胃肠道等消化系统疾病是人类面临的最常见的疾病之一。有研究表明,在欧洲人群中,胃溃疡或十二指肠消化性溃疡病的总患病率为4.1%,而在我国人群中该数据高达17.2%。而在诸多胃肠道疾病中,胃癌更是令人们“谈癌色变”,其不仅是全球第四大常见癌症,而且也是全球癌症死亡的第二大常见原因。胃癌早期症状少,并且容易与无规律的消化不良等常见胃肠疾病混淆,很难让人们引起足够的重视。而癌症的早期诊断和干预,对于癌症治疗和降低死亡率而言至关重要。因此,就如何在早期发现并准确诊断出诸如胃癌、肠癌等消化道系统疾病而言,人们一直在探寻新的有效诊断方法。

内窥镜检查是目前最为常见且有效的胃肠道疾病临床诊断手段。但现阶段的内窥镜能插入消化道的长度有限,存在漏检风险,而且其侵入性,通常患者会感到极大的不适感,并有一定几率造成肠胃穿孔、出血等。虽然目前可采用注射镇静剂、麻醉的方法来提高患者的依从性,但术后麻醉引起的不良反应事件和创伤事故等,也是传统内窥镜受到大部分人排斥的原因之一。

技术突破,源于生活

近日,北京航空航天大学机械工程及自动化学院“卓越百人”副教授、博士生导师冯林课题组,经过多年的技术积累,研究开发出了一种高精度磁悬浮胶囊机器人。通过给微型机器人套上胶囊的伪装,配上实时三维导航,使其在非接触外部磁场的驱动下,精准抵达胃肠道,对胃肠道实施全方面、无死角精准化检测,并利用人工智能技术,对病灶进行实时智能化诊断识别,颠覆了传统内窥镜检查技术,以科技手段给广大患者带来更好的服务。

做胶囊机器人的初衷来源于冯林的一次胃镜检查。冯林读博士期间曾经因为每天忙于科学研究,饮食不规律,过分劳累导致身体不适,有很长一段时间一直觉得胃部不舒服,恶心反胃,因此到医院接受了一次传统的胃镜检查。医生用传统的插管式内窥镜对冯林的胃部进行检测、诊断,在检测过程中冯林整个过程极为痛苦,硕大的一根管子插进胃里导致人体不自觉的恶心呕吐,做完整个检查,冯林已然鼻涕眼泪一大把了。回到工作岗位后,他下定决心把自己在日本学到微机电系统相关知识,做出微小型的胶囊机器人彻底解决胃肠病检测的痛苦,让科学研究真正的解决病人的痛苦。于是从2016年开始,冯林便开始布局磁悬浮胶囊胃肠镜机器人相关技术研究,通过近6年的技术积累,最终取得了重大突破,完成了胶囊机器人的样机研制。

胶囊胃肠镜机器人磁控线圈实物图

学科交叉,高度融合

磁悬浮胶囊胃肠镜机器人是一个复杂的系统,所涉及到的技术并不是某一个学科可以解决的,涵盖了理学、工学、医学等多学科,覆盖了机械、计算机、电气、自动化、电子、通信、材料、数学、物理学、力学、生物医学等众多专业,是一个各学科专业高度融合的综合产物。脱离了上述任何一个学科专业,胶囊机器人都无法被实现。

胶囊机器人本体

磁悬浮胶囊胃肠镜机器人系统可分为三个部分,一是外部磁悬浮控制系统,二是胶囊机器人本体,三是智能化诊断系统。外部磁悬浮控制系统主要包括磁控线圈、床体和控制系统,胶囊机器人的电磁式控制技术属于行业内首创,包含了线圈结构设计技术、电磁仿真技术、非线性磁场驱动控制技术、模糊控制技术、悬浮控制技术等。胶囊机器人本体主要包括摄像头、电子电路、永磁体、天线、壳体等,包含了无线通信技术、电子电路设计技术、视频图像传输技术、壳体材料处理技术等。智能化诊断系统主要包括深度学习技术、自动化识别技术、视频跟踪识别技术、软件开发技术等。各项技术的高度融合,实现了胶囊机器人的产品化研发。

胶囊机器人磁控系统人体样机模型

目前,悬浮胶囊胃肠镜机器人运动控制精度可达到0.5mm、悬浮位置控制精度可达到0.1mm,悬浮运动控制精度可达到0.5mm,实时位置定位精度达到2mm以内,实时角度定位精度达到2°以内,胶囊本体可实现实时无线视频传输(行业首创),帧率提高到30fps,分辨率达到800*600,与同行业产品相比,性能大幅提升。

深耕技术,科技报国

冯林是“80后”,博士毕业于日本名古屋大学,跟随导师福田敏男教授(微纳米机器人之父)、新井史人教授从事微纳米系统、微纳米机器人的研究。冯林凭借克服一切困难的勇气、永攀科技高峰的顽强信念、坚持不懈的强大自我驱动力、大胆假设小心求证的科学态度,完成了他在微纳米领域的技术积累,在科研道路上站稳了脚跟,打下了深厚的基础。

冯林满怀科技报国之心,放弃日本日产汽车自动驾驶的研究工作,毅然决定回国通过人才引进的方式加入了北京航空航天大学。归国以后先后荣获“北京市科技新星”、“北京市杰出青年”等荣誉,在2020年更是获得国家重点研发计划--智能机器人专项重大课题资助。冯林借助各项国家级、省部级项目的支持大力开展微纳米机器人在“医工交叉”领域研究。另外,冯林也被聘入了北京市生物医学工程高精尖中心,更加深入地进入到医疗机器人领域,尤其在自主式姿态可控胃肠镜用胶囊机器人研究方面取得了重大突破和丰硕成果。

前不久,冯林指导的学生团队凭借Medcreate磁悬浮胶囊机器人在第七届中国国际大学生“互联网+”创新创业大赛中获得本科生创意组全国第五名(1085个参赛项目),首都挑战杯金奖,冯如杯一等奖等一系列奖项。此外,有关磁悬浮胶囊机器人的成果被IEEE TAS-E,Advanced Intelligent System,Small,Lab chip等国际知名SCI源期刊发表,并申报了多项发明、实用新型专利。

成果转化,为民服务

冯林在科研方面,一直坚持这样一个理念,那就是“科学研究不能只是炒概念,应当把先进科研成果及技术落地转化,实实在在为广大人民群众服务,为健康中国贡献力量。”

在完成磁悬浮胶囊机器人实验室样机搭建后,为了能让更多胃肠病患者享受到科学技术带来的福利,该项目也已经进入到科技成果转化落地阶段,加速推动胶囊机器人的临床应用。

技术拓展,惠及癌患

在完成磁悬浮胶囊机器人技术研发的同时,冯林也将非接触场控技术等众多技术应用到生物医疗、医药领域。其中具有代表性的有“微纳米级高通量高精度大输出力光电镊微操作系统”,“靶向药物输送场控微纳米机器人系统”。光电镊微操作系统的研制,将打破国外技术的长期垄断,解决恶性肿瘤(癌症)CAR-T细胞疗法生产工艺流程的痛点,在抗体药物筛序等领域具有广泛的应用价值。靶向药物输送场控微纳米机器人系统的研发,获得了国家科技部重点研发专项支持,主要解决传统化疗药物对人体正常细胞的伤害,实现癌细胞的精准定位、药物运动实时可控、药物释放智能可观,药物的靶向率由传统的0.7%提高到70%。

为了将上述前沿技术更好地应用到临床研究,冯林与国内多家三甲医院开展深度合作,设计载药机器人,构建各种生物医学模型,广泛开展前期验证性实验,为后期临床应用打下坚实的基础。目前相关科研已取得多项成果,发表高水平论文130余篇,期刊封面文章10余篇,国际机器人大会奖项10余项,各类高水平竞赛奖项20余项。

“路漫漫其修远兮”,未来的科研及技术转化之路必将崎岖不平,冯林课题组将以“初生牛犊不怕虎”的勇气,“咬定青山不放松”的毅力,舍我其谁的青年责任担当,出类拔萃的团队能力,实事求是的科学精神,不断攻坚克难,为国家的科技事业做出贡献,为国家的全民健康事业做出贡献!