面向胃肠道疾病诊疗的微型机器人与胃肠道内环境的相容性研究

胃肠道疾病是临床上十分常见的疾病，普通人群中一种以上胃肠道疾病的患病率高达70％，胃肠道肿瘤、炎症、溃疡和出血等已成为严重困扰和危害人们健康的顽症之一。胃肠道疾病难以治愈的根本原因在于当前胃肠道检测方法学及诊疗模式上存在问题、面临困难，手段及方法上存在局限。.本项目将在现有工作的基础上，研究肠道生物力学特性和动力学仿真建模、胃肠道的自主蠕动运动规律及应激反应、基于无线供能的胃肠道微型仿生机器人系统与胃肠道的相互作用，以解决活体胃肠道环境下微型机器人与胃肠道的相互作用以及相容性问题，实现微型仿生机器人系统在活体胃肠道中可靠运动和有效控制，及对胃肠道腔内状况及医学信息的主动、无创、长时间和实时检测的功能，为胃肠道疾病评价和早期诊断提供理论依据，为进一步的临床应用，包括胃肠道药物释放、胃肠道病变组织的活检提供全新的方法和手段，因此，本项目对于胃肠道疾病的预警和早期诊疗具有十分重要的意义。

胃肠道肿瘤、炎症、溃疡和出血等胃肠道疾病是临床上的常见病，普通人群中一种以上胃肠道疾病的患病率高达70％，已成为严重困扰和危害人们健康的顽症之一。目前临床上常用的导管式诊查设备、胶囊内镜等检测手段及方法检测过程由于存在诊查痛苦、存在检测盲区和漏检、引起严重并发症等缺陷，使病人难以主动接受诊查，导致丧失了对病人的最佳治疗时期。可见，胃肠道疾病难以治愈的根本原因在于当前对胃肠道腔内信息的无创检测方法及对胃肠道疾病的早期诊疗模式上存在问题、面临困难。为此，本项目通过对胃肠道环境下微型机器人技术、面向人体环境的无线供能和无线通信技术研究，实现对胃肠道腔内状况及医学信息的主动、无创、长时间和实时检测，为胃肠道疾病评价和早期诊断提供全新方法和手段。.项目主要研究内容：（1）通过对肠道生物力学特性测试及与微型仿尺蠖机器人相互作用研究，建立了机器人-肠道动力学仿真模型。（2）提出并实现了适于胃肠道环境的仿尺蠖运动机构，分析并获得了尺蠖驱动的运动效率及理论计算方法，建立了微型仿尺蠖机器人与肠道的作用力方程；基于肠道的本构方程和拟应变能函数，分析了微型仿尺蠖机器人在肠道中的运动步距损失，提出了提高效率的途径。（3）基于生物组织安全性及肠腔大小适应性要求，设计并实现了螺线腿式钳位机构、闭合径向扩张/驻留钳位机构，减少了机器人的运动阻力、提高了钳位性能，在此基础上，进一步优化了微型仿尺蠖机器人的运动原理及系统结构。（4）提出并实现了适应用于微型仿尺蠖机器人的实心三维能量接收线圈和空心三维能量接收线圈结构，通过理论分析与试验验证相结合的办法，有效提高了能量接收线圈的供能效率和姿态稳定度。（5）研制成4代微型仿尺蠖机器人系统样机。第4代样机体收缩直径为Φ13.8mm、最大扩张直径为Φ32mm、直径伸缩比达2.29，径向作用力为0.9N～2.55N，轴向伸缩机构作用力达2.97N。样机系统通过了大量离体和活体动物试验，试验结果验证了微型仿尺蠖机器人在胃肠道环境运动的可靠性、面向人体环境无线供能和无线通信的有效性。.综上所述，该项目研究主要针对胃肠道疾病及进程的评价和早期诊断问题，将为胃肠道腔内状况及医学信息的主动、无创、长时间和实时检测装备的研制，进而实现对胃肠道疾病的预警和早期诊疗提供重要依据，并能进一步促进基于机器人技术的胃肠道内药物释放、胃肠道病变组织的活检技术等方面研究工作的开展。