研究人员开发了一种微型磁性机器人，可以对人体内部的深处进行3D扫描，这可能会彻底改变早期癌症检测。团队表示，这是第一次能够从胃肠道深处的探针生成高分辨率的三维超声图像。
这项研究由利兹大学的工程师领导，团队表示这是首次成功生成从胃肠道深处探针获取的高分辨率三维超声图像。
它为几种癌症的诊断和治疗的转变铺平了道路，能够实现“虚拟活检”——非侵入性扫描，提供即时诊断数据，使医生能够在一次程序中检测、评估和潜在治疗病变：消除了进行物理活检的必要性。
或许令人惊讶的是，团队成功的关键在于使用一种鲜为人知的三维形状——椭圆体，它赋予了磁性医疗机器人先前不可能的运动范围——滚动——这对精确导航和成像在体内至关重要。
一篇今天（3月26日）发表在《科学机器人》上的论文解释了团队如何将椭圆体形状和其独特的滚动运动集成到新的磁性柔性内窥镜（MFE）中。他们为其配备了一种小型高频成像设备，以捕捉内部组织的详细3D图像。
这项技术是通过利兹大学、格拉斯哥大学和爱丁堡大学的工程师、科学家和临床医生之间的合作开发的。利兹负责机器人的开发和探针的整合，而格拉斯哥和爱丁堡提供了超声探头并领导成像部分。
皮耶特罗·瓦尔达斯特里，机器人和自主系统教授以及STORM实验室主任，协调了这篇论文背后的研究。他表示：“这项研究首次让我们能够重建从胃肠道深处的探针获取的3D超声图像——这是前所未有的。”
“这种方法使我们能够进行原位组织分析和结直肠癌的诊断，结果即时。目前结直肠癌的诊断过程需要取出组织样本，然后发送到实验室，结果通常需要一到三周。”
成像设备——一个28 MHz微超声阵列——能够为其扫描的区域创建高分辨率的3D重建。从这个虚拟重建中，临床医生可以生成与标准活检相似的横断面图像，后者将组织样本切成薄层，放在载玻片上以在显微镜下进行检查。
高频或高分辨率超声不同于我们大多数人熟悉的用于观察胎儿或内部器官的超声。这项研究中使用的高频/高分辨率超声探头使用户能够在显微水平上看到组织层级的细节。
虽然3D超声已经可以在血管和直肠中进行，但这项工作开启了在胃肠道更深处进行3D扫描的可能性。
利兹大学STORM实验室的研究生研究员尼基塔·格林奇，电子与电气工程学院的成员，是论文的第一作者。她表示：“通过将我们的先进机器人技术与医疗超声成像结合，我们将这项创新提升到传统结肠镜检查的一步，允许医生在一次程序中进行诊断和治疗——消除诊断和干预之间的等待时间。这不仅使患者的过程更加舒适，还减少了等待时间，最小化了重复程序，并减轻了等待潜在癌症结果带来的焦虑。”
她补充道：“结直肠癌是英国及全球癌症相关死亡的主要原因之一，但如果早期发现，治愈率很高。这项研究提出了一种新的方法，能够通过微创方法显著改善早期诊断，并且未来可能促进针对性的超声触发药物传递，从而实现更有效的治疗。”
这项研究得到了UKRI工程与物理科学研究委员会（EPSRC）、欧洲委员会（EC）、欧洲研究委员会（ERC）及NIHR利兹生物医学研究中心的资助。研究发现，使用椭圆体——由两个相交的垂直圆圈形成的形状——显著增强了磁性柔性内窥镜的灵巧性、诊断能力和自主性，以及整体磁性医疗机器人的性能。
椭圆体磁性内窥镜（OME）是用树脂3D打印而成，直径仅为21毫米——约一便士硬币的大小——这意味着机器人仍然可以滚动，但对于临床应用如结肠镜检查来说是实用的尺寸和设计。其运动在模拟结肠、食管和胃的结构的各种表面上进行了测试。
为了推进技术朝向人体试验，团队首先在人工结肠中进行测试，随后在猪中进行研究，这是获得医疗器械批准的必要步骤。他们使用了机器人控制的外部永久磁铁，这是之前在利兹开发的平台，可以实现OME的摇杆控制和自主控制。导航由嵌入相机的图像和磁性定位系统协助。结果表明该系统能够：
成功在结肠内部执行控制的滚动和扫动动作。
生成高分辨率3D超声扫描以进行准确诊断。
识别胃肠道组织中的病变，展示其在先进医学成像和早期疾病检测方面的潜力。
格林奇女士表示，虽然这项研究是在结肠中进行的，但椭圆体形状的滚动特性可以应用于各种磁性医疗机器人，可能将其应用扩展到身体的其他区域。
团队现在将开始收集所有数据，以便进行人体试验，他们希望能够在2026年开始，因为利兹的没有超声能力的机器人结肠镜平台已经在进行人体试验并被Atlas Endoscopy（由STORM实验室衍生出的利兹公司）商业化。
磁性机器人的科学
磁场非常适合医疗应用，因为它们可以无害地穿透人体组织，使得微型外科机器人能够进行远程操作。控制滚动和扫动动作对精确导航和体内成像至关重要。然而，使用外部磁场让圆柱形机器人滚动是不可能的。
圆柱形磁性机器人只能实现五个自由度——物体的运动方式。这被认为是一个限制：没有滚动运动就无法进行3D扫描。尽管重力会使圆柱体或球体沿斜坡滚动，但无法利用外部磁力使它们滚动。利用椭圆体解决了这个问题，因为其独特的几何形状自然地促使其扭曲的滚动运动，将滚动与上下和左右的旋转耦合在一起。由于椭圆体没有围绕中心轴的对称性，外部磁铁可以施加扭矩——或旋转力——在体内的两个方向上产生滚动运动。
格林奇女士表示：“我们的发现表明，跨学科的医疗机器人领域的新可能性，展示了简单几何等数学原理如何解决现实世界的医疗挑战。”
领导该研究超声成分的格拉斯哥大学医学与工业超声中心的桑迪·科克伦教授表示：“超声成像安全、价格低廉，并且可以准确部署在需要的地方。通过这种合作的方式，将医疗超声成像与尖端机器人技术结合，我们希望能帮助推动癌症诊断、治疗和病人管理的变革性变化。”
团队认为，他们所取得的进展可能会导致内窥镜技术的根本变化，内窥镜医生可以专注于关键的诊断和治疗决策，而自主系统则处理常规导航和任务。
他们还认为，OME增强的灵巧性和诊断能力可能有助于解决结肠镜检查中的性别差异，因为标准的柔性内窥镜程序在女性中往往更加困难，导致不完全程序的比率更高。
EPSRC的研究执行主任简·尼科尔森表示：“前沿技术发展的进步正在推动快速、非侵入性解决方案的开发，这些方案有潜力彻底改变癌症的诊断和治疗。”
“通过提高对结直肠癌等高发癌症程序的精确性和控制性，这个跨学科团队的努力可能导致癌症检测和治疗的重大进展。”
