导语：在子宫、胃、膀胱等大型开放腔体中，微创手术面临一个根本性矛盾——器械越柔性越安全，但越柔性越难控制。没有解剖管壁的约束，柔性器械就像一根“软面条”在空腔中漂移，医生只能靠记忆在有限的视野中摸索。更棘手的是，传统内窥镜贴近组织拍摄，医生必须将整个器官表面“背”在脑子里。来自苏黎世联邦理工学院的研究团队在《Science Robotics》上发表了一项研究，将磁驱动柔性内窥镜、实时图像拼接和基于图像的自主导航结合在一起，在活体绵羊模型上完成了胎儿镜激光凝固术的可行性验证。这项技术让柔性器械在开放腔体中第一次有了“全局视野”和“自动导航”能力。

一、核心问题：为什么大型腔体中的微创手术这么难？

1.1 传统柔性内窥镜的困境

柔性内窥镜机器人相比传统刚性器械，具有更好的灵巧性、变形能力和本质安全性。但它们的固有柔顺性和高维构型空间，对建模、控制和传感都提出了巨大挑战。

目前的进展主要集中在管腔环境——柔性设备在狭窄弯曲的管道中导航，受到管壁的约束。但针对大型开放腔体（如妊娠子宫、胃、膀胱）的柔性内窥镜平台，大多仍处于早期研究阶段，仅有少量临床前结果，且主要关注器械灵巧性和形状变形，而非展示完整手术。

大型开放腔体的特殊挑战：

• 缺乏解剖约束：没有管壁自然引导和稳定柔性设备

• 器械直径小：限制了集成传感器的数量

• 视野有限：内窥镜相机贴近组织表面，无法看到全貌

• 心理负荷高：医生必须在手术过程中记住环境，用于定位、导航和识别感兴趣区域

1.2 为什么是胎儿镜激光凝固术（FLC）？

FLC是双胎输血综合征（TTTS）的金标准治疗，TTTS影响10-15%的双胎妊娠。即使在高容量中心由经验丰富的外科医生操作，双胎存活率也只有70%，10%的存活儿童表现出长期神经发育障碍。

手术过程：外科医生通过套管针将胎儿镜插入子宫，扫描胎盘表面，识别所有连接双胎循环的血管吻合支，然后用手术激光消融这些血管。

前壁胎盘的挑战：位于母亲腹部方向的前壁胎盘特别难以操作，因为现有弯曲刚性胎儿镜的可操作性有限，导致胎盘表面的切线视角，使得血管的可视化、识别和消融困难甚至不可能。

二、技术方案：磁驱动柔性内窥镜 + 图像拼接 + 自主导航

2.1 机器人胎儿镜设计

研究团队开发了一种外径3.2 mm的机器人胎儿镜，兼容FLC常用的10-Fr套管针。

远端设计：由一系列堆叠磁体和精密工程钢球关节组成，允许大弯曲角度和精确磁导航。最大弯曲角度达到173°。

尖端集成：

• 透明尖端集成照明光纤

• 相机前放置光学滤光片

• 工作通道用于激光光纤（外径500 μm或更小）

为什么滤光片很重要？在激光消融过程中，反射的激光会导致相机传感器饱和，使血管在消融时不可见。滤光片确保血管在整个消融过程中保持可见，这是精确和安全消融的关键。

2.2 电磁导航系统

当机器人内窥镜置于外部磁场b中时，每个磁体上施加磁力矩τ = m × b，其中m是磁体的磁偶极矩。研究使用Navion电磁导航系统（eMNS），由三个电磁铁组成，电流通过线性映射计算。

2.3 图像拼接：给医生一个“全局地图”

实时拼接：在自主探索运动期间，内窥镜图像被实时拼接成全景图（mosaic），提供扩展的连续视觉上下文。

拼接图作为用户界面：拼接图不仅用于可视化，还作为交互式用户界面，允许自动导航到当前相机视野之外的目标位置。

为什么这很重要？在FLC中，识别和消融双胎之间所有共享血管是关键。医生目前必须记住血管分布，因为胎儿镜必须贴近胎盘表面以获得良好的可视化。拼接图让医生不再需要“背”下整个血管网络。

三、核心技术创新：基于图像的导航控制

3.1 视觉伺服控制原理

核心思想：控制完全基于胎儿镜图像反馈，无需任何额外嵌入传感器或跟踪设备。

控制流程：

1. 改变外部磁场以弯曲尖端

2. 使用基于图像的视觉伺服（eye-in-hand IBVS）在胎儿镜图像中实现期望速度或到达2D目标点

数学映射：内窥镜图像中某点的2D速度线性映射到磁场矢量的瞬时旋转，使用图像雅可比矩阵。矩阵最初通过校准过程估计，然后使用Broyden方法随时间更新，以保证胎儿镜移动时映射的有效性。

为什么不需要额外传感器？这种纯图像方法消除了在小型器械尖端集成额外定位传感器的需要，并且其无模型方法支持广泛的器械刚度范围。

3.2 三种导航策略

研究实现了三种导航策略，覆盖FLC过程中遇到的任务范围：

导航策略	控制方式	适用场景
手动导航	用户通过操纵杆控制内窥镜图像的运动	自由跟随和消融单个血管
短程自动导航	自动将尖端转向内窥镜视野中可见的目标	消融视野内的单个吻合支
长程自动导航	自动转向到之前在拼接图中选择的目标	导航回到之前检查过的血管

手动导航：用户控制图像中心的运动，期望运动方向与操纵杆方向一致。

短程自动导航：用户在当前内窥镜图像中选择目标位置，机器人自动将其移动到参考位置（通常为图像中心），使用PID控制律。

长程自动导航：目标在之前生成的拼接图中选择，通常在当前内窥镜视野之外。首先，机器人根据估计的磁场移动到目标位置；一旦目标接近参考位置，使用短程自动导航完成剩余距离。

3.3 图像雅可比矩阵更新

为什么需要更新？如果雅可比矩阵在初始校准后保持不变，性能会显著下降，导致偏离期望的方形和圆形轨迹。

Broyden更新方法：

• 初始通过校准过程估计

• 每个时间步使用Broyden方法更新

• 需要鲁棒估计图像中心随时间的运动

• 估计误差均值±标准差为0.86 ± 1.63像素/秒

四、实验结果

4.1 体外控制表征

在体外评估了基于图像的控制，包括阶跃方向变化和连续方向变化。

阶跃方向变化：中值峰值误差24° ± 0.69°，整体中值误差2.2° ± 1.3°。

连续方向变化：运动更平滑，与期望方向的偏差较小，中值误差1.8° ± 1.3°。

结论：方向分量比幅度分量对用户更重要，期望方向和实际方向越接近，导航策略越直观。

4.2 活体导航（绵羊模型）

在活体绵羊模型中验证了导航策略的可行性。

手动导航：经验丰富的胎儿外科医生使用操纵杆沿子宫壁血管导航，整个轨迹的角度误差中值为8.6° ± 4.8°。连续内窥镜图像被拼接成图像拼接图，显示外科医生可以跟随期望血管，仅存在有限的偏差。

短程自动导航：在视野内选择的六个目标全部到达，误差阈值为2像素。到达时间3.1 ± 1.7秒，系统响应延迟0.41 ± 0.041秒。

长程自动导航：五个手动选择的目标位置全部到达，误差阈值2像素，平均持续时间6.31 ± 1.3秒。目标到达精度与起始和目标位置之间的距离无关。

4.3 离体胎盘血管消融

在离体人胎盘上研究了手部震颤对血管消融所需能量的影响。

实验设置：

• 手持刚性胎儿镜复制品（模拟传统手术）

• 固定激光光纤（模拟机器人胎儿镜）

结果：

• 在选定的激光持续时间和功率下，手持复制品无法完全消融任何血管

• 固定光纤靶向的7根血管中，3根可以闭合，2根半闭合

• 机器人胎儿镜可以用更少的激光能量成功消融血管

验证：固定激光光纤相当于将机器人胎儿镜稳定在恒定磁场中。测量显示，固定相机和机器人胎儿镜的运动标准差相当（0.024 mm vs 0.029 mm）。

4.4 活体血管消融（绵羊模型）

胎儿外科医生在活体绵羊模型中用机器人胎儿镜消融血管，执行了点消融和线消融，模拟Solomon技术。

关键发现：

• 消融过程中血管仍然可见（得益于相机传感器上的滤光片）

• 机器人导航的平均速度16 ± 16像素/秒，手持方法90 ± 66像素/秒

• 磁引导下消融的血管上激光标记更局部化

4.5 用户研究

11名参与者完成了两项任务，使用机器人胎儿镜和手持复制品。

任务1：点消融

• 机器人精度：140 ± 22 μm

• 手持复制品：621 ± 361 μm

• 机器人精度显著更优（P = 0.001）

任务2：线消融

• 机器人加权中值误差：302 ± 187 μm

• 手持复制品：451 ± 268 μm

• 机器人精度显著更优

NASA-TLX结果：

• 机器人胎儿镜显著降低了体力需求、努力和挫败感

• 任务2中还显著降低了心理需求

五、其他应用：胃镜和膀胱镜

研究还展示了导航和拼接方法在胃镜和膀胱镜中的可行性。

膀胱镜（离体猪膀胱）：

• 手动导航角度误差11° ± 6.9°

• 拼接图平均误差12.06 ± 14.50像素

• 长程导航到达6个目标

• 短程导航到达6个目标（误差2像素）

胃镜（体外湿人胃模型）：

• 手动导航角度误差16.46° ± 22.25°（有活检钳）和7.18° ± 7.52°（无活检钳）

• 拼接图平均误差28.90 ± 2.24像素

• 长程导航到达5个目标（误差1像素）

六、技术意义与局限

6.1 技术意义

解决核心挑战：

1. 在开放空间中基于图像的导航，不依赖复杂机器人运动学建模或额外传感器

2. 实时拼接提供手术场景的全局视图

3. 消除手部震颤，提高消融精度和安全性

4. 降低医生的心理和体力负荷

临床潜力：

• 提高低容量中心的手术效果

• 减少地理差异

• 标准化手术技术，减少医生间和医生内变异

• 降低并发症率

6.2 局限性

• 活体中实现的拼接图大小有限，限制了长程导航距离

• 需要改进拼接算法以处理遮挡（如移动的胎儿）

• 需要可靠的患者运动定位

• 需要开发实时3D重建算法

• 视觉推理时间较长（10-25秒），本地模型部署可降低延迟

七、总结

这项研究展示了磁驱动柔性内窥镜在大型开放腔体微创手术中的潜力。通过将基于图像的视觉伺服、实时图像拼接和自主导航结合，研究团队在活体绵羊模型中验证了胎儿镜激光凝固术的可行性。

核心贡献：

1. 3.2 mm磁驱动柔性胎儿镜，兼容10-Fr套管针，最大弯曲角度173°

2. 纯图像导航方法，无需额外传感器

3. 实时图像拼接作为全局用户界面

4. 消除手部震颤，显著提高消融精度

5. 活体验证，为临床转化奠定基础

一句话总结：让柔性内窥镜在开放腔体中“自己找路”，用图像拼接给医生“全局地图”，用磁导航消除手部震颤——这是微创手术机器人走向大型腔体的一次重要突破。

论文信息

标题：Advancing minimally invasive precision surgery in large open cavities with robotic flexible endoscopy

作者：Michelle Mattille, Alexandre Mesot, Miriam Weisskopf, Nicole Ochsenbein-Kölble, Ueli Moehrlen, Bradley J. Nelson, Quentin Boehler

机构：苏黎世联邦理工学院等

期刊：Science Robotics, Vol. 11, Issue 118, 2026年9月16日

DOI：10.1126/scirobotics.aed1470

数据：DOI: 10.5061/dryad.zpc866tpb