一种可以深入体内进行三维扫描的微型磁性机器人已被研究人员开发出来，该机器人可能彻底改变早期癌症检测。由利兹大学工程师领导的团队表示，这是首次能够在消化道或肠道深处生成高分辨率的三维超声图像。
这项技术为几种癌症的诊断和治疗带来了变革，通过“虚拟活检”——非侵入性扫描，提供即时诊断数据，使医生能够在单次操作中检测、分期并可能治疗病变，从而消除了物理活检的需要。
该团队成功的关键在于使用了一种鲜为人知的三维形状——橄榄体（oloid），这赋予了磁性医疗机器人以前无法实现的滚动运动范围，这对于在体内精确导航和成像至关重要。
一篇于昨日（3月26日）发表在《科学·机器人》上的论文解释了团队如何将橄榄体形状及其独特的滚动运动整合到新的磁性柔性内窥镜（MFE）中，并配备了一个小型高频成像设备以捕捉内部组织的详细三维图像。
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、科学家和临床医生的合作开发的。利兹大学负责机器人的开发和探头的集成，而格拉斯哥和爱丁堡则提供了超声探头并领导了成像组件。
Pietro Valdastri教授，机器人和自主系统主席及STORM实验室主任，协调了这篇论文的研究工作。他说：“这项研究首次使我们能够从肠道深处的探头重建三维超声图像——这在以前从未实现过。”
“这种方法可以在现场进行组织分析和结直肠癌的诊断，并立即获得结果。目前，诊断结直肠癌的过程需要移除组织样本并送往实验室，结果通常需要一到三周才能出来。”
成像设备——一个28 MHz微超声阵列——创建了扫描区域的高分辨率三维重建。从这个虚拟重建中，临床医生可以制作横截面图像，这些图像类似于标准活检中生成的图像，其中组织样本被切成薄片并放在载玻片上在显微镜下检查。
虽然三维超声已经在血管和直肠中进行，但这项工作为在消化道更深处进行三维扫描打开了可能性。
研究生Nikita Greenidge是利兹大学STORM实验室的成员，也是该论文的主要作者。她说：“通过将我们的先进机器人与医学超声成像相结合，我们将这一创新提升到了传统结肠镜检查之上，允许医生在单次操作中进行诊断和治疗——消除了诊断和干预之间的等待时间。这不仅使患者更加舒适，还减少了等待时间，减少了重复程序，并减轻了等待潜在癌症结果的焦虑。”
她补充说：“结直肠癌是英国乃至全球癌症相关死亡的主要原因之一，但如果早期发现，它是高度可治疗的。这项研究提出了一种新方法，可以通过微创方法显著提高早期诊断，并且在未来还可以促进靶向超声触发药物递送，从而更有效地治疗。”
这项研究得到了英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）、欧洲委员会（EC）、欧洲研究理事会（ERC）和NIHR利兹生物医学研究中心的资助。研究发现，使用橄榄体——一种由两个相交的垂直圆形成的形状——显著增强了磁性柔性内窥镜和整体磁性医疗机器人的灵活性、诊断能力和自主性。
橄榄体磁性内窥镜（OME）是用树脂3D打印的，直径仅为21毫米——大约相当于一枚1便士硬币的大小——这意味着机器人仍然可以滚动，但其尺寸和设计适合临床应用，如结肠镜检查。其运动在模拟结肠、食道和胃结构的各种表面上进行了测试。
为了推进技术向人体试验发展，团队首先在人工结肠中进行了测试，随后在猪身上进行了研究，这是满足医疗设备批准监管要求的必要步骤。他们使用了一个机器人控制的外部永久磁铁，这是一个之前在利兹开发的平台，可以实现对OME的手动和自主控制。导航由嵌入式摄像头和磁定位系统的图像辅助。结果显示，该系统可以：
- 在结肠内成功执行受控滚动和扫查动作。
- 生成高分辨率的三维超声扫描以进行准确诊断。
- 识别胃肠道组织中的病变，展示了其在高级医学成像和早期疾病检测方面的潜力。
Greenidge女士表示，尽管这项研究是在结肠中进行的，但橄榄体形状的滚动特性可以应用于各种磁性医疗机器人，从而将其应用扩展到身体的其他部位。
团队现在将收集所有必要的数据，以便进行人体试验，他们希望这些试验能在2026年开始。利兹大学的无超声能力的机器人结肠镜平台已经在进行人体试验，并由利兹的一家公司Atlas Endoscopy商业化。
磁场非常适合医疗应用，因为它们可以无害地穿过人体组织，从而实现对微型手术机器人的远程操控。受控的滚动和扫查动作对于在体内的精确导航和成像是必不可少的。然而，使用外部磁场使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种自由度——物体可以移动的方式。这被认为是一个限制：没有滚动运动就无法进行三维扫描。虽然重力会使圆柱体或球体沿着斜坡滚动，但使用外部磁力使其滚动是不可能的。利用橄榄体解决了这个问题，因为其独特的几何形状自然促进了蜿蜒的滚动运动，将滚动与上下和左右旋转耦合在一起。由于橄榄体没有围绕中心轴的对称性，外部磁铁可以在两个方向上施加扭矩——或扭转力——以实现滚动运动。
Greenidge女士说：“我们的发现表明，跨学科的方法在医疗机器人领域具有新的可能性，展示了简单的几何原理如何解决现实世界的医疗保健挑战。”
格拉斯哥大学医学和工业超声波中心的Sandy Cochran教授领导了这项研究的超声部分。他说：“超声成像安全、经济且可以部署在需要的地方。通过这种协作方法，将医学超声成像和尖端机器人技术结合起来，我们希望能够帮助带来癌症诊断、治疗和患者管理的变革。”
团队认为，他们所取得的进步可能会导致内窥镜检查的根本变化，使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。
他们还相信，OME增强的灵活性和诊断能力可以帮助解决结肠镜检查中的性别差异问题，因为标准柔性内窥镜程序在女性中往往更具挑战性，导致不完整程序的比率更高。
EPSRC的研究执行主任Jane Nicholson说：“前沿技术的发展正在推动快速、非侵入性解决方案的发展，这些解决方案有可能彻底改变癌症的诊断和治疗。”
“通过提高高发病率癌症（如结直肠癌）的诊断和治疗的精度和控制，这个跨学科团队的努力可能会带来癌症检测和治疗的重大进展。”
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