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需求分析

消化道系统疾病是人类社会中最常见的疾病之一，无论年龄、性别还是地域，几乎所有人都经历过消化道系统疾病的困扰。随着年龄的增长，罹患消化道系统的概率与频率将不断增长，而在当今21世纪的全球人口达到人类历史顶峰和社会老龄化现象逐渐蔓延的情况下，消化道系统疾病将会给各国的社会保障体系和医疗保健系统造成前所未有的压力[1-7]。据相关数据统计[1, 7]，胃溃疡或十二指肠消化性溃疡在欧洲人群中的总患病率为4.1%，在中国人群中总患病率则为17.2%，而胃病的全球人群中的总患病率更是高达50%，胃癌不仅是四大常见癌症之一，还是常见癌症中第二大死亡诱因。

尽管消化道系统疾病种类繁多、疗法复杂，但是定期的筛查与发生异常时的诊断肯定是治疗消化道系统疾病必不可少的一环。内窥镜不仅是临床上进行疾病诊断的常见手段，也是检查消化道系统疾病的金标准[5-10]。具体而言，胃肠道约有9米，其中，小肠约占三分之二，易患有出血、溃疡、吸收不良、炎症、狭窄、息肉和癌症等疾病。然而，传统的光导纤维内窥镜存在结构上粗硬、成像质量较差等问题，进一步来说，基于有线信号传输与机械传动的侵入性有线内窥镜难以深入消化道进行观察，特别是实现全小肠的检查[5-8]。于是，本文基于内窥镜在消化道系统疾病的诊疗过程的重要地位，总结了三类新型内窥镜以进行创新医疗器械的需求筛选，并最终确定磁控胶囊式内窥镜系统为当前国内该领域的医疗器械创新方案首选。

总而言之，本文旨在：针对 1)有线内窥镜检查范围以外的消化道部位（例如小肠）疑似病变的患者；2)麻醉、镇静或止痛药等风险高的患者，来设计一种无创检查消化道的内窥镜系统，其应当能够有效检查全部小肠，并克服有线内窥镜必须实施麻醉、操作技术要求高、患者不适感重导致的依从度低，以及容易造成消化道组织创伤等问题。

产品定义

工作原理与设计指标

人体消化道系统组成复杂，不同部位具有不同的物理化学特征，因此必须根据需求专门开展相应的胶囊内窥镜系统设计。具体而言，人体食道短且吞咽胶囊内窥镜时速度较快，因此需要具备多摄像头系统、广角光学镜头以及高速摄影功能的胶囊内窥镜；在检查胃部情况时，则需要动力性能好、可操控性强，以及图像传输帧率快的胶囊内窥镜；而在检查狭窄曲折的小肠时，一般可以通过肠道蠕动进行缓慢细致的检查，因此需要更小尺寸和更长续航的胶囊机器人，而对图像传输帧率的要求反而不高[7]。

然而，不管是针对消化道系统哪一部分的检查，现有的胶囊内窥镜系统都可以归结为以下4个关键技术的集成，分别是：

1.互补金属氧化物半导体技术（CMOS）

2.专用集成电路技术（ASIC）

3.微型发光二极管技术（LEDs）

4.无线通信技术（Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, RF）

实际上，商业胶囊内窥镜系统首发于2000年，名为M2A，由以色列的Given Imaging公司发布，并于2001年获得FDA临床试验许可[7, 12]。时至今日，胶囊内窥镜已从仅靠胃肠道蠕动而位移以及受限的镜头拍摄视角的被动检查方式，发展到了如今可基于外部磁场或自身执行机构来调整姿态或运动的主动检查方式，因而又可称胶囊内窥镜为胶囊机器人[1, 2, 6, 13-16]。综上所述，本文认为合格的消化道疾病（特别是小肠疾病）筛查/诊断胶囊式内窥镜机器人应当按照如下方式设计：

1.生物相容材料外壳

如医用不锈钢316L与317L、铂基合金、钛基合金以及硅酮弹性体等。为了进一步保证生物安全性，也可对外壳进行表面处理，比如覆盖聚四氟乙烯或膨体聚四氟乙烯涂层。

此外，若考虑到胃肠道蠕动功能障碍，或肠道过于狭窄的患者，也可采用复合外壳结构设计：用一层薄薄的硅酮弹性体构成最内层壳，或由其分别封装各个部件，而外层全部采用具有一定机械强度的生物可降解材料以提供初始的物理支撑，例如糖类、水凝胶类或其他可降解高分子聚合物。在完成任务后，胶囊内窥镜机器人的相当一部分便可在消化道中逐渐降解，因此尺寸进一步缩小，刚度显著下降，从而具有很大的顺应性，以便通过后续的消化道。

2.长续航能源供应

最基础的能源可由若干枚微型氧化银纽扣电池提供，但考虑到小肠较为狭窄这一物理特征，因而必须要优先保证胶囊机器人的小尺寸，再确定纽扣电池的数量。进一步而言，可采用功率密度更大的锂离子聚合物电池，或者直接利用无线电力传输技术（WPT），即借助外部交变磁场促使体内胶囊机器人的线圈产生感应电势与电流。

3.高质量图像采集

摄像系统构成的两个基本要素为相机与照明，胶囊机器人也不例外。目前，胶囊机器人图像信息处理与控制器主要基于MCU和FPGA两种方式，图像传感器一般采用CCD相机或CMOS相机，具体的镜头数量从1个到4个不等。一般来说，CMOS相较于CCD尺寸和功耗更小，但CCD的整体成像质量要高于CMOS。值得注意的是，伴随相机必不可少的元件还有若干数量的LED照明光源，这也是胶囊机器人主要的功耗来源之一。

考虑到全小肠检查需求与医疗器械使用风险，本文认为，保证续航时间才是首要任务，其次是缩小胶囊机器人尺寸，最后才是提高成像质量。因此，可以采用单镜头的CCD相机与至少3个LED光源；或者采用双镜头的CMOS相机与至少6个LED光源。LED光源应该绕镜头呈圆周分布，并由控制器以较低频率闪烁的方式工作，以适应小肠蠕动缓慢的特性，节省能源。如果胶囊尺寸还是太大或功耗还是太高，图像采集系统可以更改为单镜头的CMOS相机。

4.图像信息无线传输

图像信息的传输对临床即时诊断非常重要。一般来说，图像的高帧率传输不仅代表着流畅的视频成像，同时意味着更高的功耗，这使得图像传输系统难以跟图像采集系统协调设计，即难以在成像视频的清晰度和流畅度之间妥协。况且跨人体的信号传输，会产生严重的衰减与噪声。几种无线信号传输技术中，Wi-Fi的传输性能最好，但功耗也最高，考虑到小肠的检查无需过高的帧率，因此，可采用Bluetooth或RF进行传输，若帧率要求更低，或功耗过大，也可采用ZigBee进行传输。

5.运动控制与机器定位

运动系统区别开了传统的胶囊内窥镜与胶囊机器人。运动系统的构建使得胶囊内窥镜克服了运动不可控的缺点，实现了姿态调整和机械位移等功能，能够选择性地采集图像信息，专门观察疑似病变部位，从而进一步提高大规模筛查的可能性与临床诊断的可靠性。一般来说，胶囊内窥镜实现主动运动的方式主要分为在机载驱动装置或外源力场装置两种。机载驱动装置的结构有腿足式、组合履带式或螺旋桨式等，其动力源一般来自形状记忆合金或直流电机。

然而，对于全小肠检查的长续航胶囊机器人，由外部提供动力的磁力驱动胶囊机器人或许更为合适。事实上，磁控胶囊机器人的动力源仅是一块机载的永磁铁，它本身结构较为简单，但随之而来的是必须要搭配体外的大型磁场发生与控制装置，这也是主要的成本来源和难点。

此外，为了后期进一步对疑似病变部位进行诊断和针对性治疗，必须要考虑如何定位胶囊内镜机器人。对此，既可以直接参考商业上最常用的磁定位方法，也可考虑更为新颖的方法，例如，射频三角测量技术：一种根据信号强度变化来计算胶囊的运动距离[7, 17]。

6.未来将要发展的功能

对于消化道系统而言，单纯依靠可视化不一定就能高效地实现大规模筛查和疾病诊断的目的。在未来，胶囊内窥镜机器人可以进一步集成pH传感器、温度传感器、湿度传感器、血液传感器以及压力传感器等系统，实现消化道的多模态传感和多信息融合，提高产品效益和临床意义。

胶囊内窥镜机器人的设计构型和控制方案的相关报道众多[1, 2, 14, 18, 19]，此处不再赘述。

用户分析与安全分析

胶囊内窥镜机器人的用户很明确：患者与医生。具体而言，在整个过程中，患者可根据临床检查需要，选择性地进行清水灌肠处理，或服用足量聚乙二醇溶液等胃肠道准备工作后，再吞咽胶囊内窥镜机器人，并身着相应的信息接收器或传感器；而医生则要在患者吞咽胶囊内窥镜后，观察病患是否有不良反应，并操作医疗影像设备与磁力控制设备，直到获取足够的信息。

相比有线内窥镜的准备工作与检查过程而言，使用胶囊内窥镜机器人进行疾病筛查与诊断的患者不仅无需做过多的胃肠道准备，对其禁食的要求也不高，还不影响当天的日常活动，也无需停止服用日常必需的药物；医生在临床上无需对病患进行麻醉或镇静，也能很大程度上减少穿孔、出血等并发症，还不用考虑因患者心肺功能问题带来的限制（除非患者本身装有心脏装置）。此外，胶囊内窥镜机器人本体也并不昂贵。总之，磁控胶囊内窥镜机器人是一款操作方便、不适感低、并发症少的用户友好型产品，且能可视化有线内窥镜难以抵达的消化道部位。

然而，胶囊内窥镜系统同样存在安全风险。例如，患者存在认知功能障碍，不能按照手术指示吞咽胶囊内窥镜机器人，而是咬合胶囊致使其损坏。这种风险同样存在于具有吞咽功能障碍、食道狭窄以及胃轻瘫的患者身上。幸运的是，该类问题一定程度上可以通过有线内窥镜递送胶囊机器人至远端的方式来解决。然而，胶囊滞留体内才是胶囊机器人的主要风险，因此该内窥镜方式不适用于具有小肠梗阻、慢性粘连以及狭窄等问题的患者，具有该类病症。具体而言，医生应当根据病患的病史以及临床表现来选择是否使用胶囊内窥镜。

此外，装有左心室辅助装置（不包括心脏起搏器和植入型心律转复自动除颤器）的患者以及孕妇也应当谨慎使用胶囊机器人[8]。总之，胶囊内窥镜机器人首先应该确保产品本身具有足够稳定性，例如防水抗蚀能力、电池不易发生故障以及足够的机械强度与韧度，以防胶囊在体内发生破碎或泄露；并应当具有风险反馈功能，在发生意外情况时主动停止工作，减少或完全停止输出功率以防漏电，只保留定位信号，方便后续通过服用泻药或手术来取出胶囊。

测试方案

产品测试方案应该根据行业标准以及所在地区法规（具体细节见下一章）来制定，以下简要阐述计划进行的测试方案：

1.化学成分测试：取相应的材料（例如外壳金属材料）进行化学成分分析试验，检验材料是否合格。

2.机械强度测试：取产品进行拉压试验与弯曲试验，测定产品的应力－应变曲线。

3.光学成像测试：在全黑的密闭环境下放置待观测样品，测定产品的成像能力。

4.溶解析出物测试：取样品加入纯水中，并在体温环境下浸提72小时，再分离样品与液体，冷却至室温，将其作为检验液，观察外观，并测试pH值，重金属或其他危险物质的溶出物浓度。

5.生物相容性测试：向检验液加入相应营养物质配置成培养基来培养细胞，测定细胞14天生长曲线，以衡量细胞毒性。

6.系统性能测试：首先进行仿体试验测试胶囊内窥镜系统的工作性能（包括运动控制、实时成像与信号传输速率）是否达标。在此基础上进一步进行动物试验来测试胶囊内窥镜系统的生物相容性与工作性能。最后，在反馈结果积极的情况下，再进行三期临床试验。

法规标准

行业标准

目前，中国国家药品监督管理局已于2016年批准发布YY1298—2016《医用内窥镜 胶囊式内窥镜》医疗器械行业标准，并于2018年1月1日起实施，又于2019年批准发布YY1298—2016的第1号修改单，具体信息参考国家药品监督管理局公告（索引号：BZGG-2020-117）。

YY1298—2016《医用内窥镜 胶囊式内窥镜》医疗器械行业标准的前4章规定了术语、定义和要求，在第5章推荐了试验方法，并第6章指出检验规则应由制造商根据产品而定。本文在此就不多加赘述，具体细节可参考相关文档。

法律规定

中国国家药品监督管理局公告显示，根据《医疗器械监督管理条例》（中华人民共和国国务院令第650号）第八章附则中医疗器械定义：医疗器械是指直接或者间接用于人体的仪器、设备、器具、体外诊断试剂及校准物、材料以及其他类似或者相关的物品，包括所需要的计算机软件。医疗器械的使用旨在达到下列预期目的：

1.对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解。

2.对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿。

3.对解剖或者生理过程的研究、替代、调节或者支持。

4.对生命的支持或者维持。

5.妊娠控制。

6.通过对来自人体的样本进行检查，为医疗或者诊断目的提供信息。

中国根据医疗器械产品安全性对医疗器械进行分类管理。分类目录由国家食品药品监督管理部门依据医疗器械分类规则制定：I类是风险程度低，实行常规管理可以保证其安全、有效的医疗器械。如：外科用手术器械（刀、剪、钳、镊、钩）、刮痧板、医用X光胶片、手术衣、手术帽、检查手套、纱布、绷带、引流袋等。Ⅱ类是具有中度风险，需要严格控制管理以保证其安全、有效的医疗器械。如医用缝合针、血压计、体温计、心电图机、脑电图机、显微镜、针灸针、生化分析系统、助听器、超声消毒设备、不可吸收缝合线等。Ⅲ类是具有较高风险、需要采取特别措施严格控制管理以保证其安全、有效的医疗器械。如：植入式心脏起搏器、角膜接触镜、人工晶体、超声肿瘤聚焦刀、血液透析装置、植入器材、血管支架、综合麻醉机、齿科植入材料、医用可吸收缝合线、血管内导管等。因此，按照我国规定，国家药品监督管理局将胶囊式内窥镜归类于Ⅲ类医疗器械。

胶囊式内窥镜机器人需要办理医疗器械注册证等审批手续后方可销售。按照规定，办理Ⅲ类医疗器械注册条件为：

1）已按照相关规定取得企业工商登记；

2）已确定申报产品为Ⅲ类医疗器械；

3）已编制完成拟申请产品的医疗器械产品技术要求，并已通过预评价。

产品应该向国家药品监督管理局申请注册，并在当地省级药品监督管理部门取得生产许可，方可进行生产与销售。申请资料与手续可通过窗口、线上和邮寄三种方式来递交与办理。我国经批准注册的胶囊式内窥镜具体信息可参考国家药品监督管理局相关数据查询。

商业模式

胶囊内窥镜机器人检查的成本－效益取决于各种因素（如国家地区、手术类型、住院与门诊环境、保险范围、设施费用、医生费用以及住院时间），因此难以确定[8]。但考虑到磁控胶囊内窥镜机器人系统往往是由体外的大型磁场发生设备、成像设备和穿戴/贴合传感器，与体内的胶囊内窥镜一同构成，且胶囊内窥镜往往要在检查结束后停留在患者体内一段时间，直到被胃肠道蠕动排出，本文认为商业模式可以如下安排：

1.构筑专利体系

体外的控制、成像与传感系统重新设计成本较高，且可替代性较高，可以直接委托设计生产，或自行组装，再申请相应的专利。

系统软件自行编写设计并申请专利。

胶囊内窥镜机器人应当尽可能具有完全的自主知识产权。

2.销售与售后维护

产品采用混合销售策略。

体外的大型装置系统提供贩售与租赁两种模式，并提供一定时间的定期维护与保修服务。

胶囊机器人作为只能贩售的可回收高级耗材，最初租赁或购买磁控胶囊内窥镜机器人系统会免费提供一定数量的胶囊机器人，若有损耗则需自行购买，每个胶囊机器人只提供一定次数的回收、维护与保修服务。

直接购买磁控胶囊内窥镜机器人系统的用户提供3到5年的免费售后服务，但期后售后服务费用8折；租赁磁控胶囊内窥镜机器人系统的用户提供2到3年的免费售后服务，期后售后服务费用无折扣。

免费提供系统基础版软件、更新以及工程师指导。软件与硬件系统（包括体外各种设备与体内胶囊机器人）高度相关，支持自行定制硬件系统，但相应的定制版软件也要自行购买，但提供免费更新。

3.广泛建立行业合作

系统自动生成标准模板的检查报告，以扩大用户受众面。

参考文献

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