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摘  要

長期以來，世界各地的科學家一直致力于制造可在人體內(nèi)控制的微型機器人，用來幫助醫(yī)生識別和治療疾病。這種微型機器人能夠通過自然腔道進入人體難以到達的部位，實現(xiàn)微創(chuàng)治療。本綜述主要通過以下四個方面進行介紹：首先，提供有關目標工作環(huán)境的有價值的解剖學和生理學信息，以及設計醫(yī)療微型機器人的工程工具；其次，提供相關類別醫(yī)療微型機器人技術現(xiàn)狀的全面調(diào)查；第三，分析目前可用的與體內(nèi)環(huán)境兼容的跟蹤和閉環(huán)控制策略；第四，探討仍然存在的挑戰(zhàn)，用來幫助未來的研究。

一、介紹

通過無線控制進行疾病診斷和治療的微型機器人正在成為現(xiàn)實。這些微型工具（本文稱之為微型機器人）的整體尺寸從毫米到微米不等，能夠利用人體的自然腔道進入傳統(tǒng)介入器械無法進入的部位進行診斷治療。

雖然微型機器人在實驗室環(huán)境中被證明前景廣闊，但要將其用于臨床實踐仍有許多難題需要解決。想要將宏觀機器縮小到微觀尺度的想法暫時是困難的，因此科學家必須從了解微尺度的運動、交互和制造物理學出發(fā)，利用獨特的驅(qū)動和控制策略（如基于無線驅(qū)動的策略），開發(fā)一種自下而上的微型機器人方法，如下圖所示。

圖. 醫(yī)療微型機器人的類別（微型機器人可根據(jù)其尺寸和設計方法進行分類）

二、可進入人體的微型機器人

1、關鍵應用領域的解剖學和生理學

不同的應用場景（部位）決定了微型機器人的不同特征，如尺寸、機械性能、力輸出和制造材料等。人體的自然腔道是微型機器人通路的可選擇路徑之一，例如由動脈和靜脈組成的循環(huán)系統(tǒng)、胃腸（gastrointestinal，GI）系統(tǒng)、呼吸道、泌尿道、神經(jīng)系統(tǒng)的蛛網(wǎng)膜下腔、眼睛和生殖通道等都是能夠到達身體不同區(qū)域的可能路徑，如下圖/表所示。

圖. 微型機器人可應用的場景

表. 與微型機器人相關的人體區(qū)域的主要解剖特征

2、生物屏障

人體外部的主要生物屏障是皮膚，在手術中可能需要切開皮膚才能將微型機器人放入體內(nèi)；此外在內(nèi)部還存在其他屏障，如消化道和泌尿生殖道的粘液層、血腦屏障（blood–brain barrier ，BBB）等。因此微型機器人想要發(fā)揮作用，不僅需要躲避人體免疫系統(tǒng)的攻擊，還需要具備跨過這些生物屏障的能力。

三、驅(qū)動機制

為微型機器人選擇合適的驅(qū)動機構(gòu)時，必須考慮到工作環(huán)境的特點，如環(huán)境應力、尺寸限制、生物障礙等，以及微型機器人本身的特性。如下圖所示，在本綜述中，作者重點對基于磁場、超聲波和光的驅(qū)動機制進行介紹。

圖. 微型機器人的驅(qū)動機制 （a）磁場，（b）超聲波，（c）光

四、體內(nèi)微型機器人的跟蹤

微型機器人要到達體內(nèi)的特定目標區(qū)域執(zhí)行任務需要進行精細控制，這反過來也需要對其位置和激活狀態(tài)進行及時跟蹤。光學跟蹤是體外醫(yī)療設備觀察的黃金標準，其通過安裝在儀器上的攝像頭的檢測設備進行監(jiān)測，但是在沒有光線的情況下該檢測方式會失效；基于傳感器的方法，如電磁，可用于體內(nèi)無光線情況下的監(jiān)測，但是其對空間的要求也使得該方法有所限制。目前已經(jīng)提出了基于超聲波、磁場、光、電離輻射或這些方法組合的醫(yī)學成像方法用于跟蹤和監(jiān)測組織中的微型機器人，其中基于超聲波和磁場的方法應用最為廣泛，如下圖所示。

圖. 微型機器人中的超聲波和磁成像

五、用于生物醫(yī)學的微型機器人

微型機器人已經(jīng)被廣泛用于執(zhí)行從微創(chuàng)手術到靶向藥物給藥和健康監(jiān)測的醫(yī)療任務。正如前幾節(jié)所概述的，人們已經(jīng)研究了微型機器人在臨床實踐中通過無線控制進行能量傳遞、驅(qū)動和跟蹤的策略。鑒于它們的非侵入性和靈活性，微型機器人有望克服傳統(tǒng)介入工具和技術瓶頸所面臨的困難。靶向藥物輸送因其所需的精度較低而被大量研究。下文主要回顧使用微型機器人在循環(huán)系統(tǒng)、胃腸道中執(zhí)行醫(yī)療任務時取得的成果。

1、用于血管循環(huán)系統(tǒng)中的微型機器人，如下圖所示

圖a：在物理方法中，生物仿真膠體粒子可以在聲場或磁場作用下單獨或組合向目標方向移動，如利用聲磁激活的自組裝微型機器人實現(xiàn)了沿血管上游運動；

圖b：在血管中，利用抗體介導的靶向能力，將藥物選擇性地輸送到特定的腫瘤部位；

圖c：在小鼠腦血管中激活自組裝微型機器人；

圖d：在神經(jīng)血管模型進行的體外測試和豬肱動脈的體內(nèi)評估中，通過構(gòu)建的系統(tǒng)進行導航，該系統(tǒng)將磁性微導管與機械臂相連實現(xiàn)精確操縱，并結(jié)合 X 射線實現(xiàn)實時三維導航；

圖e：利用磁傳感器進行反饋驅(qū)動控制，進行藥物輸送、跟蹤和導航功能；

圖f：在活體豬模型中展示微導管在血管中導航的能力。

圖. 用于血管系統(tǒng)的微型機器人和微型導管

2、用于胃腸道的微型機器人，如下圖所示

腸道系統(tǒng)的復雜性在于其路徑復雜、絨毛和粘液的存在以及與體表的距離，因此想要在該區(qū)域的特定部分進行運動并到達目標位置是相當困難的，為了解決這些問題，科學家提出了不同的方法進行應對。

圖a：設計一種多孔、摻雜二氧化硅的柔性磁驅(qū)動機器人，用于改善蠕動干擾的非理想環(huán)境中的運動；

圖b: 設計一種毫米級的自定向機器人，它能夠通過磁力到達目標位置，并在胃粘膜上部署藥物微針以輸送大分子藥物（用于小鼠胃出血的治療）；

圖c：設計一種能夠在磁場下實現(xiàn)可控運動的四足機器人，它能夠在復雜的環(huán)境中高效地完成拾放任務；

圖d：通過使用外部磁場控制機器人與組織之間的相互作用，并通過X 射線進行可視化診斷；

圖e：設計一種無電池、可變形的電子食管支架，用于對食管下括約肌進行無創(chuàng)無線刺激；

圖f：將微尺度磁性機器人組織成纖毛狀結(jié)構(gòu)，使其具有更強大的通過障礙物和實現(xiàn)靈活部署的能力。

圖. 消化系統(tǒng)中的微型機器人