医用内窥镜系统体内驱动方式的研究

　　随着科学技术的发展与人类社会的进步,微创外科手术日益成为国际上的一个研究热点。微创外科手术(Minimal Invasive Surgery, MIS)又称‘内窥镜检查手术’,它可以大大提高手术质量、减轻病人痛苦、缩短恢复时间、降低手术费用。目前,对微创外科手术的研究主要从两方面进行:一是改进传统的医用内窥镜系统,将系统进一步微型化,合理采用各种传感器,引入各种先进的成像技术和高速计算机图像处理技术,以增加手术过程的可视性、可比性、重复性和准确性;二是改进医用内窥镜系统进入人体内腔的方式,目前的医用内窥镜系统,其进入人体内腔是靠柔性管引导从外部人为直接插入。这种进入方式有二大缺点:一是人体内腔狭窄曲折,柔性管长距离插入有困难,有些死角位置很难到达;二是在插入过程中,柔性管和内腔壁之间直接接触摩擦,有可能对人体软组织造成擦伤和拉伤,引起病人的严重不适和痛苦。因此,国内外已有许多学者在研制能自动把医用内窥镜系统送入到人体内腔各个部位的微型驱动机构。

　　人体内腔可看作为一种管道。目前,国内外已研制出多种适用于管内行走的机构[1~3]。但这些机构都不适宜用来驱动医用内窥镜系统,因为这些机构在管道内行走时,它们的一部分必须压紧在管壁上,而这对于人体内腔是不适合的。Dario等人研制出了一种英寸蠕虫驱动机构用来驱动结肠镜[4],高立明等人研制了一种全方向蠕动驱动机构用来驱动内窥镜系统[5],但这些驱动机构在内腔中运行时都会与内腔壁发生直接接触,引起患者的不适和痛苦。

　　作者提出了一种全新的医用内窥镜系统的驱动方式和相应的驱动机构,与其它驱动机构不同,这种驱动机构在人体内腔中运行时不会与内腔壁发生直接接触,这样可避免对人体内腔有机组织造成擦伤和拉伤,减轻或消除患者的不适和痛苦。

　　1　医用内窥镜系统的驱动机构

　　图1给出了医用内窥镜系统驱动机构的示意图。它由带右螺旋槽的圆柱形微电机、带左螺旋槽的圆柱体和柔性联轴器构成。当正向接通微电机电源时,带左螺旋槽的圆柱体正转,带右螺旋槽的微电机外壳反转,但两者产生的轴向摩擦牵引力方向相同,带动医用内窥镜系统前进;当反向接通微电机电源时,则使内窥镜系统后退。

　　2　驱动机构的驱动原理

　　理论分析表明,当带螺旋槽的圆柱体在有粘液的人体内腔中运转时,将迫使粘液产生轴向运动,此种轴向运动产生的反作用力将带动圆柱体沿轴向前进。由于图1所示的驱动机构全部由带螺旋槽的圆柱体构成,因此,当它旋转时,由于人体内腔中高粘度粘液所产生的动压效应作用,将建立一层动压润滑粘液膜,使驱动机构处于悬浮状态。这样当驱动机构驱动医用内窥镜系统进入人体内腔时,可避免与内腔壁发生直接接触,从而可避免对人体内部软组织造成擦伤和拉伤、减轻或消除患者的不适和痛苦。