　　人体腔道直径变化很不规则,有较强的柔软性、脆弱性和滑动性。在此环境下工作的内窥检查系统应具有较高的柔软性和非破坏性。在上海教育基金发展委员会曙光计划的资助下,我们对传感与主动介入技术进行了一些探索,研制出由压觉传感器、蠕动式柔性移动机构和基于形状记忆合金的转向机构构成的内窥检查机器人。根据压觉传感器检测的信息(包括压力大小、方位),对移动机构和转向机构进行控制,调整机器人运动速度和方向。此内窥检查机器人能携带CCD摄像头、内窥纤维镜等检测装置,对腔道壁组织损害程度极小,可避免穿孔事故的发生、减轻医务人员的工作强度,提高检查治疗的效率。