磁控无线胶囊内镜活检系统：集成传感与安全靶向组织活检的创新突破

本文推荐一种集成传感模块的磁控无线胶囊装置，通过可折叠连杆结构与双磁体安全机制实现精准胃肠道（GI）组织活检。该装置利用柔性应变传感器实时监测穿刺位移（LIG技术），结合磁定位阵列追踪胶囊空间位姿，有效解决了传统活检在狭窄肠段（如小肠与结肠）的操作风险与精度局限，为炎症性肠病（IBD）、结直肠癌等疾病的微创诊断提供了新方案。

　　

1 引言

组织活检在胃肠道（GI）疾病（如炎症性肠病、溃疡和癌症）的诊断中至关重要。传统内窥镜工具难以到达狭窄曲折区域（如小肠和上结肠），而现有胶囊活检装置存在意外组织损伤的风险。为此，本研究提出一种磁控胶囊装置，集成磁性活检单元和传感模块，通过磁吸引力安全机制和实时穿刺位移监测实现安全、精准的组织采样。

2 结果

2.1 磁控胶囊活检系统的整体概念

胶囊装置采用磁控活检单元和集成传感功能，通过外部磁场控制可折叠连杆结构展开与收回。低磁场下双磁体间吸引力保持针头收回，高磁场下磁扭矩克服吸引力推动针头穿刺。柔性应变传感器（基于激光诱导石墨烯LIG）实时监测连杆弯曲角度，从而推算穿刺深度。磁传感器阵列同步追踪胶囊位置与方向，确保操作精准性。

2.2 集成针头与传感单元的胶囊设计

活检单元由钢杆、软材料层（PDMS复合磁性微粒）、驱动磁体（NdFeB，N45级）和23G活检针构成。应变传感器贴附于连杆表面，通过电阻变化反映针头位移。实验表明，磁体尺寸与连杆厚度需平衡：较大磁体需更高磁场触发但穿刺更深，较厚连杆降低触发阈值但限制最大展开角度。此外，导向磁体的位置需远离连杆以避免干扰针头收回。

2.3 感官胶囊的组织活检演示

在离体猪结肠组织实验中，胶囊通过外部磁控单元（永磁体与机械臂协同）实现定向穿刺。应变传感器电阻随磁场增强而降低（从12.78 kΩ至8.1 kΩ），与针头位移（0.47–3.85 mm）呈线性关系。针头设计带钩状结构（间隙400 μm），成功捕获组织样本，采样成功率超90%。实时数据通过蓝牙LE传输至计算机或手机端，验证了传感可靠性。

2.4 phantom环境中的活检与定位验证

5×5磁传感器阵列（LIS3MDL）通过I2C多路复用器集成，实时追踪胶囊运动轨迹。在结肠phantom中，胶囊通过旋转磁场（≈5 mT）实现滚动或爬行 locomotion，针头在导航期间保持收回（位移<0.5 mm）。密封设计（特氟龙薄膜）防止液体渗入，确保电气安全。实验显示，该系统可控制穿刺深度并避免意外激活，优于现有胶囊活检技术。

3 结论与讨论

本研究开发的磁控感官胶囊通过安全机制与实时传感提升了活检操作的安全性，在合成材料与离体组织中均验证了有效性。未来需集成成像模块以区分组织类型，延长电池续航（无线充电），并通过动物实验验证生理环境下的性能。该技术有望扩展至靶向给药与液体活检等领域。

4 实验方法

活检针采用UV激光（LPKF ProtoLaser U4）加工钩状结构；磁性连杆由PDMS-磁性微粒复合层与LIG传感器层粘结而成；LIG通过CO₂激光（10.6 μm）刻蚀聚酰亚胺胶带并转移至PDMS；电子系统基于nRF52832蓝牙SoC，采样率20 Hz；磁控单元通过步进电机与永磁体实现；定位系统由25个磁传感器阵列构成；统计使用Matlab 2023a处理。