研究人员开发了一种用于结肠镜的软体机器人套筒，该装置可以实时监测并重新分配压力，从而显著提高患者的安全性和舒适度，同时不影响临床操作流程。
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最近在《自然》杂志上发表的一项研究介绍了一种专为结肠镜设计的软体机器人附加装置，旨在提升患者的安全性和操作舒适度。
该装置具有实时3D形状感应、连续力监测以及压力重新分配执行器，旨在最大限度地减少结肠镜检查过程中的组织损伤。它能够无缝集成到现有的临床工作流程中，无需改变操作程序，并已通过离体和活体实验室测试验证。
为什么这很重要？
结肠镜检查仍然是检测结直肠癌最可靠的方法。然而，当前系统缺乏实时力反馈和安全机制，这往往会导致患者不适和潜在并发症。
作为解决方案，一些替代方案被引入，例如胶囊内窥镜和磁引导系统，但它们在控制性、成本效益和治疗用途方面通常表现不佳。尽管软体机器人领域的进一步努力显示出希望，但通常无法提供临床应用所需的兼容性或精度。
本研究揭示的附加装置通过结合力监测与光学传感器的形状检测来填补这些空白。当检测到可能有害的压力时，软体执行器会自动重新分配力量。
经过从实验室到活体动物模型的一系列测试，该附加装置展示了更高的安全性，且不会使医疗专业人员的操作复杂化。
设计与测试流程
该套筒包含五个U形光波导，每个横截面积为750 µm²，由紫外线固化Norland光学粘合剂（NOA 65）制成以确保灵活性。椭圆形气动执行器（30×8毫米）提供受控膨胀，而不会干扰结肠镜传感器。
研究人员使用带有650纳米LED和光电晶体管的光学电路进行实时感应，并通过电位器微调信号带宽。
附加装置采用分层制造方法，使用计算机数控加工的铝制模具。弯曲层和接触层由Ecoflex 00-30制成，而NOA 65用于创建光学核心。设计的结构完整性通过包裹接缝和Dragon Skin 30注射实现。
接触力放大压痕器是设计中的另一个重要方面。这些压痕器利用波导的多模态特性，允许单个信号通过根据设置选择性放大不同损耗模式来检测弯曲和力。
为了校准附加装置，套筒被弯曲至曲率为15 m⁻¹的十二个30°方向，随后简化为四个关键方向以提高操作效率（60°、120°、240°、300°）。Instron机器施加了高达六牛顿的力，显示接触期间WG信号损失模式一致。
性能表征确认，在25 kPa压力下，执行器可扩展12.7-13毫米，返回时间为3秒，无论是在直线还是弯曲位置均表现出色。
验证与实际测试
体内试验涉及两头30公斤重的约克郡猪，在批准的麻醉和持续兽医监控下进行。在活体手术过程中，套筒保持了全部功能，未对动物产生不良影响。
在集成方面，该设备与商用内窥镜（外径23毫米）无缝协作。波导准确重建了3D形状（曲率误差8.51%，方向误差9.67%），并测量力的误差为3.38%。系统还成功区分了弯曲力和接触力，并在5牛顿阈值处激活压力重新分配。
体外测试表明，执行器可将局部压力降低83%。离体试验使用牛结肠和七名用户（从新手到专家不等）进行，以展示附加装置与用户工作流程的兼容性。
使用附加装置后，平均导航时间从70.7秒降至47.1秒，感知工作量没有显著增加。使用套筒时，专家完成操作比普通结肠镜快7.3秒。
体内试验显示，操作时间影响极小（仅相差3.6秒），生命体征无干扰（心率变化小于0.36%，氧合水平变化小于0.19%）。每轮试验中，套筒的执行器平均响应过度力激活4.2次。
便携式控制盒支持快速即插即用设置。设备的光学传感器在十多次灭菌循环中可靠运行，执行器始终表现符合预期。
最终思考
这种软体机器人套筒为标准结肠镜检查增加了一层安全性和精确性，而不改变现有实践。其一次性设计降低了感染风险，内置传感器和执行器可实时监测并响应过度压力。基于全面测试，这一解决方案为改善结直肠癌筛查期间的患者护理提供了切实可行的一步。
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