微机械技术应用于医疗工程的研究
作者：林良明 颜国正 宋一然
单位：林良明 颜国正 上海交通大学 (200030)；宋一然 莆田高等专科学校
关键词：微机械；内窥镜；诊疗微系统；微机器人；人工脏器；显微外科
中国医疗器械杂志990503 提要 介绍了微机械技术的基本概念和医用微机械研究开发的目标，讨论了几种微机械技术在医疗工程上应用研究的典型例子，对未来医疗工程的发展有参考价值。
Research on Applications of Micromachine Technology in Medical Engineering
Lin Liangming Yan Guozheng Song Yiran
Shanghai Jiaotong University
, http://www.100md.com
ABSTRACT This paper presents the basic concept of micromachines.The development aim and Key technology of medical micromachine Research are discussed here too.Besides,this Paper introduces some typical application research of micromachines,which may have actual reference Value for the future development of medical engineering.
KEY WORDS Micromachines Endoscope Diagnosing and treating microsystems Microrobot Artifical organ Microsurgery
, 百拇医药
1 微机械的基本概念
微机械是本世纪出现的一项高新技术，它是在下列三个支柱技术的基础上发展起来的，即(1)以VLSI为代表的半导体微细加工技术；(2)微检测和控制技术；(3)微系统的设计方法论。由于这项技术将导致未来产业领域发展的一场革命，许多发达国家和地区已把它列为“在经济繁荣和国防安全两方面都是至关重要的技术”，给予优先支持研究开发，在国际社会上掀起一股研究开发微机械技术的热潮。在最近的将来，微机械技术将应用于许多领域，而医疗工程领域将成为最有希望首先应用的一个领域。
对于微机械，人们通常按它的尺度大小进行定义和分类，如表1所示。
表1 微机械的定义和分类
毫米系统
(10-3m)
, http://www.100md.com
微米系统
(10-6m)
纳米系统
(10-9m)
尺寸
0.1～1mm
1～100μm
1μm以一下
构造
立体的
平面的
分子的
, 百拇医药
材料
金属.高分子
硅.薄膜材料
高分子(蛋白质)
加工
超精密加工
半导体加工
分子.原子操作
装配
组装
分批
自操作
, 百拇医药
驱动
压电、超小型马达、形状记忆合金
静电、热膨胀、超电导
人工肌肉、静电
力输出
较容易
困难
困难
研究阶段
系统开发
元件试制
基础研究
应用可能
, http://www.100md.com
显微外科手术、集成电路芯片操作、光头、磁头
血管内检查、体内药物投放、个别细胞操作、隧道显微镜头部
极限操作、分子.原子操作
注：尺度在1～10mm范围的称为小型系统 由此，可以把微机械归纳描述为如下的一种系统：
(1) 在尺度上，是属于从数厘米到数微米间的一种机械。外形为导管时，长度不受限制。医疗用微机械的尺寸上限，一般应为数毫米。
(2) 在功能上，如同机电一体化机器，在系统内装有传感器及驱动装置，能对机械内部和外部的状况进行判别，并作出必要的反应。多数的微机械具有移动功能。
(3) 在整体组成上，可分为有线型和无线型。有线型系统的能量与信息操作、传递通过缆索进行。而无线型的系统，自身带有能源及与外部通信手段，能自律地动作，是一种高级型微机器人系统。
, 百拇医药
2 医用微机械研究开发的目标
医用微机械研究开发的目标是：实现微小机械系统或微型机器人使之能低损伤性地进入人体内的任意部位，并在体内直接进行诊断、治疗或手术。若能实现这种系统，就有可能对目前难以触及的大脑内深部动脉瘤或完全闭塞的冠状动脉的前端部位进行各种诊断和治疗，或从皮肤上切开的小孔进入体内作低损伤性手术，甚至也有可能进入婴儿、胎儿的细小体内对先天性疾病进行诊断和治疗。这样，不仅有可能极大地减少手术时的损伤，而且有助于缩短住院期限和降低医疗费用，对面向未来高龄化社会需要和推进未来医学的发展有着重大的意义。
但是应该指出，微机械是在本世纪后期才形成的一项高新技术，为了使之达到实用化要求，还需要在许多关键技术的基础研究和应用基础研究方面进行艰苦的工作。主要的关键技术包括：
(1) 驱动器、传感器、力及运动传递机构等的微小功能要素技术；
, http://www.100md.com
(2) 利用光纤、电池等的电源供给技术；
(3) 有关控制、通讯、接口等的系统控制技术；
(4) 微小功能要素的评价技术。
由于医用微机械处理对象的特性与工业应用的情况有很大差异(尺寸小、形态不定形及柔软且纤细)，所以必须有十分细致、柔顺的操作性能，而且对驱动器、传感器和机械组成的性能要求，在安全性和无噪声等方面要比高速性、高输出力及高效率的要求更为重要。因此，仅仅沿用现有工业用的关键技术是不能满足要求的，必须进行医疗专用的关键技术和系统技术的研究开发。从对医用微机械系统性能要求考虑，可以把它分为三种类别：
第一种是整体机械系统组成必须是微小型的，例如进入体腔内进行诊断、治疗的微机械系统和微机器人，体内埋入式的传感器和人工脏器等。
第二种是系统中进行作业的器具及作业量部分是微小的，例如可广泛用于显微外科、内窥镜及穿刺手术等各个领域的器械。
, 百拇医药
第三种是作业器具的作业量是微小的，例如生物技术与医学工程中的细胞操作用的机器手，微米/纳米测量系统中的微进给、微定位机构等。
3 微机械技术在医疗工程上的应用研究
3.1内窥镜导管操作自动化的研究
现有硬管内窥镜导管前端的视角有一定的局限，所以在一次诊疗过程中，为了能对周围组织进行全方位的观察，需要往体腔内交替插入几种不同视角的内窥镜，并作相当幅度的转动和摆动，这样往往容易造成体腔内软组织损伤，影响诊疗的安全性，并使病人承受很大的痛苦。图1所示为一种采用微机电系统(MEMS)技术，实现导管前端操作自动化的硬管内窥镜。其创新点是在现有前视硬管内窥镜前端加装一组由2mm电磁型微马达直接驱动、能作360°可控旋转的外反膜光学三棱镜，并采用斜侧向照明方式，从而可实现对周围组织进行360°的全方向扫描，扩大了视野空间，提高了诊疗的安全系数。
, 百拇医药
(a) 系统组成框图
(b) 导管结构示意图
图1 导管前端自动操作硬管内窥镜
目前临床上用得最多的软管内窥镜，前端要指向体腔内所希望的方向，就须带有可弯曲的部分。现有的驱动方式是通过人手牵引操作埋藏在插入导管内的绳子来实现的。但是，当插入部分很长或形状复杂时，就不能自在地充分地弯曲。为了使患者受到的痛苦最小且损伤性低，能够在更深的部位进行检查和手术，迫切需要将这种内窥镜小型化的同时实现操作的柔顺化和多自由度化。图2所示的导管，在其前端部分装有形状记忆合金(SMA)驱动器，利用通电加热及电阻值反馈控制方式，使其实现自在圆滑的弯曲动作，该导管外径为2.5mm，弯曲角度为60°、2个方向。
, 百拇医药
图 2 前端可自在弯曲的内窥镜
图3为一种整支导管可独立弯曲的多关节驱动的内窥镜，每个关节的驱动器也采用形状记忆合金驱动器，通过电阻值反馈控制法，可对导管实现自动柔顺且安全的操作。这种能动内窥镜可平稳地插入如S状结肠等形状狭小复杂弯曲的管腔内。
图 3 能动多关节内窥镜
3.2 体腔内诊断治疗微系统的研究
该研究目标是借助微机械技术开发极细的多自由度能动内窥镜系统，可通过经皮穿刺能动地插入如胰管、胆管及脑血管等现有医疗技术尚无法到达的体腔微小空间内，进行诊断治疗作业。并进一步研究通过计算机控制内窥镜前端的操作性，实现诊断治疗的自动化。
图4表示一种用于冠状动脉内进行诊断治疗的极细激光内窥镜，直径为1.5mm，插入长度为150cm，含有3000象素的图像纤维，内窥镜前端具有4个方向的弯曲功能。通过该内窥镜，可以对血管内的狭窄及闭塞状态进行观察，并利用激光照射来破坏血管内的栓塞物质。
, http://www.100md.com
图 4 极细激光内窥镜
图5表示通过直径小于1mm的多自由度能动弯曲导管，能动地插入胰管、胆管及脑血管内，进行诊断、处理的一种微系统。最近已在试验一种采用低损伤方法，把能动导管插入脑动脉内，通过设置在导管前端的微型喷嘴，把栓塞物质喷射到动脉瘤内进行治疗。
图 5 体腔内诊断治疗系统
为了实现无痛苦的诊疗系统，设想研制一种所谓药物直接投放系统。该系统为直径5mm、长度10mm左右的可吞服“药丸”状微机械。它通过患者吞服后，经消化器官系统，从肛门排出体外。在这过程中，边对消化器官进行诊断，边把诊断的状况向体外无线传送，并同时可进行治疗药剂注射及组织采样等作业，该系统结构组成如图6所示。
, 百拇医药
图 6 药物直接投放系统
3.3 低损伤体腔内手术用微机器人的研究
近来，采用腹腔镜进行胆囊切除手术，已引起人们的很大关注。为了能更进一步减低损伤，已提出一种体腔内微机器人手术系统的研究方案。该方案设想通过插入导管往体腔内送入手术用微机器人；该机器人可在脏器间移动，利用激光进行胆囊切除手术，如图7所示。
图 7 体腔内手术用微机器人
最引人注目的一个开发目标是试图研究能在血管中进行诊断、监测和治疗作业的医用微机器人系统，其方案构想如图8所示。
图8 血管治疗用微机器人系统
, 百拇医药
该系统是一种能动型导管和微机器人结合的系统。直径为1mm左右细长的导管作为微机器人的载体，当把它插入血管并到达血管的患部时，便从其内腔引出两个微机器人，并使微机器人向血管内壁贴靠。在医生的监视下，微机器人可使用微细的操作器进行触诊和注射作业，为了对微机器人进行能量供给和信息交换，在导管和微机器人之间连结有多功能电缆。显然，这种微机器人系统，要在仅有几分之一毫米的狭小空间中，安装微驱动器、微检测器、微操作器及信息处理电路等，还有许多关键技术尚待解决。 由上可知，用于体腔内作业的微机器人是在黑暗、粘滑、易损软组织及狭小复杂这样一个特殊环境中进行精细诊断和手术作业的，需要携带一些必要的传感器和手术器件。为此，它的驱动方式和结构是一项十分关键的技术。根据所采用的驱动原理，现有研究的驱动器主要型式有：压电驱动、电磁驱动、静电驱动、形状记忆合金驱动、空气压驱动、光热驱动、光电驱动和聚合物驱动等。
人们期待着在未来的医学工程中，能够出现在人体内自律地巡回移动、不引起人们负担地进行疾病诊断和治疗的智能微机器人系统。图9所示为一种基于仿生学原理、以能够实现在体腔内自行移动为开发目标的蠕动式电磁驱动微机器人的前期研究成果。图9(a)分别表示三个驱动单元件线圈中三路驱动控制信号的时序和频率。图9(b)相应表示从时间t1到t5时刻，微机器人通过运动的传递实现了向右移动一个步距。若重复上述过程，微机器人将移动任意要求的行程；而改变三路驱动控制信号的时序和频率，就能改变微机器人的运动方向及其驱动速度。初步研究结果表明，该微机器人结构简单，控制方便，能灵活地实现前进和后退动作。样机的外形尺寸为7mm×60mm，重5g。
, 百拇医药
图9 蠕动式电磁驱动微机器人的移动机理
3.4 微小分散型人工脏器的研究
目前已开发有许多种人工脏器，但归纳起来可分为两大类。一类是属于一种元件，具有被动的功能，如人工血管、人工气管、人工食道、人工肠管和人工关节等，主要涉及材料问题。另一类是组成一个系统，具有能动的功能，如人工心脏、人工肾脏、人工胰脏、人工心肺和电动假肢等，除了与材料有关外，还受着机构、性能、尺寸和控制方法等各种约束。虽然，对各种人工脏器的要求有所不同，但总的来说应该具有如下共同的要求，即：
(a) 具有与生物脏器或组织相同的功能；
(b) 尺寸小、重量轻，适于携带或埋入体内；
(c) 具有与血液或组织接触良好的适应性；
, 百拇医药
(d) 能适应生物体的要求进行自动控制；
(e) 具有能长期地保持其功能的耐久性、安全性及可靠性。
但是，从临床应用的情况来看，现有人工脏器还存在有许多问题，与上述要求差距甚大，其主要的共性问题为三个：第一是与材料有关、对生物体的适应性和耐久性问题；其次是小型化、轻量化问题；第三是控制及信息处理问题。因此，为了推进今后人工脏器的研究开发，需要开发和引入新的技术，改变现有的设计构思。
研究表明，采用微电子机械技术，不仅能够实现材料的智能化和装置的小型化，而且有可能在人工脏器的设计概念上进行变革，构成微小分散型人工脏器，从而得到很高的可靠性。采用微电子机械技术构成新型人工脏器的特征如表2所示。
表 2 新型人工脏器的特征 微电子机械技术的采用
新型人工脏器特征
, 百拇医药
微驱动器
微小化
微构件
柔性化
材料的微结构加工
分散型
材料表面的人体适应性加工
多功能智能型
灵敏的微传感器
高可靠性
以人工心脏为例，设想通过开发微小型驱动装置及高可靠性的微型泵，组成一种分散安装于生物体全身各部位的分散型人工心脏，如图10所示。对于这种分散型人工心脏，由于能自由地控制任意一个脏器的血流量，从而可有效地提高系统的功能及其安全性和可靠性。此外，还进一步设想在将来，使人工心脏能根据学习、劳动和运动等主观的行为，对必要部位的血流量进行控制。这样，有可能出现超越生物体脏器本身功能的人工脏器。
, 百拇医药
图 10 分散型人工脏器
由上可知，开发微型泵是研究人工脏器的一项关键技术。现有提出用于微机械的微型泵，多是采用静电型、压电型等电气驱动的方案。但是从安全性方面考虑，在埋入体内的人工脏器中，最好不要采用电气驱动型微泵。
光热驱动型微泵是一种非电气驱动的形式，它采用半导体激光为能源，该激光通过光纤传送，使微泵内的工作流体(用于把热转换为力或运动的气体或液体)引起相变(气化、液化或固化等)，从而获得力或运动。
显然，微机械技术的采用，将为微传感器的开发、微器件对生物体适应性的确保、新薄膜材料的设计、以至未来人工脏器的开发提供了极大的可能性。
3.5 显微外科手术中的应用研究
由于计算机技术的急速发展，控制技术、测试技术、图像处理技术、机械电子技术及机器人技术在显微外科手术中得到日益广泛的应用，于是微小定位、微小操作和手术部位的形状检测等已成为十分重要的课题。
, 百拇医药
脑神经外科中穿刺套管的诱导是机器人技术在外科手术部门临床应用的一个例子。图11表示一种X射线CT诱导定位脑手术穿刺机械手，具有六个运动自由度。它是通过X射线CT图像求得手术部位的三维位置，再根据这个三维图像信息来控制机械手的各运动机构，实现穿刺针头的高精度定位，以进行诸如激光照射、注射、吸引、切除、吻合等作业。为了避开脑部危险区域及大血管，穿刺方向的定位精度要小于0.1mm。
图 11 X射线CT诱导定位脑手术穿刺机械手
在进行脑肿瘤等手术之前，必须对病变部位作活检，以判断肿瘤是良性或是恶性。图12表示为支援这种活检作业，在X射线CT诱导下可半自动地进行组织采样的机器人机构简图。如图所示，该机构具有两组TiNi形状记忆合金驱动器，其中A组执行吸引动作，作用力为1.96N，B组执行旋转动作，作用力为2.94N。记忆合金形状恢复开始温度取为30℃，形状恢复结束温度取为60℃。
, 百拇医药
(a) 采样机构
(b) 采样方法
图 12 组织采样机构简图
眼科中角膜移植手术也是一种典型的显微外科，所以采用机器人技术是必然的趋势。用于角膜切除及移植的机械手，其前端穿孔装置具有三个自由度，要精确地按角膜中心进行定位，刀刃可边作旋转边沿与角膜接触的垂直方向作微进给。因此，研制这种机械手系统必须应用微机械技术。 在生命科学领域中，研究显微体外受精技术是一项重要的课题。该技术将对农业领域的品种改良、产量提高产生重大影响，也有可能在医学领域为男性不育症寻求一种解决方法。这项技术往往需要高速、高精度地进行微米级的显微操作，为此要求开发高可靠性的自动化显微操作系统。目前已开发有用步进电机的油压驱动器和压电元件驱动器等型式。图13表示一种新型的机械杠杆式驱动器简图，它是采用基本步进角为0.18deg的5相步进电机驱动，杠杆比为1:5，一个脉冲的理论位移量为0.05μm，具有良好的线性关系。
, http://www.100md.com
(a) 杠杆式驱动器
(b) 输出特性
图13 杠杆式驱动器简图
4 结束语
综上所述，微机械具有三个重要的特征，即微小化、多样化和微电子化。微小化意味着它具有小而轻的结构，使得它与现有的机械比较，有高得多的共振频率，可以作更快的响应和宽频带的动作，能够进入到各种场所，特别是狭小的空间进行各种作业。多样化就是需要采用分散设计的方法，可以使系统获得极好的柔软性。微电子化是赋予微机械以智能，通过把传感器、驱动器及逻辑电路等集成在基板上，构成反馈控制的系统。因此可以说，微机械是一种集成化的智能微运动系统。
今后的医疗工程，为了对应于社会高龄化的发展，必然朝着高度自动化、低损伤性诊断.治疗的方向转变，而微机械技术应用于医疗工程的研究将起着十分重要的作用。
, http://www.100md.com
注：1995年度国家教委重点科技项目(编号95Y-15)，国家高技术研究发展计划资助项目(编号512-03-03)
参考文献
[1] 山根雅已.他.マイクロマ.ニピエレ-タ开发.1990年度精密工学会春季大会学术讲演会讲演论文集.391—392.
[2] 原岛文雄.他.マイクロ知能化运动システム.日刊工业新闻社.1991；246—253.
[3] 最新医学社. マイクロマシン.ナノマシン技术と医疗ヘの应用(特集).最新医学.1992(5)；735—781.
[4] 铃木孝久.他.脑神经外科用マイクロサ—ヅエリロホ”ツトの开发芝浦工业大学教育.研究ヤンタ—纪要.1993(3)；1127—1128.
, 百拇医药
[5] 东京大学マイクロマシン研究共同体.超技术マイクロマシン.NTT出版株式会社.1993；171—216.
[6] 水野均.マイクロマシンの医疗分野ヘの应用.第4回设计工学.システム部门讲演论文集.1994；1—3.
[7] Hiroyuki Fujita Future of actuators and micro-systems.Sensors and Actuators A56(1996).105-110.
[8] Rong Rong et al. Research on The Mechanism and Characteristics of Electromagnetic Micro-actuator.第二届中日机械电子学学术讨论会论文集.1997；91—94.
[9] Y.Haga etal.Small Diameter active Catheter Using Shape memory Alloy.Proc.IEEE MEMS 98(1998).419_424.
(1998年8月4日收稿), http://www.100md.com
单位：林良明 颜国正 上海交通大学 (200030)；宋一然 莆田高等专科学校
关键词：微机械；内窥镜；诊疗微系统；微机器人；人工脏器；显微外科
中国医疗器械杂志990503 提要 介绍了微机械技术的基本概念和医用微机械研究开发的目标，讨论了几种微机械技术在医疗工程上应用研究的典型例子，对未来医疗工程的发展有参考价值。
Research on Applications of Micromachine Technology in Medical Engineering
Lin Liangming Yan Guozheng Song Yiran
Shanghai Jiaotong University
, http://www.100md.com
ABSTRACT This paper presents the basic concept of micromachines.The development aim and Key technology of medical micromachine Research are discussed here too.Besides,this Paper introduces some typical application research of micromachines,which may have actual reference Value for the future development of medical engineering.
KEY WORDS Micromachines Endoscope Diagnosing and treating microsystems Microrobot Artifical organ Microsurgery
, 百拇医药
1 微机械的基本概念
微机械是本世纪出现的一项高新技术，它是在下列三个支柱技术的基础上发展起来的，即(1)以VLSI为代表的半导体微细加工技术；(2)微检测和控制技术；(3)微系统的设计方法论。由于这项技术将导致未来产业领域发展的一场革命，许多发达国家和地区已把它列为“在经济繁荣和国防安全两方面都是至关重要的技术”，给予优先支持研究开发，在国际社会上掀起一股研究开发微机械技术的热潮。在最近的将来，微机械技术将应用于许多领域，而医疗工程领域将成为最有希望首先应用的一个领域。
对于微机械，人们通常按它的尺度大小进行定义和分类，如表1所示。
表1 微机械的定义和分类
毫米系统
(10-3m)
, http://www.100md.com
微米系统
(10-6m)
纳米系统
(10-9m)
尺寸
0.1～1mm
1～100μm
1μm以一下
构造
立体的
平面的
分子的
, 百拇医药
材料
金属.高分子
硅.薄膜材料
高分子(蛋白质)
加工
超精密加工
半导体加工
分子.原子操作
装配
组装
分批
自操作
, 百拇医药
驱动
压电、超小型马达、形状记忆合金
静电、热膨胀、超电导
人工肌肉、静电
力输出
较容易
困难
困难
研究阶段
系统开发
元件试制
基础研究
应用可能
, http://www.100md.com
显微外科手术、集成电路芯片操作、光头、磁头
血管内检查、体内药物投放、个别细胞操作、隧道显微镜头部
极限操作、分子.原子操作
注：尺度在1～10mm范围的称为小型系统 由此，可以把微机械归纳描述为如下的一种系统：
(1) 在尺度上，是属于从数厘米到数微米间的一种机械。外形为导管时，长度不受限制。医疗用微机械的尺寸上限，一般应为数毫米。
(2) 在功能上，如同机电一体化机器，在系统内装有传感器及驱动装置，能对机械内部和外部的状况进行判别，并作出必要的反应。多数的微机械具有移动功能。
(3) 在整体组成上，可分为有线型和无线型。有线型系统的能量与信息操作、传递通过缆索进行。而无线型的系统，自身带有能源及与外部通信手段，能自律地动作，是一种高级型微机器人系统。
, 百拇医药
2 医用微机械研究开发的目标
医用微机械研究开发的目标是：实现微小机械系统或微型机器人使之能低损伤性地进入人体内的任意部位，并在体内直接进行诊断、治疗或手术。若能实现这种系统，就有可能对目前难以触及的大脑内深部动脉瘤或完全闭塞的冠状动脉的前端部位进行各种诊断和治疗，或从皮肤上切开的小孔进入体内作低损伤性手术，甚至也有可能进入婴儿、胎儿的细小体内对先天性疾病进行诊断和治疗。这样，不仅有可能极大地减少手术时的损伤，而且有助于缩短住院期限和降低医疗费用，对面向未来高龄化社会需要和推进未来医学的发展有着重大的意义。
但是应该指出，微机械是在本世纪后期才形成的一项高新技术，为了使之达到实用化要求，还需要在许多关键技术的基础研究和应用基础研究方面进行艰苦的工作。主要的关键技术包括：
(1) 驱动器、传感器、力及运动传递机构等的微小功能要素技术；
, http://www.100md.com
(2) 利用光纤、电池等的电源供给技术；
(3) 有关控制、通讯、接口等的系统控制技术；
(4) 微小功能要素的评价技术。
由于医用微机械处理对象的特性与工业应用的情况有很大差异(尺寸小、形态不定形及柔软且纤细)，所以必须有十分细致、柔顺的操作性能，而且对驱动器、传感器和机械组成的性能要求，在安全性和无噪声等方面要比高速性、高输出力及高效率的要求更为重要。因此，仅仅沿用现有工业用的关键技术是不能满足要求的，必须进行医疗专用的关键技术和系统技术的研究开发。从对医用微机械系统性能要求考虑，可以把它分为三种类别：
第一种是整体机械系统组成必须是微小型的，例如进入体腔内进行诊断、治疗的微机械系统和微机器人，体内埋入式的传感器和人工脏器等。
第二种是系统中进行作业的器具及作业量部分是微小的，例如可广泛用于显微外科、内窥镜及穿刺手术等各个领域的器械。
, 百拇医药
第三种是作业器具的作业量是微小的，例如生物技术与医学工程中的细胞操作用的机器手，微米/纳米测量系统中的微进给、微定位机构等。
3 微机械技术在医疗工程上的应用研究
3.1内窥镜导管操作自动化的研究
现有硬管内窥镜导管前端的视角有一定的局限，所以在一次诊疗过程中，为了能对周围组织进行全方位的观察，需要往体腔内交替插入几种不同视角的内窥镜，并作相当幅度的转动和摆动，这样往往容易造成体腔内软组织损伤，影响诊疗的安全性，并使病人承受很大的痛苦。图1所示为一种采用微机电系统(MEMS)技术，实现导管前端操作自动化的硬管内窥镜。其创新点是在现有前视硬管内窥镜前端加装一组由2mm电磁型微马达直接驱动、能作360°可控旋转的外反膜光学三棱镜，并采用斜侧向照明方式，从而可实现对周围组织进行360°的全方向扫描，扩大了视野空间，提高了诊疗的安全系数。
, 百拇医药
(a) 系统组成框图
(b) 导管结构示意图
图1 导管前端自动操作硬管内窥镜
目前临床上用得最多的软管内窥镜，前端要指向体腔内所希望的方向，就须带有可弯曲的部分。现有的驱动方式是通过人手牵引操作埋藏在插入导管内的绳子来实现的。但是，当插入部分很长或形状复杂时，就不能自在地充分地弯曲。为了使患者受到的痛苦最小且损伤性低，能够在更深的部位进行检查和手术，迫切需要将这种内窥镜小型化的同时实现操作的柔顺化和多自由度化。图2所示的导管，在其前端部分装有形状记忆合金(SMA)驱动器，利用通电加热及电阻值反馈控制方式，使其实现自在圆滑的弯曲动作，该导管外径为2.5mm，弯曲角度为60°、2个方向。
, 百拇医药
图 2 前端可自在弯曲的内窥镜
图3为一种整支导管可独立弯曲的多关节驱动的内窥镜，每个关节的驱动器也采用形状记忆合金驱动器，通过电阻值反馈控制法，可对导管实现自动柔顺且安全的操作。这种能动内窥镜可平稳地插入如S状结肠等形状狭小复杂弯曲的管腔内。
图 3 能动多关节内窥镜
3.2 体腔内诊断治疗微系统的研究
该研究目标是借助微机械技术开发极细的多自由度能动内窥镜系统，可通过经皮穿刺能动地插入如胰管、胆管及脑血管等现有医疗技术尚无法到达的体腔微小空间内，进行诊断治疗作业。并进一步研究通过计算机控制内窥镜前端的操作性，实现诊断治疗的自动化。
图4表示一种用于冠状动脉内进行诊断治疗的极细激光内窥镜，直径为1.5mm，插入长度为150cm，含有3000象素的图像纤维，内窥镜前端具有4个方向的弯曲功能。通过该内窥镜，可以对血管内的狭窄及闭塞状态进行观察，并利用激光照射来破坏血管内的栓塞物质。
, http://www.100md.com
图 4 极细激光内窥镜
图5表示通过直径小于1mm的多自由度能动弯曲导管，能动地插入胰管、胆管及脑血管内，进行诊断、处理的一种微系统。最近已在试验一种采用低损伤方法，把能动导管插入脑动脉内，通过设置在导管前端的微型喷嘴，把栓塞物质喷射到动脉瘤内进行治疗。
图 5 体腔内诊断治疗系统
为了实现无痛苦的诊疗系统，设想研制一种所谓药物直接投放系统。该系统为直径5mm、长度10mm左右的可吞服“药丸”状微机械。它通过患者吞服后，经消化器官系统，从肛门排出体外。在这过程中，边对消化器官进行诊断，边把诊断的状况向体外无线传送，并同时可进行治疗药剂注射及组织采样等作业，该系统结构组成如图6所示。
, 百拇医药
图 6 药物直接投放系统
3.3 低损伤体腔内手术用微机器人的研究
近来，采用腹腔镜进行胆囊切除手术，已引起人们的很大关注。为了能更进一步减低损伤，已提出一种体腔内微机器人手术系统的研究方案。该方案设想通过插入导管往体腔内送入手术用微机器人；该机器人可在脏器间移动，利用激光进行胆囊切除手术，如图7所示。
图 7 体腔内手术用微机器人
最引人注目的一个开发目标是试图研究能在血管中进行诊断、监测和治疗作业的医用微机器人系统，其方案构想如图8所示。
图8 血管治疗用微机器人系统
, 百拇医药
该系统是一种能动型导管和微机器人结合的系统。直径为1mm左右细长的导管作为微机器人的载体，当把它插入血管并到达血管的患部时，便从其内腔引出两个微机器人，并使微机器人向血管内壁贴靠。在医生的监视下，微机器人可使用微细的操作器进行触诊和注射作业，为了对微机器人进行能量供给和信息交换，在导管和微机器人之间连结有多功能电缆。显然，这种微机器人系统，要在仅有几分之一毫米的狭小空间中，安装微驱动器、微检测器、微操作器及信息处理电路等，还有许多关键技术尚待解决。 由上可知，用于体腔内作业的微机器人是在黑暗、粘滑、易损软组织及狭小复杂这样一个特殊环境中进行精细诊断和手术作业的，需要携带一些必要的传感器和手术器件。为此，它的驱动方式和结构是一项十分关键的技术。根据所采用的驱动原理，现有研究的驱动器主要型式有：压电驱动、电磁驱动、静电驱动、形状记忆合金驱动、空气压驱动、光热驱动、光电驱动和聚合物驱动等。
人们期待着在未来的医学工程中，能够出现在人体内自律地巡回移动、不引起人们负担地进行疾病诊断和治疗的智能微机器人系统。图9所示为一种基于仿生学原理、以能够实现在体腔内自行移动为开发目标的蠕动式电磁驱动微机器人的前期研究成果。图9(a)分别表示三个驱动单元件线圈中三路驱动控制信号的时序和频率。图9(b)相应表示从时间t1到t5时刻，微机器人通过运动的传递实现了向右移动一个步距。若重复上述过程，微机器人将移动任意要求的行程；而改变三路驱动控制信号的时序和频率，就能改变微机器人的运动方向及其驱动速度。初步研究结果表明，该微机器人结构简单，控制方便，能灵活地实现前进和后退动作。样机的外形尺寸为7mm×60mm，重5g。
, 百拇医药
图9 蠕动式电磁驱动微机器人的移动机理
3.4 微小分散型人工脏器的研究
目前已开发有许多种人工脏器，但归纳起来可分为两大类。一类是属于一种元件，具有被动的功能，如人工血管、人工气管、人工食道、人工肠管和人工关节等，主要涉及材料问题。另一类是组成一个系统，具有能动的功能，如人工心脏、人工肾脏、人工胰脏、人工心肺和电动假肢等，除了与材料有关外，还受着机构、性能、尺寸和控制方法等各种约束。虽然，对各种人工脏器的要求有所不同，但总的来说应该具有如下共同的要求，即：
(a) 具有与生物脏器或组织相同的功能；
(b) 尺寸小、重量轻，适于携带或埋入体内；
(c) 具有与血液或组织接触良好的适应性；
, 百拇医药
(d) 能适应生物体的要求进行自动控制；
(e) 具有能长期地保持其功能的耐久性、安全性及可靠性。
但是，从临床应用的情况来看，现有人工脏器还存在有许多问题，与上述要求差距甚大，其主要的共性问题为三个：第一是与材料有关、对生物体的适应性和耐久性问题；其次是小型化、轻量化问题；第三是控制及信息处理问题。因此，为了推进今后人工脏器的研究开发，需要开发和引入新的技术，改变现有的设计构思。
研究表明，采用微电子机械技术，不仅能够实现材料的智能化和装置的小型化，而且有可能在人工脏器的设计概念上进行变革，构成微小分散型人工脏器，从而得到很高的可靠性。采用微电子机械技术构成新型人工脏器的特征如表2所示。
表 2 新型人工脏器的特征 微电子机械技术的采用
新型人工脏器特征
, 百拇医药
微驱动器
微小化
微构件
柔性化
材料的微结构加工
分散型
材料表面的人体适应性加工
多功能智能型
灵敏的微传感器
高可靠性
以人工心脏为例，设想通过开发微小型驱动装置及高可靠性的微型泵，组成一种分散安装于生物体全身各部位的分散型人工心脏，如图10所示。对于这种分散型人工心脏，由于能自由地控制任意一个脏器的血流量，从而可有效地提高系统的功能及其安全性和可靠性。此外，还进一步设想在将来，使人工心脏能根据学习、劳动和运动等主观的行为，对必要部位的血流量进行控制。这样，有可能出现超越生物体脏器本身功能的人工脏器。
, 百拇医药
图 10 分散型人工脏器
由上可知，开发微型泵是研究人工脏器的一项关键技术。现有提出用于微机械的微型泵，多是采用静电型、压电型等电气驱动的方案。但是从安全性方面考虑，在埋入体内的人工脏器中，最好不要采用电气驱动型微泵。
光热驱动型微泵是一种非电气驱动的形式，它采用半导体激光为能源，该激光通过光纤传送，使微泵内的工作流体(用于把热转换为力或运动的气体或液体)引起相变(气化、液化或固化等)，从而获得力或运动。
显然，微机械技术的采用，将为微传感器的开发、微器件对生物体适应性的确保、新薄膜材料的设计、以至未来人工脏器的开发提供了极大的可能性。
3.5 显微外科手术中的应用研究
由于计算机技术的急速发展，控制技术、测试技术、图像处理技术、机械电子技术及机器人技术在显微外科手术中得到日益广泛的应用，于是微小定位、微小操作和手术部位的形状检测等已成为十分重要的课题。
, 百拇医药
脑神经外科中穿刺套管的诱导是机器人技术在外科手术部门临床应用的一个例子。图11表示一种X射线CT诱导定位脑手术穿刺机械手，具有六个运动自由度。它是通过X射线CT图像求得手术部位的三维位置，再根据这个三维图像信息来控制机械手的各运动机构，实现穿刺针头的高精度定位，以进行诸如激光照射、注射、吸引、切除、吻合等作业。为了避开脑部危险区域及大血管，穿刺方向的定位精度要小于0.1mm。
图 11 X射线CT诱导定位脑手术穿刺机械手
在进行脑肿瘤等手术之前，必须对病变部位作活检，以判断肿瘤是良性或是恶性。图12表示为支援这种活检作业，在X射线CT诱导下可半自动地进行组织采样的机器人机构简图。如图所示，该机构具有两组TiNi形状记忆合金驱动器，其中A组执行吸引动作，作用力为1.96N，B组执行旋转动作，作用力为2.94N。记忆合金形状恢复开始温度取为30℃，形状恢复结束温度取为60℃。
, 百拇医药
(a) 采样机构
(b) 采样方法
图 12 组织采样机构简图
眼科中角膜移植手术也是一种典型的显微外科，所以采用机器人技术是必然的趋势。用于角膜切除及移植的机械手，其前端穿孔装置具有三个自由度，要精确地按角膜中心进行定位，刀刃可边作旋转边沿与角膜接触的垂直方向作微进给。因此，研制这种机械手系统必须应用微机械技术。 在生命科学领域中，研究显微体外受精技术是一项重要的课题。该技术将对农业领域的品种改良、产量提高产生重大影响，也有可能在医学领域为男性不育症寻求一种解决方法。这项技术往往需要高速、高精度地进行微米级的显微操作，为此要求开发高可靠性的自动化显微操作系统。目前已开发有用步进电机的油压驱动器和压电元件驱动器等型式。图13表示一种新型的机械杠杆式驱动器简图，它是采用基本步进角为0.18deg的5相步进电机驱动，杠杆比为1:5，一个脉冲的理论位移量为0.05μm，具有良好的线性关系。
, http://www.100md.com
(a) 杠杆式驱动器
(b) 输出特性
图13 杠杆式驱动器简图
4 结束语
综上所述，微机械具有三个重要的特征，即微小化、多样化和微电子化。微小化意味着它具有小而轻的结构，使得它与现有的机械比较，有高得多的共振频率，可以作更快的响应和宽频带的动作，能够进入到各种场所，特别是狭小的空间进行各种作业。多样化就是需要采用分散设计的方法，可以使系统获得极好的柔软性。微电子化是赋予微机械以智能，通过把传感器、驱动器及逻辑电路等集成在基板上，构成反馈控制的系统。因此可以说，微机械是一种集成化的智能微运动系统。
今后的医疗工程，为了对应于社会高龄化的发展，必然朝着高度自动化、低损伤性诊断.治疗的方向转变，而微机械技术应用于医疗工程的研究将起着十分重要的作用。
, http://www.100md.com
注：1995年度国家教委重点科技项目(编号95Y-15)，国家高技术研究发展计划资助项目(编号512-03-03)
参考文献
[1] 山根雅已.他.マイクロマ.ニピエレ-タ开发.1990年度精密工学会春季大会学术讲演会讲演论文集.391—392.
[2] 原岛文雄.他.マイクロ知能化运动システム.日刊工业新闻社.1991；246—253.
[3] 最新医学社. マイクロマシン.ナノマシン技术と医疗ヘの应用(特集).最新医学.1992(5)；735—781.
[4] 铃木孝久.他.脑神经外科用マイクロサ—ヅエリロホ”ツトの开发芝浦工业大学教育.研究ヤンタ—纪要.1993(3)；1127—1128.
, 百拇医药
[5] 东京大学マイクロマシン研究共同体.超技术マイクロマシン.NTT出版株式会社.1993；171—216.
[6] 水野均.マイクロマシンの医疗分野ヘの应用.第4回设计工学.システム部门讲演论文集.1994；1—3.
[7] Hiroyuki Fujita Future of actuators and micro-systems.Sensors and Actuators A56(1996).105-110.
[8] Rong Rong et al. Research on The Mechanism and Characteristics of Electromagnetic Micro-actuator.第二届中日机械电子学学术讨论会论文集.1997；91—94.
[9] Y.Haga etal.Small Diameter active Catheter Using Shape memory Alloy.Proc.IEEE MEMS 98(1998).419_424.
(1998年8月4日收稿), http://www.100md.com