无线胶囊内窥镜（WCE）可以在无需使用镇静剂的情况下检查消化系统，避免了传统内窥镜检查中的潜在风险。它在胃肠道组织尤其是小肠病变的检测中的作用无可替代。然而，目前市面上的商业WCE面临局限性，例如无法进行自主进行病变检测和手术治疗。近年来，随着微机电系统、人工智能等新兴技术的发展，促使人们研究将复杂的技术集成到商用胶囊内窥镜中，旨在取代有线内窥镜。
近期，浙江大学机械工程学院杨华勇院士团队在《Nature Commucations》期刊上发表题为Robotic wireless capsule endoscopy: recent advances and upcoming technologies的论文，浙江大学机械工程学院，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室为第一单位。本综述论文讨论了智能胶囊机器人的未来需求，对各种方法的优缺点进行了比较评估，并重点介绍了与WCE相关的六项技术的最新发展。这些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。
韩冬研究员为论文通讯作者，博士生曹青为论文第一作者。本研究由国家自然科学基金、国家重点研发计划等多个项目资助。实验室成员主要致力于电液、电磁、压电驱动系统创新和微创/无创医疗器械开发等方面的研究工作，目前在胶囊机器人诊疗功能化应用上已取得一些进展。
图1：WCE机器人发展里程碑时间表及其未来概念设计。a. WCE设备和技术的发展。时间线展示了2001年至2023年WCE设备的商业化进展、开创性研究成果和临床进展。b. “胶囊外科医生”的概念。胶囊机器人利用智能检测算法对潜在病变进行检查。在识别出异常组织后，胶囊可以固定其位置并通过其功能组件启动药物程序。这些组件多种多样，可能涉及圈套器、高频电切刀或止血夹。
图2：WCE传统技术的缺陷与前沿智能化技术。a. 传统方法的缺点。b~g，先进智能技术的工作原理：b. 近场无线电力传输。病人躺在手术台上，体内有一个发射线圈和一个装有接收线圈的胶囊。c. 磁场主动驱动。医生通过手柄操纵装有外部磁铁的机械臂，控制装有磁铁的内部胶囊的运动。d. 体内通信。一个装有多个电极的可穿戴接收器与胶囊上的两个条形金电极相环绕。e. 磁/视频混合定位。磁定位依赖于外部磁阻传感器阵列，视频定位则利用形状、颜色和纹理等组织特征进行识别。f. AI算法实现病变分类。g. 磁场控制胶囊执行诊断和治疗功能，可以在目标位置进行活检或药物释放。
图3：WCE 的磁场主动驱动技术。a. 外部磁铁通过 RRMA 驱动 WCE 机器人安全通过肠道。左图：平台示意图。右上：受力分析。右下：肠道胶囊运动对比实验。CRMA：连续旋转磁驱动，RRMA：往复旋转磁驱动。b. 添加的电磁线圈实现了胶囊机器人的高精度悬浮控制。左图：平台示意图。右图：胶囊模型以期望的方波轨迹执行磁悬浮平移运动的图像序列。MLCEC：磁悬浮控制电磁线圈，OCEC：方向控制电磁线圈。c. 矩形线圈驱动系统提高了患者对卧位的耐受性，并已在猪的临床试验中进行了测试。左图：电磁线圈模型。右图：使用活猪的体内实验装置。HC：亥姆霍兹线圈，MC：麦克斯韦线圈，RC：矩形线圈。
图4：基于人工智能的综合病理分析模型。该过程从WCE设备捕获胃肠道图像开始，然后对其进行预处理并作为AI算法的输入。该算法的架构可以根据不同的特征提取和分类方法分为传统机器学习和深度学习。后续图像处理将结合 WCE的具体应用场景和分析任务进行。最终，模型输出相关指标以确定其性能。
图5：磁控诊疗胶囊机器人。a.基于软Sarrus连杆概念的微针毛细管活检胶囊机器人。左：三维模型设计。右：机器人在磁力下的实际变形。b. 带刮刀组件的胶囊活检机器人。左上：带活检模块的WCE机器人的概念设计。左下：拟议的活检模块及其在运动和活检操作过程中的状态。右上：组装好的活检模块。右下：用于活检的WCE设备的完整原型。c. 用于肠道微生物组的主动多次采样胶囊。左上：总体设计。左下：由外部磁场控制的胶囊采样过程。右：制造的组件和完全组装的胶囊。d. 被动磁性药物输送胶囊。左上：药物输送胶囊内窥镜的设计。左下：拟议的药物输送模块的结构。右：WCE的组装和原型。e. 主动磁性药物输送胶囊。顶部：FSCR的外部和剖面视图。底部：FSCR 和 EPM 的表面滚动运动图。FSCR：磁流体软胶囊机器人。
图6：WCE临床整合的转化策略。a. WCE 临床指标与先进智能技术的相关性。指标 1–5：从胃肠道安全到易于操作；技术 1–6：从近场无线电力传输到磁控诊断和治疗。b–f，指南和关键实验：b. 胃肠道安全。c. 道德和监管考虑。d. 对人体组织的干扰。e. 数据多样性。f. 易于操作。
图7：未来WCE发展所需的关键技术进步。a. 实现高度集成。一种可行的方法是将磁铁和线圈安装在胶囊内，以便在外部磁场下进行 WPT、主动运动、定位、诊断和治疗。b. 远程医疗。移动云计算与 5G 通信的结合可以促进远程医疗功能。c. 扩展WCE 机器人的治疗功能。不仅限于恶性息肉切除和用于在无法进入的区域中进行治疗的多尺度机器人合作。
总结：该论文是自2000年无线胶囊内镜技术出现以来发表在Nature子刊上的第4篇综述型论文（近10年首篇）。相较于之前的文献，我们主要从智能机器人技术的角度，针对“胶囊外科医生”的概念进行了更批判性的全面评估。除了回顾了与WCE机器人相关的不同方案的优缺点，更重要的是说明了六种突破性智能技术的潜力。此外，WCE临床整合的转化策略也是值得一提的亮点工作。