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Feb 17, 2024

Roboterendoskop mit Doppel

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10494 (2023) Diesen Artikel zitieren 669 Zugriffe auf Metrikdetails Das Einführen herkömmlicher Koloskope kann bei Patienten manchmal Schmerzen verursachen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10494 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das Einführen herkömmlicher Koloskope kann aufgrund der Dehnung des Mesenteriums manchmal zu Schmerzen während des Eingriffs führen. In dieser Studie wurde ein Prototyp eines Roboterkoloskops mit Doppelballon und doppelt gebogenem Schlauch entwickelt, der auf dem herkömmlichen Doppelballon-Endoskop basiert, um das Einführen zu vereinfachen und eine Überdehnung des Dickdarms zu verhindern. Es wurde bestätigt, dass sowohl die Außen- als auch die Innenrohre frei von Störungen durch Drähte und Ummantelungen waren. Darüber hinaus wurden alle Funktionen wie das Biegen der Spitze, das Aufblasen und Entleeren der Ballons sowie das aktuatorische Ziehen und Schieben des Innenschlauchs ordnungsgemäß ausgeführt. Während des Einführungstests konnte das Gerät in etwa 442 s den Blinddarm eines Dickdarmmodells erreichen, wenn es von einem nichtmedizinischen Bediener bedient wurde. Darüber hinaus überdehnte das Gerät das Dickdarmmodell nicht, was darauf hindeutet, dass der Einführmechanismus der Form des Dickdarmmodells folgen kann. Dadurch hat der entwickelte Mechanismus das Potenzial, durch einen stark gebogenen Dickdarm zu navigieren, ohne ihn zu überdehnen.

Derzeit ist Darmkrebs die zweithäufigste Todesursache weltweit1. Daher werden Screening-Tests wie eine Koloskopie und ein Test auf okkultes Blut im Stuhl (FOBT) durchgeführt, um die Mortalität und Inzidenz von Darmkrebs zu reduzieren2,3,4,5. Die Patienten, die beim FOBT-Test ein positives Ergebnis erhalten, benötigen schließlich eine Koloskopie, um das Vorhandensein von Läsionen zu bestätigen. Obwohl die Koloskopie der Goldstandard zur Erkennung und Diagnose von Darmkrebs ist, wird dieses Verfahren aufgrund der Schmerzen, die sie beim Einführen des Koloskops verspüren, als belastend für die Patienten angesehen6. Der Schmerz wird durch die Überdehnung des Mesenteriums verursacht und verschiedene Faktoren wie Geschlecht, Body-Mass-Index und postoperative Verwachsungen können das Schmerzempfinden des Patienten bestimmen7,8,9. Darüber hinaus deuten Studien darauf hin, dass die vom Endoskopiker verwendete Einführtechnik besonders wichtig ist8,10,11. Idealerweise sollten alle Endoskopiker diese Einführtechniken beherrschen; Diese Techniken erfordern jedoch eine Lernkurve12,13. Daher ist ein neues Koloskop erforderlich, das für den Patienten schmerzfrei ist und sich leicht in den Dickdarm einführen lässt.

In früheren Studien wurden Einführungstechniken untersucht, die die Koloskopie vereinfachen. Beispielsweise wurde über eine weiche Roboterstruktur, eine Struktur mit einem Antriebsmechanismus an der Spitze und ein von einem Roboter manipuliertes Endoskop berichtet14,15,16. Darüber hinaus hat die fortgeschrittene Forschung von Era Endoscopy das Endotics® System hervorgebracht, das für den Einsatz in der klinischen Praxis verifiziert wurde17. Obwohl dieses System im Vergleich zu herkömmlichen Koloskopen die vom Patienten empfundenen Schmerzen reduziert, besteht weiterhin das Problem einer langen Einführungszeit oder einer unvollständigen Koloskopie.

Ballonendoskope, die eine unterstützte Einführung ermöglichen, wurden klinisch eingesetzt18,19. Beim Einführen eines Ballonendoskops wird der frei bewegliche Darmtrakt mit einem aufgeblasenen Ballon fixiert und das Endoskop durch einen Außenschlauch hin- und herbewegt. Dieses Endoskop wird häufig zur Diagnose von Dünndarmerkrankungen eingesetzt20 und sein Einsatz in der Koloskopie wurde untersucht21. In einer Studie wurde berichtet, dass eine vollständige Koloskopie mit einem Doppelballon-Endoskop (DBE) bei Patienten möglich sei, die sich zuvor unvollständigen Koloskopien unterzogen hatten21. Dies impliziert, dass die DBE das Potenzial hat, eine Schlüsseltechnologie zur Vereinfachung von Standardkoloskopieverfahren zu werden. Herkömmliche DBEs stehen jedoch vor bestimmten Herausforderungen, die auf das Fehlen einer Biegefunktion an der Spitze des Außenrohrs und das Fehlen eines elektrischen Push-/Pull-Mechanismus für das Endoskop zurückzuführen sind: (i) Wenn der Darmtrakt stark gebogen ist, wie in gezeigt Abb. 1A zeigt, dass die Kraft beim Einführen nur in koaxialer Richtung übertragen wird, auch wenn die Spitze des Koloskops in Einführrichtung gebogen ist. Daher wird der Darmtrakt durch einfache Eingriffe wie das Biegen der Spitze und das Schieben oder Ziehen des Endoskops weiterhin gedehnt. (ii) Für die Durchführung der Koloskopie sind häufig zwei Personen erforderlich, da die Bedienung des Endoskops und des Außenschlauchs kompliziert ist.

(A) Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Doppelballon-Endoskopen. (B) Prinzip der Geräteeinführung basierend auf unserer Hypothese. (a) Die Spitze des Geräts erreicht die Biegung im Dickdarm. (b) Das Außenrohr wird gebogen, um die Einführrichtung anzupassen. (c) Der Darmtrakt wird durch den am Außenrohr befestigten Ballon fixiert. (d) Das Innenrohr wird herausgeschoben. (e) Der Darmtrakt wird durch den am Innenrohr befestigten Ballon fixiert. (f) Das Außenrohr wird herausgeschoben und das Innenrohr zurückgezogen.

Um die oben genannten Probleme zu überwinden, schlagen wir ein Roboterendoskop basierend auf dem DBE vor. Die Außen- und Innenrohre des vorgeschlagenen Geräts werden unabhängig voneinander manipuliert und können über eine Steuerung elektrisch betrieben werden. Genauer gesagt können das Biegen des Außen- und Innenrohrs, das Ziehen und Drücken des Innenrohrs sowie das Aufblasen und Entleeren jedes Ballons über eine Steuerung gesteuert werden. Der Mechanismus der vorgeschlagenen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Spitze des Innenrohrs entsprechend der Richtung der Spitze des Außenrohrs außeraxial nach außen gedrückt wird. Durch diese Einführtechnik soll verhindert werden, dass der Darmtrakt während des Eingriffs überdehnt wird. Durch Drücken und Ziehen des Außenrohrs mit einer Hand und Betätigen des Controllers mit der anderen Hand kann eine einzelne Person die Koloskopie durchführen. Daher wird erwartet, dass die vorgeschlagene endoskopische Bewegung das Einführen vereinfacht und darüber hinaus das automatische Einführen bei allgemeinen endoskopischen Eingriffen wie Screening und Überwachung ermöglicht.

Nach unserem besten Wissen wurde in der Literatur bisher nicht über ein Gerät mit einem elektrisch steuerbaren Doppelballon und einem doppelt gebogenen Schlauch berichtet, und es besteht weiterhin der Bedarf an einer einfachen Einführungsmethode für einen stark gebogenen Dickdarm. In dieser Studie wurde das Roboterendoskop entwickelt, das die oben genannten Operationen durchführen kann, und seine erfolgreiche Einführung in ein Dickdarmmodell wurde demonstriert.

Abbildung 2A zeigt das entwickelte Gerät. Die Fähigkeit des Controllers, das Biegen der Außen- und Innenrohre, das Aufblasen und Entleeren der an den Außen- und Innenrohren befestigten Ballons sowie das Drücken und Ziehen des Innenrohrs zu steuern, wurde bestätigt (siehe Online-Ergänzungsvideo S1). Die Länge und der Durchmesser des zum Einführen vorgesehenen Teils des Außenrohrs betragen etwa 114 cm bzw. 17,0 mm. Die maximalen Biegewinkel der Außen- und Innenrohre betrugen etwa 90 bzw. 180°. Wie in Abb. 2Ba gezeigt, wird mit dem vorgeschlagenen Gerät eine S-förmige Biegung erreicht, die durch Manipulation eines herkömmlichen DBE nicht erreicht werden kann. Wie in Abb. 2Bb gezeigt, blähen sich die Ballons auf einen Durchmesser von etwa 7 cm auf, was für die Darmfixierung ausreicht. Darüber hinaus können die Spitzen des Außen- und Innenrohrs eine maximale Last von 200 bzw. 50 g heben, wie in Abb. 2Bc,d dargestellt. Die Biegung der Außen- und Innenrohre wurde durch Drahtzug eingeschränkt, wenn die Servomotoren an der Basis befestigt blieben und die flexiblen Abschnitte des Rohrs stark gebogen waren. Durch Ändern der Position der Servomotoren können sich die Biegeabschnitte jedoch auch dann nach oben, unten, links und rechts biegen, wenn die flexiblen Abschnitte stark gebogen sind, wie in Abb. 4 dargestellt.

(A) Zusammengebautes Gerät. (B) Bewegung und Nutzlast des Geräts. (a) S-förmige Biegung. (b) Doppelte Balloninflation. (c) Nutzlast des Außenrohrs. (d) Nutzlast des Innenrohrs.

Abbildung 1B zeigt das Einsetzen des Geräts basierend auf unserer Hypothese. Das Innenrohr wurde zunächst in das Außenrohr eingesetzt, und die Verriegelungs-/Freigabemechanismen des Innen- und Außenrohrs wurden auf „Freigeben“ bzw. „Verriegeln“ eingestellt. Abbildung 3 zeigt die erste Runde des Einfügungsexperiments. Das Gerät wurde von Hand von der anorektalen Seite eingeführt (Abb. 3A) und durch Drücken und Manipulieren der Spitze des Außenrohrs durch das Rektum geführt (Abb. 3B). Das Einführen in das Sigma ist allein durch Manipulieren und Biegen des Außenrohrs schwierig, da der Darmtrakt stark gebogen ist. Dazu wurde die Spitze des Außenschlauchs in Einführrichtung ausgerichtet, der Außenschlauch mit einem Ballon am Darmtrakt fixiert und die Spitze des Innenschlauchs herausgeschoben. Während des Schiebens wurde der Sperr-/Freigabemechanismus des Innenrohrs auf Sperren eingestellt und die Biegung des Innenrohrs wurde manipuliert, um ein Auftreffen auf die Falten der Kanalwand zu vermeiden (Abb. 3C). Durch dieses Verfahren konnte das Gerät den absteigenden Dickdarm erreichen, ohne die Wand des Dickdarmmodells zu überdehnen (Abb. 3D). Um dies zu erreichen, wurde der am Innenschlauch befestigte Ballon aufgeblasen, der Außenschlauch bis zur Einführposition des Innenschlauchs nach vorne geschoben und das Gerät in den Ausgangszustand zurückversetzt (Abb. 3E). Anschließend wurde das gesamte Gerät herausgeschoben und die Spitze erreichte den absteigenden Dickdarm (Abb. 3F). Als nächstes wurde die Spitze des Innenrohrs herausgedrückt, um den Querkolon zu erreichen (Abb. 3G). Das Außenrohr wurde wieder in seinen Ausgangszustand versetzt (Abb. 3H). Schließlich erreichte die Spitze den Blinddarm, da der Innenschlauch durch Biegen und Manipulieren des Außenschlauchs gedrückt wurde (Abb. 3I). Um das Innenrohr zu schieben, musste die Spitze gebogen und manipuliert werden, um durch die Falten des Dickdarmmodells zu gelangen.

Einsetzen des Geräts in das Dickdarmmodell (Fall 1); weiße Linie: Innenrohr, grüne Linie: Außenrohr, weißer Kreis: Aufblasen des am Innenrohr befestigten Ballons, grüner Kreis: Aufblasen des am Außenrohr befestigten Ballons. (A) Die Gerätespitze wird in den Anus eingeführt. (B) Der äußere Schlauch erreicht den Eingang des Sigmas. (C) Der Innenschlauch wird herausgedrückt, um durch das Sigma zu gelangen. (D) Der am Innenschlauch befestigte Ballon wird aufgeblasen, um den absteigenden Dickdarm zu fixieren. (E) Ausgangszustand des Geräts im absteigenden Doppelpunkt. (F) Der äußere Schlauch erreicht den Eingang des Querkolons. (G) Der am Innenschlauch befestigte Ballon wird aufgeblasen, um den Querkolon zu fixieren. (H) Der äußere Schlauch erreicht den Eingang des aufsteigenden Dickdarms. (I): Die Spitze des Innenrohrs erreicht den Blinddarm in 340 s.

In drei Insertionsexperimenten wurde ein ähnliches Verfahren angewendet, um eine vollständige Insertion in den Blinddarm des Dickdarmmodells zu erreichen (siehe Online-Ergänzungsvideo S2). Die Zeiten für das Einführen in den Blinddarm sind in Tabelle 1 dargestellt. Die durchschnittliche Zeit, die benötigt wurde, um durch das stark gebogene Sigma zu gelangen, betrug etwa 43 s, und die durchschnittliche Zeit bis zum Erreichen des Blinddarms betrug etwa 442 s.

Zum Einsetzen in das Dickdarmmodell darf der maximale Außendurchmesser des Geräts weniger als 20 mm betragen. In dieser Studie wurde ein DBE mit einem maximalen Außendurchmesser von 14 mm und Außen- und Innenrohren, die sich unabhängig voneinander biegen lassen und elektrisch angetrieben werden, mit einem 3D-Drucker geformt. Daher kann der Mechanismus des entwickelten Geräts anhand des Dickdarmmodells überprüft werden. Die Experimente bestätigten, dass sich die Spitze jedes Schlauchs ohne Beeinträchtigung durch Drähte und Hüllen, das Aufblasen und Entleeren der Ballons sowie das Ziehen und Drücken des Innenschlauchs biegen lässt. Darüber hinaus lässt sich der Innenschlauch effektiv biegen und der Ballon kann effizient aufgeblasen/entleert werden, selbst wenn der Außenschlauch eine starke Biegung erfährt. Obwohl die Nutzlasten des Innen- und Außenrohrs 50 bzw. 200 g betrugen, wird aufgrund des Gewichts des Dickdarmmodells, das etwa 42 Falten enthält, davon ausgegangen, dass das Gewicht des Geräts ausreicht, um sich durch die verschiedenen Falten im Lumen zu bewegen , betrug 379 g. Daher erreichten diese Strukturen alle geplanten Verhaltensweisen. Keine früheren Studien haben die Einfügung einer solchen Gerätestruktur in ein Dickdarmmodell bestätigt, und diese Studie wird zur zukünftigen Entwicklung von Robotern für die Koloskopie beitragen.

In fortgeschrittener Forschung wurde berichtet, dass die Einführung in das Dickdarmmodell mithilfe entwickelter Roboterkoloskope untersucht wurde14,22. Sie haben sich jedoch auf die Validierung der Funktionsweise des Entwicklungsmechanismus konzentriert; Daher wurde das Dickdarmmodell durch einfache Materialien wie eine Plastikfolie14,22 oder einfache Darmtraktanordnungen ersetzt, die aus einem Abdomenphantom23 gewonnen wurden. Diese Experimente unterscheiden sich jedoch von der klinischen Koloskopie, und es ist unbekannt, ob diese Geräte den flexiblen Darmtrakt passieren können, der stark gebogen ist. In dieser Studie wurde ein im Handel erhältliches Dickdarmmodell für das Koloskopie-Training verwendet, um klinische Anordnungen des Darmtrakts zu simulieren, wobei Silikonkautschuk als flexibles Material verwendet wurde.

Der Einführtest ergab, dass die Spitze des Innenrohrs der Form des Dickdarmmodells folgen kann, indem die Richtung der Spitze des Außenrohrs gesteuert wird. Die Form des Dickdarmmodells blieb vor und nach dem Einführen nahezu unverändert, was darauf hindeutet, dass unsere hypothetische Bewegung ein sicheres Einführen ermöglicht, ohne den Dickdarm zu überdehnen. Darüber hinaus ist das entwickelte System intuitiv, da es elektronisch mit einer Steuerung bedient werden kann und ein nichtmedizinischer Bediener die Spitze des Geräts ohne Aufsicht eines Endoskopikers zum Blinddarm navigieren kann. Daher ist die Lernkurve des in dieser Studie entwickelten Geräts zur Koloskopeinführungskontrolle deutlich geringer als bei herkömmlichen Koloskopiesystemen.

Darüber hinaus wurde die Einfügung in dieser Studie nur für einen Fall (Fall 1) getestet und die Einfügung in Dickdarmmodelle mit unterschiedlichen Formen muss in Zukunft untersucht werden. Die Schwierigkeit beim Einsetzen in Dickdarmmodelle mit anderen Formen nimmt zu, da das Gerät im Bereich des Sigmas auf mehrere stark gebogene Strukturen stoßen kann. Insbesondere wurde in den Experimenten auch die Notwendigkeit der Begradigung des Dickdarms analysiert, die ein wichtiger Schritt in der konventionellen Koloskopie ist. Wenn jedoch der Biegewinkel und der Mindestradius des Biegeteils optimiert werden, ist aufgrund der in Abb. 1B beschriebenen Bewegung eine vollständige Koloskopie zu erwarten.

Der Zweck dieser Studie bestand darin, festzustellen, ob die Spitze des Geräts den Blinddarm des Dickdarmmodells mit einer klinisch ähnlichen Form ohne Überdehnung erreichen kann. Daher wurde ein durchscheinendes Dickdarmmodell verwendet, um die Position der Spitze von oben zu bestätigen. Allerdings kann es schwierig sein, die Falten des Dickdarmmodells von außen ohne eine endoskopische Kamera zu erkennen. In einigen Fällen, insbesondere wenn die Biegung des Dickdarms stärker ist als die Biegung des Sigmas in Fall 1 an den Leber- und Milzbeugungen an beiden Enden des Querkolons, kann die Spitze des Innenschlauchs beim Herausziehen des Schlauchs auf die Falten stoßen, weil a Die Kamera wurde an der Spitze des Prototyps nicht installiert. Es waren etwa 442 s erforderlich, um den Blinddarm zu erreichen. Yang et al.23 berichteten, dass die Blinddarminsertionszeit bei der klinischen Koloskopie 354 ± 264 s betrug. Daher sollte die Zielzeit für jede Dickdarmanordnung innerhalb der Blinddarminsertionszeit liegen. Da die Zeit für die Einführung in den Blinddarm des Dickdarmmodells mit der Anzahl der Versuche in diesem Test abnahm, ist zu erwarten, dass sich die Zeit für die Einführung bei wiederholten Vorgängen verkürzt. Dies deutet darauf hin, dass die Zeit zum Einsetzen des Blinddarms verkürzt werden kann, um Falten des Dickdarmmodells zu vermeiden, indem der Hohlraum des Lumens mithilfe einer Kamera sichtbar gemacht wird. Obwohl in diesem Experiment die Einführung ohne Kamera mit dem transparenten Dickdarmmodell durchgeführt werden konnte, sind ausreichende Erfahrungen in der Koloskopie erforderlich, um die Einführungsrichtung innerhalb des Darmtrakts für den klinischen Einsatz zu erkennen. Daher sind Bildnavigationsfunktionen wie die Erkennung der Einführrichtung in Kombination mit maschinellem Lernen, wie von Jiang et al.24 berichtet, notwendig, damit die Koloskopie auch von Anfängern durchgeführt werden kann. Obwohl die Kamera in diesem Prototyp nicht implementiert war, wurde das Innenrohr unter der Annahme entworfen, dass eine Kamera mit Abmessungen von 1 mm2 (Osiris M-Kamera, Optasensor GmbH, Deutschland) und mehrere optische Fasern mit einem Durchmesser von 0,5 mm als Lichtleiter enthalten sein werden . Diese Elemente können zur späteren Überprüfung hinzugefügt werden. Der Bediener, der das vorgeschlagene Gerät verwendet, muss den flexiblen Schlauch drücken und ziehen, indem er ihn während des Einführens festhält. Um den Einfügungsprozess jedoch vollständig zu automatisieren, muss eine mechanische Funktion wie ein Kontinuumsroboter25,26 oder ein Roboterarm27 hinzugefügt werden.

In der aktuellen Version dieses Geräts sind keine Sicherheitsfunktionen zur Vermeidung von Schäden im Darmtrakt implementiert, da ein Dickdarmmodell verwendet wird. Es besteht jedoch die potenzielle Gefahr einer Perforation aufgrund der Ballondilatation oder der Extrusion des Innenschlauchs während des Eingriffs. Um dieses Risiko zu mindern, ist es wichtig, eine Feedback-Funktion zu integrieren, die die Drahtspannung beim Biegen, den Druck des Ballons und die beim Drücken und Ziehen des flexiblen Schlauchs ausgeübte Kraft überwacht. Diese Sensoranforderungen können mit einem Spannungsmesser28 und taktilen Sensorarrays29 erfüllt werden. Darüber hinaus ist die genaue Erkennung der Form des eingeführten Endoskops und der Position seiner Spitze von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Sicherheit und die Navigation in der Einführrichtung. Um die Sicherheit zu erhöhen, könnte ein System wie die Endoskop-Positionserkennungseinheit (UPD) eingeführt werden, die ein 3D-Bild der Form und Position des Endoskops im Körper liefert30. Die Integration dieser Funktionen in künftige Iterationen des Geräts könnte es sogar Anfängern und Krankenschwestern ermöglichen, vollständige Koloskopieverfahren wie Screening und Überwachung durch teilweise oder vollautomatische Einführung durchzuführen.

Es sind jedoch bestimmte Einschränkungen zu berücksichtigen. Aufgrund seiner unterschiedlichen Form und Funktionsweise im Vergleich zu herkömmlichen Endoskopen ist das Gerät möglicherweise für Notfall-Endoskopiefälle ungeeignet. Darüber hinaus kann es im Vergleich zu herkömmlichen Endoskopen schwieriger sein, gelegentliche Komplikationen wie Blutungen oder Perforationen zu behandeln. Um diese Situationen zu bewältigen, ist es notwendig, einen Zangenanschluss vorzusehen, der die Verwendung herkömmlicher endoskopischer Instrumente ermöglicht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in dieser Studie entwickelte Gerät den Blinddarm vom Anus des Dickdarmmodells aus erreichen kann, ohne das Modell zu überdehnen, und von einem einzigen nichtmedizinischen Bediener bedient werden kann. Dies deutet darauf hin, dass der vorgeschlagene Prototyp eine komfortable Koloskopie ermöglichen kann.

Es wurden Außen- und Innenrohre mit daran befestigten Ballons entwickelt, die elektrisch manipuliert werden können. Der Rahmen des Außenrohrs bestand aus zwei Arten von Biegeteilen, die unter Verwendung eines fotohärtbaren Harzes (Graypro, Formlabs Co., USA), eines 3D-Druckers (Form 3, Formlabs Co., USA) und einer Spule (L041, Accurate Inc.) hergestellt wurden. , Japan) mit einem Außendurchmesser (OD) von 10 mm, der durch die Teile geführt werden soll, wie in Abb. 4A gezeigt. Die Teile des Biegeabschnitts wurden so zusammengebaut, dass sie einen Durchmesser von 13,5 mm und eine Gesamtlänge von etwa 79 mm aufwiesen, und die 3D-gedruckten Teile (hellblaue Teile in Abb. 4A) wurden zusammengebaut und mithilfe von Drahtzug gebogen31. Die Teile des flexiblen Schlauchabschnitts wurden mit 3D-gedruckten Teilen (grau gefärbte Teile in Abb. 4A) zusammengebaut, die um 90 Grad gedreht werden und zusammenpassen. Die Drähte (SB-036-50M, Osaka Coat Rope Co., Ltd., Japan) wurden durch eine Hülle (TUF-100-AWG-26-10M, Chukoh Chemical Industries, Ltd., Japan) außerhalb des flexiblen Rohrabschnitts geführt und spiralförmig angeordnet, um gegenseitige Beeinträchtigungen beim Biegen zu vermeiden. Der Rahmen des flexiblen Schlauchabschnitts und der Hülle wurde mit Vinylchlorid beschichtet. Die Biegebewegung ist in Abb. 4B dargestellt. Der Biegeabschnitt war mit einer doppelten Schicht Latexgummi (Latexschlauch, Fuji Latex Co., Ltd., Japan) und einem Luftschlauch (TUF-100-AWG-17-10M, Chukoh Chemical Industries, Ltd., Japan) bedeckt ) wurde zwischen die Schichten gelegt, um die Schicht als Ballon aufzublasen und zu entleeren, wie in Abb. 4C gezeigt. Wie in Abb. 4D dargestellt, besteht der Innenschlauch aus einem flexiblen Schlauch und Biegeabschnitten. Der Biegeabschnitt wird aus 3D-gedruckten Teilen mit einem Außendurchmesser von 6 mm (orangefarbene Teile in Abb. 4D) zusammengebaut, die Durchgangslöcher für Drähte haben und über eine Spule (L006, Accurate Inc., Japan) mit einem Außendurchmesser von 3 mm verfügen innen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Der flexible Schlauchabschnitt besteht aus einer Spule mit einem Außendurchmesser von 6 mm, einem Luftschlauch (TUF-100-AWG-17-10M, Chukoh Chemical Industries, Ltd., Japan) und vier Hüllen (TUF-100-AWG-26- 10M, Chukoh Chemical Industries, Ltd., Japan) zum Durchfädeln der Drähte. Die Biegebewegung ist in Abb. 4E dargestellt. Die gesamte Länge des Schlauchs ist mit Gummi bedeckt (Bleistiftballon, Suzuki Latex Co., Ltd., Japan) und der Biegeabschnitt hat einen Ballon (Latexballon, Fuji Latex Co., Ltd., Japan), wie in Abb . 4F. Die Verbindung des flexiblen Schlauchs und des Biegeteils weist ein Luftloch auf, und ein Luftschlauch ist angeschlossen, um den angebrachten Ballon aufzublasen und zu entleeren.

(A) Segment des Außenrohrs, das zum Einführen vorgesehen ist. (B) 3D-gedruckte Komponenten und Biegebewegung im Biegeabschnitt des Außenrohrs. (C) Komplett montiertes Außenrohr. (D) Segment des Innenrohrs, das zum Einführen vorgesehen ist. (E) 3D-gedruckte Komponenten und Biegebewegung im Biegeabschnitt des Innenrohrs. (F) Vollständig montierter Schlauch.

Die Antriebe der Außen- und Innenrohre bestehen aus drei Servomotoren, die über eine Riemenscheibe für Auf-/Ab- und Links-/Rechts-Traktion (DS3218 (270°-Version), Goolsky, China) sowie den Sperr-/Freigabemechanismus (FR5311M, FEETECH RC Model Co. Ltd., China). Wie in Abb. 5A gezeigt, kann der Verriegelungs-/Freigabemechanismus die Servomotoren positionieren, die über einen Riemenscheibenschlitten verfügen, um den auf den Draht ausgeübten Zug und die Reaktionskraft der Federn auf die Schiene auszugleichen. Durch die Bewegung kann die Fixierung durch Drahtspannung gelöst werden, wenn der flexible Abschnitt gebogen wird. Die Rahmen der Grundstrukturen werden mit einem 3D-Drucker konstruiert, wie in Abb. 5B dargestellt. Zusätzlich sind die Basen der Außen- und Innenrohre über einen linearen Servomotor mit 140 mm Hub (Actuonix L16, Actuonix Motion Devices Inc., Kanada) verbunden. Wie in Abb. 6A gezeigt, ist der Schaft zunächst vollständig ausgefahren und die Spitze des Innenrohrs wird in das Außenrohr hineingezogen. Durch die Verkürzung des Schafts wird das Innenrohr aus der Spitze des Außenrohrs herausgeschoben, wie in Abb. 6B dargestellt. In dieser Studie wurden diese Vorgänge überprüft und die maximalen Belastbarkeiten der Biegeabschnitte untersucht.

(A) Schematischer Aufbau des Lock/Free-Mechanismus zur Positionierung des Servomotors. (B) Bewegung des Servomotors.

Zug- und Druckmechanismus des Innenrohrs mittels linearem Servomotor. (A) Schiebebewegung. (B) Zugbewegung.

Um alle elektrischen Antriebe zu steuern, wurden die Motoren und Relaisschalter an einen Arduino Mega 2560 R3 angeschlossen, wie in Abb. 7A gezeigt, und der Controller wurde entworfen, wie in Abb. 7B gezeigt. Die Wellenlänge des linearen Servomotors (0–140 mm) und die Verschiebungswinkel (0–180 Grad) aller Servomotoren zum Antrieb der Biegebewegung wurden mithilfe des Widerstandswerts des Schiebewiderstands (RS6011Y19004, ALPS ALPINE CO.) bestimmt ., LTD., Japan). Der variable Widerstand, der die horizontale Bewegung steuert, war mit dem Knopf eines anderen variablen Widerstands verbunden, der die vertikale Bewegung steuert. Dementsprechend wurde die vertikale und horizontale Biegung über einen einzigen Knopf erreicht. Durch Einlesen des Kippschalters EIN/AUS als digitales Signal werden die Sperr- und Freizustände zugewiesen und der Verstellwinkel (0 oder 40°) des Servomotors eingestellt. Das Aufblasen und Entleeren jedes Ballons wurde über weiße bzw. schwarze Knopfschalter gesteuert, und diese wiederum wurden über Relaisschalter gesteuert, die an einen Kompressor angeschlossene Magnetventile (ACP-10A, Takagi Co., Ltd.) öffnen oder schließen. , Japan) und Vakuumpumpe (DA-40S, ULVAC KIKO, Inc., Japan).

Entwicklung des Gerätesteuerungssystems (A) Gesamtarchitektur des Geräts. (B) Controller des Geräts.

Um die Einfügung des entwickelten Geräts in ein Dickdarmmodell zu überprüfen, wurde ein durchscheinendes Dickdarmmodell verwendet (Kolonoskop-Trainingsmodell, KYOTO KAGAKU Co., LTD, Japan). Der Dickdarm wurde in die Form von Fall 1 gebracht und beim Einführen wurde Gleitmittel verwendet. Ein Ingenieur (nicht medizinisch) bediente das Gerät, indem er die Position der Gerätespitze direkt von der Oberseite des transparenten Koloskopmodells aus überprüfte. Dieser Einfügungsvorgang wurde dreimal wiederholt.

Die in dieser Studie generierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von JSPS KAKENHI (Fördernummer: 21K127120) und dem National Cancer Center Research and Development Fund (Fördernummer: 31-A-11) unterstützt.

Zentrum für exploratorische onkologische Forschung und klinische Studien, National Cancer Center, 6-5-1, Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba, 277-8577, Japan

Toshihiro Takamatsu und Hiroaki Ikematsu

Forschungsinstitut für biomedizinische Wissenschaften, Tokyo University of Science, Noda, Chiba, Japan

Toshihiro Takamatsu und Hiroshi Takemura

Fakultät für Maschinenbau, Tokyo University of Science, Noda, Chiba, Japan

Yuto Endo, Ryodai Fukushima, Tatsuki Yasue und Hiroshi Takemura

Abteilung für Gastroenterologie und Endoskopie, National Cancer Center Hospital East, Kashiwa, Chiba, Japan

Kensuke Shinmura und Hiroaki Ikematsu

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TT, HT, KS und HI haben die Forschung entworfen und durchgeführt. YE hat die 3D-Modelle entworfen. TY erwarb das Grundeigentum. YE und RF führten das Dickdarmmodellexperiment durch. TT hat das Manuskript verfasst. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Toshihiro Takamatsu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Takamatsu, T., Endo, Y., Fukushima, R. et al. Roboterendoskop mit Doppelballon und doppelt gebogenem Schlauch für die Koloskopie. Sci Rep 13, 10494 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37566-3

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Eingegangen: 14. Januar 2023

Angenommen: 23. Juni 2023

Veröffentlicht: 28. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37566-3

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