Nature Communications|综述|无线胶囊内窥镜机器人的最新研究进展和未来发展方向（健康监测/柔性传感/可吞服电子）

浙江大学杨华勇（Huayong Yang）院士和韩冬（ Dong Han）特聘研究员团队，在期刊《Nature Communications》上发布了一篇题为“Robotic wireless capsule endoscopy: recent advances and upcoming technologies”的综述论文，博士生曹青（Qing Cao）为论文第一作者。综述内容如下：

一、摘要

无线胶囊内窥镜（Wireless capsule endoscopy，WCE）提供了对消化系统的非侵入性评估，无需使用镇静剂且消除了传统内窥镜检查中存在的相关的风险。其重要性在于诊断胃肠组织的异常（特别是在小肠中）。然而，现有的商用WCE设备存在局限性，如缺乏自主病变检测和治疗能力。微机电系统和人工智能等先进技术的发展，促使人们将尖端技术集成到商用胶囊内窥镜中，旨在取代有线内窥镜。本综述讨论了智能胶囊机器人的未来需求，对各种方法的优点和缺点进行了比较评估，并重点介绍了与WCE相关的六种技术的最新发展。这些技术包括近场无线电力传输、磁场主动驱动、超宽带/体内通信、混合定位、基于人工智能的自主病变检测，以及磁控诊断和治疗。此外，还探讨了未来“胶囊外科医生”的可行性。

二、背景介绍

医用内窥镜在诊断胃肠道异常方面发挥着关键作用，包括胃息肉、胃肠道出血和Crohn’s疾病。传统的内窥镜检查需要医生将一根长电缆插入患者体腔，以便对关键区域进行成像，并提供诊断和治疗解决方案。然而，这种有线内窥镜由于有大量接触面积，可能会给患者带来不适和疼痛。它们还可能引起感染、穿孔和撕裂等潜在并发症，并且无法触及小肠区域。相比之下，无线胶囊内窥镜(wireless capsule endoscopy，WCE)因其以患者为中心的方法和无创性特点而得到全球认可，为有效避免上述问题提供了有效替代方案。

与传统内窥镜检查不同，WCE无需使用镇静剂，并复制了标准胶囊药物的摄入过程。它在胃肠道中被动或主动移动，以受控的速度捕捉图像。视频信号通过无线传输到患者身上的接收器，使医务人员能够识别潜在的异常进行诊断。

标准的WCE设备通常尺寸为11×26mm，包含镜头、图像传感器、LED、纽扣电池和天线等组件。自2001年首款商业化胶囊内窥镜M2A（后更名为PillCamTM SB）获得医疗认证以来，WCE技术已经发展了二十多年（图1a）。尽管微型胶囊在临床实践中被广泛用于小肠检查，但它们存在一些局限性，例如不适用于诊断过程中的手术干预，并且耐久性有限。因此，它们无法完全取代有线柔性内窥镜。近年来，随着微机电系统（ micro-electro-mechanical systems，MEMS）和人工智能（AI）等新兴技术的发展，对新一代智能胶囊内窥镜机器人的研发提出了新的标准和要求：

高耐久性：确保胶囊内窥镜在消化系统的整个通道进行实时成像、数据传输和观察。
主动运动导航：通过在远程控制胶囊在腔内的位置和方向，减轻手动操作负担，提供广阔的视野并将漏检的机会降至最低。
高速双向通信：使WCE设备能够将图像或传感器数据传送到接收器，并接收特定功能的控制指令。
高精度定位：使医疗从业者能够实时准确地定位病灶，从而有助于后续的诊断和治疗。
智能病变检测：胶囊内窥镜内置自动识别病变的功能，有效减少了医生的检查时间。
集成诊断与治疗功能：WCE机器人能够通过视觉识别病变并进行微创手术治疗，而不会对皮肤造成任何损伤。

根据理Richard Feynman在1959年的演讲《There’s plenty of room at the bottom》中提出的“胶囊外科医生（swallowing the surgeon）”的概念，新型智能胶囊内窥镜机器人可以满足指定的标准，能够在人体内部自主执行手术，消除了医生直接干预的需要（见图1b）。

图1 WCE机器人发展的重要里程碑及其未来概念设计。a) WCE设备和技术的发展。时间线展示了从2001年—2023年间，WCE的商业化进展、重要研究发现和临床进展。 b) "胶囊外科医生"的概念。利用智能检测算法，对潜在病变的进行检查。当识别出异常组织时，胶囊可以固定其位置并启动其功能组件进行药物程序。这些组件多样化，可能包括圈套器、高频电切刀或止血夹。