面向空间感知结肠镜检查的多传感器系统：提升手术安全性与AI辅助潜力

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：Multi-Sensory System for Spatially Aware Colonoscopy

本刊推荐：为解决传统结肠镜检查缺乏空间感知能力导致的患者不适和穿孔风险，研究人员开展了多传感器集成系统的主题研究。该系统将弯曲、压力和运动传感单元融入内镜，通过机器人测试台和结肠模型验证了传感器融合方法的可行性与鲁棒性，为实现更安全的肠道检查和未来AI辅助/自主结肠oscopy奠定技术基础。

　　

在医疗技术快速发展的今天，结肠镜检查作为结直肠癌筛查的金标准，每年在全球范围内拯救无数生命。然而这项关键技术在操作层面却始终面临着一个尴尬困境：医生如同在迷宫中摸索的盲人，仅能依靠内镜前端摄像头提供的有限视野来操控长达数米的柔性导管在曲折的肠道中穿行。这种"盲操作"模式使得患者不适感和并发症风险始终居高不下——据临床研究，高达90%的结肠镜检查会出现导管在肠腔内形成环状曲折的现象，而过度充气或机械压力可能导致肠壁破裂等严重并发症。

传统内镜的传感能力缺失使得操作者无法实时感知器械与肠壁的接触压力、器械自身的弯曲形态以及三维空间中的精确定位。正是为了突破这一技术瓶颈，由Tuukka Panula、Bruno Rosa等研究人员组成的团队在《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》上发表了他们的创新成果，提出了一种模块化多传感器系统，为结肠镜装上了"触觉"和"空间知觉"。

研究团队采用模块化设计理念，将三种传感功能集成于内镜系统：通过基于BMP390气压传感器的空气缓冲结构实现四向压力检测，采用BF350-3AA应变片构建半桥电路监测弯曲度，并利用LSM6DSO惯性测量单元(IMU)追踪运动轨迹。

所有传感器均采用商用现成组件，通过柔性印刷电路板(PCB)集成，数据采集系统以nRF52840微控制器为核心，采样频率设置为50Hz。

传感器特性分析

压力传感器测试显示其可检测低至14.1Pa的压力变化，在800mg负载下稳定时间约9.1秒。弯曲传感器通过编程控制内镜进行同心圆轨迹运动(r=10/25/40mm)，实测轨迹与期望轨迹的均方根误差为2.79mm。

温度影响实验表明，带气垫的压力传感器在26°C至37°C升温过程中信号变化约10Pa，而弯曲传感器在应力状态与无应力状态下的温度响应差异显著。

结肠模型验证

研究团队构建了三种结肠模型：直管模拟常规肠段、S形弯曲模拟乙状结肠、括约肌模型模拟肠腔狭窄。

实验数据显示，在弯曲肠段中特定方向压力值可达20kPa，而通过狭窄部位时四向压力分布均匀。IMU数据通过卡尔曼滤波融合加速度计与陀螺仪信号，结合5cm间隔的插入深度信息，成功重建了内镜在α环形成导管中的三维轨迹。

这项研究的重要意义在于首次实现了多模态传感在结肠镜检查中的协同应用。尽管当前系统在温度补偿、电缆布线等方面仍需优化，但其模块化设计为后续临床转化奠定基础。该技术不仅可降低结肠穿孔风险，更能通过实时反馈提升操作效率，为AI辅助手术提供数据支撑。未来结合卷积神经网络(CNN)等人工智能技术，有望实现环路形成预测、自主导航等高级功能，最终推动结肠镜检查从"经验依赖"向"数据驱动"的范式转变。