（天津医科大学 临床医学院 天津 300000）
摘 要：活体组织检查是诊断病情的重要依据。本文介绍了一种利用胶囊内镜实现消化道活体组织采样的方案。设计了一套胶囊内镜活体组织采样系统，以电磁铁工作原理为物理模型, 通过体外无线指令控制胶囊内部电路板进而控制活检探针，进行消化道组织采样。结果表明，该系统可对胃肠道同一位置进行多次取样，并可控制活检探针进针深度，为消化道疾病的诊断提供依据。
关键词：胶囊内镜；活检；电磁
The Design of a Biopsy System for Capsule Endoscopy
Li Zhenhao, Zhou Nan, Zhang Lizhuo, Zhang Shichong
(The clinical medicine college of Tianjin medical university, Tianjin 300000)
Abstract:Biopsy is an effective tool for diagnosis. A scheme that utilizing capsule endoscopy to realize tissue biopsy was discussed in this paper. To realized tissue biopsy, a biopsy system for capsule endoscopy is designed.The mechanism is based the physics model of electromagnetism,and the proposed biopsy mechanism utilizes wireless command to control the circuit board in the capsule which is used to charge for biopsy needle. The system can sample tissues in the alimentary canal repeatedly,and the depth of needle can be controlled,which provides diagnostic basis for clinical physicians.
Key Words：Capsule Endoscopy；Biopsy；electromagnetism
1引言
我国消化道疾病高发，早期诊治率低，传统电子内镜因其局限性人群接受度较低，而胶囊内镜具有安全、舒适、无交叉感染等优点。但目前临床上应用的胶囊内镜都不具有活检功能,因此,研究一种可取活检的胶囊内镜，可提高人群接受度，应用于消化道疾病普查，为消化道疾病的诊断提供依据和评估手段。本文介绍了一种胶囊内镜进行组织采样的方法，通过设计安装磁控活检探针等一系列装置达到取组织活检的目的。可针对同一部位进行多次取样，并可控制活检探针进针深度，有效防止取得的组织污染或丢失。
2胶囊内镜活检
胶囊内镜最早在2000年由以色列科学家研究发明，是人类的一项伟大发明。[1] 经过近二十年的发展，目前胶囊内镜已经成为消化道疾病检查的重要手段，尤其是小肠疾病的一线诊断方式。但是，现有临床用胶囊内镜都还不具有活检功能，因此，研究一种具有胃肠道无创采样功能的胶囊内镜机器人，以减轻病人的痛苦，为消化道功能性疾病的诊断提供依据和评估手段，为研究胃肠道对营养物质的消化吸收特性提供客观的评价指标，对临床医学的发展有重大的意义。2004年，美国研究者提出了一种可进行组织活检和药物施放的胶囊内镜机器人。[2] 机器人的活检机构通过内部变形使胶囊外壳表面的活检刀片伸出采取组织。2005年，韩国先进科学技术院的文献[3] 提出了一种利用 SU8 模具与镍电镀工艺制作的活检工具，这种工具可集成到胶囊内窥镜中。研制了一种利用石蜡触发的微型转动活检装置，该机构通过外部电路控制内部通电，加热至 42℃使石蜡融化，触发扭矩弹簧带动剃刀转动采取组织[4]。2005年以色列科研人员在专利 WO2005112460A2 中提出了可用于活检的胶囊机器人[5]，机器人由两个单独的装置组成，第一个装置用于图像采集与无线数据传输，第二个装置集成采样机构进行组织活检。2007 年韩国首尔国立大学的 Park 等 [6] 利用 LiGA（Lithog-raphie，Galvanoformung，Abformung）工艺在胶囊内镜内集成一种微型活检执行机构。该执行机构由三部分组成，通过加热合金丝熔断聚合物线触发扭簧带动微端丝进行活检。
国内近年来也逐渐开展胶囊内镜活检方面的研究。相关方面的研究主要是重庆大学和某理工大学所研究的消化道微采样机器人。某大学提出了一种基于活塞工作原理的微型采样药丸.[7]当收到采样命令时，驱动机构拉动活塞远离单向阀，肠液存储空间产生真空，吸引肠液进入肠液存储空间，采样量约为 0.3mL。华南理工大学研究了一种基于 MEMS 技术的磁控电磁吸取式胃肠道取样微型胶囊，通过体外遥控装置使胶囊在胃肠道内定点取样[8]。2013年，某军区医院，通过上位机下发无线指令控制胶囊机器人内部，控制电路板对电阻丝供电，电阻丝发热烧断熔断丝，从而释放扭簧带动活检爪进行胃肠道组织采样。[9]
上述活检胶囊内镜机构只能进行一次组织采样，有很大可能导致活检失败，为此提出了一种可进行同一部位多次采样并可控制活检探针进针深度的活检胶囊内镜。
3 活检胶囊内镜结构及工作原理
3.1 方案设计
提出了一种利用胶囊内镜实现消化道同一部位进行多次活体组织采样的方案。其整体流程，如图 1 所示。受检者吞服活检胶囊内镜进入人体后，通过外部磁控机械手臂来控制胶囊内镜机器人在体内位置，实现对胶囊的实时定位与位置跟踪，并根据胶囊摄像头所拍摄的图像，当到达病变位置时，外界发出控制指令，接通电磁铁电源，触发磁控活检探针刺入活体组织，进行组织活检。胶囊排出体外以后，对取得的组织进行病理学检查。
图1活检胶囊内镜工作流程图
3.2探针
本项目所用的探针，在医用活检探针的基础上，在其尾部增加了一块与探针相匹配的条形磁铁，从而实现利用磁控系统对探针的控制，可将探针刺入活体组织，取组织进行活检；亦可在取样完成后将探针收回胶囊内部，并可重复完成上述取样过程。
3.3探针内倒刺
如图2活检针内有倒刺，可防止取得的组织在胶囊运动过程中丢失，也可以增大组织采样的成功率，减少胶囊的用电量。如图 2所示。
图2：探针内倒刺装置
3.4磁控探针装置原理
3.4.1出针
通过外部控制胶囊内部通电，开关闭合后通电螺线管产生磁场，根据右手定则可得电磁铁右侧为N极，探针根部的条形磁铁左侧亦产生N极磁场，根据同极相斥，进而推出探针，刺入活体组织。如图3所示。
图4 收针回到胶囊
3.5探针进出深度
不同患者的肿物厚度、大小不同，为防止刺入肠壁黏膜层的正常组织，应对进针深度进行控制。通过改变滑动变阻器，改变接入电路的电阻大小来控制电流大小，从而改变磁力大小，进而控制进针深度。如图5、6所示。
图6 病理组织较浅时进针深度减小
3.6防污染瓣膜
其原理与心脏瓣膜相似，为单向瓣膜，由耐腐蚀高分子材料构成，如图7，可有效防止胃肠内容物进入胶囊。胶囊内镜瓣膜可实现出针小孔的开启与密封，维持胶囊的封闭性。如图 7所示。
图 7 心脏瓣膜示意图
4结论
胶囊内镜有检查、初步诊断消化道疾病的能力及最低限度的侵入性，可以用于消化道疾病患者的初步筛查，这将有益于国家的早期消化道疾病的普查，落实三级预防。磁控胶囊内镜镜已广泛应用于国内外临床，但针对其无法取组织进行病理检查，从而影响进一步确诊疾病。利用电磁铁原理，提出了一种在现有胶囊内镜的基础上设计安装磁控活检探针。接通电源时，实现出针，断开电源时，利用弹簧弹性回缩作用，实现收针。以及密闭装置、深度控制装置等一系列装置达到取组织活检的目的，为患者减轻痛苦，亦为消化道疾病的确诊提供依据。
参考文献
[1]（Mohseni, Kamran, Regents of The University of Colorado. Guided Capsule for Wireless Endoscopy, Biopsy, and Drug Delivery World，WO2004041- 068A2［P］，2004-05-21）
[2] http://www.intromedic.com/en/main.asp.
[3] Mohseni, Kamran, Regents of The University of Colorado. Guided Capsule for Wireless Endoscopy, Biopsy, and Drug Delivery World，WO2004041-068A2［P］，2004-05-21.
[4]K.Kyoung-chul.A rotational micro biopsy deviceforthe capsule endoscope， in Intelligent Robots and Systems，2005［C］（. IROS 2005）. 2005 IEEE/ RSJ International Conference on，2005：1839-1843.
[5]GIVEN IMAGING LTD. Method，System and Device for In-vivo Biopsy:World，WO20051124 60A2［P］，2005-11-24.
[6] P. Sunkil. A Novel Micro-Biopsy Actuator for Capsular Endoscope using LIGA Process，in Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems Conference，2007. TRANSDUCERS2007［C］. International，2007：209-212.
[7]崔建国.用于肠道药物释放和采样的遥控式微型药丸的研制［J］.北京生物医学工程，2004，23（4）. （Cui Jian-guo. The development of the remote control micro pill for the intestinal drug release and sampling［J］. Beijing Biomedical Engineering， 2004，23（4））
[8]王亚珍.胶囊式胃肠道取样微机电系统的设计研究［J］.现代制造工程，2004. （Wang Ya -zhen.Design research of the Gastrointestinal capsule type sampling micro electro mechanical system ［J］. Modern Manufacturing
Engineering，2004.）
[9]朱国昕，胶囊机器人活检机构的研究［J］机械设计与制造，2013
论文作者:李振豪 周楠 张立卓 张世崇
论文发表刊物:《科技新时代》2019年7期
论文发表时间:2019/9/11
标签：胶囊论文; 探针论文; 组织论文; 消化道论文; 活体论文; 装置论文; 提出了论文; 《科技新时代》2019年7期论文;