无线柔性光学结肠镜出血传感器的研发与临床前评估：提升结直肠癌筛查安全性的创新突破

这篇研究报道了一种创新的无线柔性光学出血传感器（WSOBS），作为结肠镜的"附加"设备，通过光衰减原理实现盲区出血检测。该设备采用多套筒设计，集成柔性印刷电路板（PCB）和微型电子元件，能够区分不同浓度的血液模拟物（20%-100%），并通过实时数据传输（SNR 25-35dB，延迟13.52ms）实现术中出血预警。体外实验证实其具有92.5%的准确率和95%的灵敏度，且不影响结肠镜的机械性能（仅增加0.3N弯曲力），为结肠镜检查提供了重要的安全保障。

　　

无线柔性光学结肠镜出血传感器的创新突破

引言：临床需求与技术挑战
结直肠癌（CRC）是全球第三大常见恶性肿瘤，2024年仅美国就预计新增152,810例病例。结肠镜检查作为CRC筛查的金标准，却因解剖结构限制存在重大安全隐患——位于结肠镜尖端后方的出血可能被完全遗漏。传统结肠镜仅配备末端摄像头，当器械在弯曲的乙状结肠区域产生侧向压力导致穿孔性出血时，这些"盲区"出血可能引发低血容量性休克等严重并发症。现有解决方案如无线胶囊内镜（WCE）存在电池续航短（24-48小时）、检测灵敏度低等缺陷，而微流控芯片又因体积庞大难以整合到结肠镜中。

传感器设计与工作原理
研究团队开发的多套筒传感器系统包含三个功能模块：传感器套筒、电路套筒和电源套筒。核心检测单元采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆的玻璃基底，集成两组平行排列的聚合物波导（可见光520nm和红外光850nm），与1.2×1.3mm的微流体通道相交。这种双波长设计巧妙利用了血红蛋白在500-600nm的特异性吸收峰——血液会显著衰减可见光而几乎不影响红外光，从而通过相对损耗差（ΔLoss=Loss_visible-Loss_IR）实现特异性识别。逆向锥形设计的绿色发光波导（入口1mm→出口2mm）通过增大入射角增强了全内反射效率，配合黑色PDMS隔离块有效降低了波长间串扰。

制造工艺与性能优化
传感器制造采用精密分层工艺：首先在丙烯酸模具中固化PDMS包层（折射率n=1.43），经氧等离子处理（70W，0.4mbar，35s）后与160μm玻璃基底永久键合。柔性PCB上焊接的表面贴装器件（SMD）通过光学粘合剂（NOA73，n=1.56）与包层集成，紫外固化后形成波导核心。三节锂聚合物电池（3.7V，40mAh）可支持持续30分钟以上的检测，电压降至3.2V时虽导致绿色LED亮度降低，但1.01dB的平均损耗仍远低于3.5dB的报警阈值。蛇形连接的柔性PCB设计配合热焊织物衬底，有效缓解了结肠镜弯曲时的机械应力。

关键性能验证
在血液检测方面，传感器对20%-100%浓度血液模拟物呈现剂量依赖性响应，20%浓度即产生3.6dB损耗（100%浓度达6.1dB），符合比尔-朗伯定律。有限元分析（FEA）显示，添加传感器套筒仅使结肠镜弯曲刚度增加1.7%（19.0N→19.3N，20mm位移）。无线传输性能测试显示：在10m范围内保持104.63±0.14Bps的数据速率，方位角变化时SNR稳定在25-35dB之间，满足手术室环境需求。特别值得注意的是，该传感器能有效区分纯血液与胃肠液——后者会同时增强可见光和红外信号，避免误报。

体外临床验证
采用牛结肠模型进行的40次试验（含20次出血模拟）显示：传感器达到92.5%的总体准确率，阳性预测值（PPV）90.48%，特异性90%。导航时间分析表明，加装传感器后平均操作时间从42.44秒增至56.99秒（p=0.2），但学习曲线保持下降趋势（第5次试验比第1次缩短25%）。NASA任务负荷指数（TLX）评估显示，虽然物理需求（PD）和努力程度（E）子评分有所上升，但总体工作量评分无统计学差异（53.84 vs 41.08，p=0.6857）。所有试验中均未发生结肠穿孔，传感器结构也保持完整。

临床转化前景
这项研究首次实现了可集成于传统结肠镜的无线出血检测系统，突破了现有技术体积庞大、需要外接光谱仪等限制。未来研究将聚焦于集成惯性测量单元（IMU）实现出血点精确定位，并通过活体动物实验验证生物相容性。该技术有望成为结肠镜检查的标准安全配置，显著降低手术相关出血并发症的风险，为全球每年数百万例结肠镜检查提供实时安全保障。