本篇文章为中国科学院院士王秋良教授团队发表在Chinese Journal of Electrical Engineering2023年第1期专栏的综述文章，题为《Magnetic Actuation Systems and Magnetic Robots for Gastrointestinal Examination and Treatment》。对本文内容感兴趣的朋友可以点击文末的“阅读原文”或扫描下方二维码，免费获取全文阅读。

论文亮点

磁驱动技术和磁性机器人为全球高发病率和死亡率的消化系统癌症的早期筛查和治疗提供新的诊疗手段。本文主要综述了磁驱动系统和磁性机器人在消化道诊疗中的研究现状，为该领域的学者提供磁驱动技术研究的综合参考手册。本文阐述了磁驱动的基本原理和磁场安全性，介绍了磁驱动系统的设计、制造、控制和性能参数以及针对消化道不同部位各系统的适用性和局限性，分析了不同类型和功能的磁性机器人的特征和优势，最后总结和展望了磁驱动技术的未来发展及挑战。

研究背景

根据2020全球癌症数据统计，消化系统癌症的发病率和死亡率排名第一，其中结直肠癌、胃癌和食管癌排名前十，严重威胁着人类的生命和健康。早期有效的检查成为了提高癌症生存率的重要途径。以胃癌为例，早期胃癌的术后5年存活率可达90%以上，几乎都能痊愈，但如果是中晚期发现，术后5年存活率仅有20%。在临床实践中，传统的柔性内窥镜检查被认为是早期筛查和治疗胃肠道病变的金标准。然而，患者的疼痛、恐惧、交叉感染和医疗资源的不平衡成为了限制广泛早期筛查的主要原因。

将传统诊疗技术与机器人技术集成可以将其转化为新型诊疗手段，从而为上述问题提供新的解决方案。现如今已经开展了利用气或液压、机电和混和方式为机器人提供驱动动力的多种方向研究。然而，相比于磁驱动，其他驱动方式的效果并不理想。磁驱动技术是通过外部施加磁场，导航和控制磁性机器人，以实现多种新型的诊断和治疗的大型集成化医疗技术。从磁学的角度来看，磁场提供了远距离操纵物体的可能性，并且其穿透人体组织而不会对患者造成任何伤害，因此对于医疗应用是安全的。该技术结合医学影像及定位技术，可以达到定向精准和快速定位治疗的目的，给胃肠治疗带来了极大的便利。本文针对磁驱动技术在消化道诊疗的应用，介绍了磁驱动系统和磁性机器人研究现状，侧重技术细节，主要为该领域的学者提供磁驱动技术研究的综合参考手册。在文章中，首先对磁驱动的基本理论和磁场安全性进行阐述。然后，综述了国内外主要机构及实验室磁驱动系统和磁性机器人的重要研究现状，适当结合临床数据展示其效果和局限性。最后总结和展望了磁驱动技术从实验室走向临床面临的挑战。

研究内容

通对磁驱动技术消化道领域应用的文献调研，本文主要介绍磁驱动系统，根据系统的磁场产生方式和驱动方式结合将其分为三大类：手持式永磁驱动、机械臂式永磁驱动和电磁驱动系统。该三大类系统分别从国内外实验室技术发展的角度详细介绍了磁驱动技术创新方然的提出和关键问题的解决。另外，介绍了消化道诊疗开发的磁性机器人现状，根据磁性机器人的灵活性特征，将其分为系留磁性机器人和无系留磁性机器人。针对不同诊疗功能，选取了典型进行了详细的介绍和总结。最后，对其技术挑战进行了总结和展望。

研究结果

磁驱动系统和磁性机器人应用于消化道诊疗受到国内外广泛关注，尽管在系统、控制和磁性机器人等方面的关键技术均有所突破，但是针对消化道的检查只有针对胃部的磁控胶囊内窥镜系统获得了商业化应用，但依然存在需要复杂的胃部准备和无法活检等问题。消化道的其他部位（食道、小肠和结直肠）依然处于临床前研究阶段。另外，针对消化道的治疗和活检的磁性机器人大部分处于实验室阶段，因此，加快磁驱动技术在消化道应用的临床转化仍然具有挑战性和必要性。下图展示了从实验室走向临床的主要挑战因素，分别从磁驱动系统、定位、安全性、控制、磁性机器人设计和制造进行总结。

研究结论

本文主要综述了两方面的研究进展：磁驱动系统和磁性机器人，以期望提供更有效的方法来检查和治疗消化系统疾病。磁驱动系统是磁性机器人的能量源泉，随着机器人技术和深度学习的发展，磁驱动系统从手动直接控制发展到半自主导航控制，从单一部位检查发展到多部位检查，从单一驱动模型发展到多模式融合控制，从单体控制发展到群体控制，综合提高了系统的驱动能力，极大的提升了系统驱动磁性机器人的灵活性，解放了医生的双手。另外，磁性机器人是消化道诊疗与检查的重要工具和载体，依据自身的高度灵活性和微小尺度，可以实现检查、活检和携带微型手术工具、药物定点输送和消化道环境样本的采集等多种功能，能够进入消化道的深部进行诊治。该技术革新了消化道诊疗的检查和治疗手段，为消化道癌症的早期筛查提供了重要支撑。

团队介绍

团队带头人介绍

王秋良，中国科学院院士，中国科学院电工研究所研究部主任，研究员，中国科学院大学教授。1986年毕业于湖北大学获学士学位，1991年中国科学院等离子所获硕士学位，1994年中国科学院研究生院获博士学位，1996年日本九州大学做博士后，同年华中科技大学副教授。之后10余年在韩国电气研究所、三星高等技术研究院、英国牛津仪器公司、德国重离子研究中心、澳大利亚伍隆贡大学、澳大利亚昆士兰大学等做访问及美国MIT核物理实验室客座教授。长期致力于极端电磁装备的基础理论与工程技术研发，创造了超导磁体世界最高磁场记录，研发出亚洲最高磁场人体全身磁共振成像系统、固体核磁共振波谱仪、无液氦大分裂和短腔宽孔的人体全身磁共振成像磁体、世界首套空间强磁探测与偏转磁体。其研究成果已用于大科学设施、医疗、工业以及特种装备等领域。发表论文668余篇，其中SCI收录335余篇，专著6部(英文专著3部)。论著SCI他引6461次。中国发明专利授权175件、美国发明专利授权16件、国际PCT专利22项、GF专利13、软件著作权15件。以第一完成人获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖4项和安徽省特等奖、中国科学院杰出成就奖、美国NASA奖、联合国世界知识产权组织(WIPO)金奖、日内瓦国际发明金奖和何梁何利科学技术进步奖等。是国家杰出青年基金、“WR计划”和中国科学院“BR”计划获得者、中国科学院先进工作者。美国MIT客座教授，AMS重大国际合作计划Team Leader，科技部“大科学装置前沿”领域总体专家成员。担任多个国际期刊的副主编和编委。

刘建华，中国科学院电工研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，上海交通大学客座研究员/博导，中国医学装备协会转化医学分会委员，科技部国家重点研发计划首席科学家（项目负责人），基金委重大项目课题负责人，科技部重大科学仪器设备开发重点专项技术专家组专家，《SUST》最佳引用论文奖（TOP CITED PAPER AWARD）、《SUST》、《IEEE Trans. Appl. Supercond.》、《中国物理》等期刊审稿人。长期在电气工程领域致力于极高磁场强磁装备的理论研究和工程化应用研究，特别是在高磁场超导磁体、高温超导磁体、医用介入磁导航装备以及静电、磁悬浮支承系统等方面做出了系统的创新性成果，已用于大科学设施综合极端条件实验装置极高磁场超导磁体、心脏介入磁导航系统、惯性导航以及国防装备等领域。目前已发表学术论文100余篇，其中SCI检索66篇，EI检索14篇，论著Google学术引用757次(SCI他引510次)，获国家发明专利授权33项,实用新型专利授权1项。主持科技部重点专项项目、国家自然科学基金重大项目课题、面上项目、JW科技委项目、国家863专项等课题9项，执行负责国家大科学工程综合极端条件实验装置项目、院重点项目以及科技部‘十二五’科技支撑计划项目子课题、院STS项目等5项，参与其他国家级项目10余项，并获得2017年军队科学技术进步二等奖和2022年日内瓦国际发明展金奖。

团队研究方向介绍

中国科学院电工研究所超导磁体及强磁场应用研究部主要从事超导强磁场技术的研究与开发，其研究方向包括:

(1)复杂形位和特殊冷却方式的极高磁场应用超导磁体科学与技术；

(2)超导磁体工艺、机械特性、失超保护、低温工程和低温传质传热；

(3)核磁共振（NMR）和核磁共振成像（MRI）超导磁体技术；

(4)工程电磁场分析及大规模的计算和磁体结构优化；

(5)特种超导电工装备技术的研究，包括空间磁体科学技术、加速器磁体科学、医学介入磁导航技术（磁驱动和磁性机器人）、超导储能磁体技术和高精度超导磁悬浮装置等；

(6)超导强磁场在磁分离、生物效应和材料处理等方面应用研究。

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