基于微神经电极控制似蚓蛔线虫的肠道生物机器人研究

近年来研究表明，肠道医疗机器人的主动驱动仍然是瓶颈问题，其中能量供给问题尤为突出，如何构建一种不需要供能线缆、可进入肠道深部的肠道机器人系统，当前仍没有很好的解决思路。本项目首次提出了"基于微神经电极控制似蚓蛔线虫的肠道生物机器人(Intestinal Bio-Robot,IBR)"的探索研究，融生物医学工程、神经生物学、生物机器人等多学科知识与手段，研究微神经电极控制似蚓蛔线虫运动功能的机理与方法，研制具有图像采集及药物控释功能的IBR试验样机，并验证其原理与方法。本项目直接利用生命体的极高能量效率及最佳运动机制，探索解决肠道机器人的驱动难题，研究融合"生命体"和"微机电系统"的新型医疗系统，是生物医学工程的一种新概念和新方法，国内外尚未见相关报道，可望获得部分原创性研究成果，随着研究的深入及新技术的采用，有望最终实用化为一种新型生物医学工程产品，具有重要的科学意义与良好的应用前景。

肠道诊疗一直是国内外研究的热点，当前国内外研制的肠道诊疗系统主要为传统内窥镜、诊疗胶囊、肠道机器人，但这三类肠道诊疗装置都还存在许多缺点，传统推进式内窥镜为有创检查并且难于到达小肠中下段；被动式的诊疗胶囊存在无法控制运动及姿态的缺点；主动式诊疗胶囊和肠道机器人的各种驱动方式都还存在着许多不足之处，基于“仿生原理+机电系统”的驱动技术，距离实际应用仍有诸多问题。随着生物机器人研究的深入，本课题进行了基于微神经电极控制的肠道生物机器人系统研究，解决当前肠道诊疗装置的驱动问题，利用“生物体+神经控制+机电系统”，采用生物体作为驱动装置，携带摄像头进入肠道内对结肠进行检查，体外控制中心通过神经电刺激控制生物体的运动行为，从而进入肠道深实现诊诊疗目的，肠道生物机器人在能源供给、运动灵活性等方面具有明显的优势。.本项目基于生物控制相关理论及方法研究，依据肠道环境以黄鳝作为动物模型，研究其运动控制神经回路，设计刺激控制方法，研制微电极及刺激器，构建刺激控制系统，采用不同类型微电极及刺激模式完成运动控制实验。通过实验，选用正相电流脉冲刺激器幅值为1.85 uA、频率为2Hz、脉宽为750μs的正相电流脉冲来电刺激黄鳝尾部，以控制其向前运动。设计了肠道生物机器人系统、肠道生物机器人外壳、生物驱动结肠内窥镜系统上位机，已初步掌握控制黄鳝向前运动的方法，同时对肠道生物机器人的释药治疗、出血检测技术进行了研究，基于MEMS工艺研制了基于微推进器的肠道释药模块，提出了基于颜色传感器的肠道出血检测新方法。.课题研究团队共发表相关论文9篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文2篇，CSCD收录4篇，课题申请有关发明专利3项，已公开；培养博士生1名，硕士生3名，核心研究内容在国际高水平期刊《Journal of Neuroengineering and Rehabilitation》(IF:3.26，在58篇神经修复期刊中，该期刊排名第六)上发表论文1篇，在国际上首次报道了基于生物体为驱动动力的原创性医疗器械-生物机器人结肠内窥镜，本项目研究成果当前在国际上处于领先地位，并进行了相关知识产权的布局，具有良好的实用化前景，其后续产业化研究将有望产生国际原创性的医疗器械新产品，将有力地促进消化道微创诊疗技术的发展。

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