城市工業化和大氣環境污染的影響，患有鼻炎患者的群體越來越大。目前中國內地鼻炎患者已超過3億。其中，患有慢性鼻竇炎（CRS）患者超過1億人，另外亟需手術治療的重度患者有700萬。功能性鼻竇內窺鏡手術 (FESS) 是一種使用直硬性內窺鏡用于CRS 的微創外科手術，在通過鼻孔到上頜竇狹窄、彎曲的通道時，需要切除骨和軟組織，這可能導致潛在的致命神經血管損傷。

市場上手術及診斷配備的功能性鼻竇內窺鏡大多為國外品牌，其中史托斯和奧林巴斯占領 50%以上的市場。工業和信息化部等十部門聯合印發的《“十四五”醫療裝備產業發展規劃》中，強調“要重點突破醫用內窺鏡等影像診斷設備 的戰略目標，推動國產高端內窺鏡領域的技術發展”。目前已商品化的軟/柔性耳鼻喉內窺鏡主要應用于鼻腔、鼻道的檢測，現有柔性電子鼻咽鏡產品末端大多采用一個自由度，無傳感感知功能，無法實現空間多自由度彎曲以及3D高清成像，存在如圖1所示的缺陷，難以進入鼻竇。因此，研發具有我國自主產權的國產高端鼻腔內窺鏡，具有重要的戰略意義和實際應用價值。

圖1 現有內窺鏡的缺陷

MEMS掃描鏡因其微型化、掃描頻率高和低成本等優勢，正引領著在體醫療成像等領域的技術革命；定量相位成像技術因其具備非常高的橫向分辨率、時間相位穩定性和空間相位均勻性等優點，廣泛應用于生物組織的三維成像方面。為此，針對鼻竇的生理結構特性以及手術實際需求，本成果開發一種基于MEMS掃描鏡的鼻竇柔性機器人內窺系統，除具備高清、3D成像功能外，還具備多自由度主動控制、末端接觸力實時感知功能，并能提供生物組織物理信息，以輔助醫生判斷病變組織，實現在疾病診斷和手術治療等方面的應用，具有重要的理論意義和臨床診斷價值。相關技術包括：

（1）面向實際手術需求的鼻竇內窺鏡執行機構優化設計技術

為了使內窺鏡多自由度執行機構的結構參數更符合人體鼻竇生理結構特性，需基于統計形狀模型（SSM），對鼻竇CT數據進行圖像分割、圖像配準和圖像重建，并根據所重建的三維結構，確定鼻腔內窺鏡的工作空間，進而確定其基本的功能參數。在此基礎上，根據最大彎曲角度、彎曲長度、載荷等要求，建立執行機構尺寸參數的優化模型，基于啟發式算法求解，獲得滿足功能要求約束下的執行機構尺寸參數最優解。最后根據最優參數，設計鼻竇窺鏡執行機構的三維模型，進行飛秒激光加工，從而得到滿足耳鼻喉鼻竇內窺鏡需要的執行機構工程樣機。

圖2 面向實際手術場景需求的執行機構結構優化設計流程

（2）鼻竇內窺鏡感知傳感技術

擬采用FBG傳感器螺旋分布在內窺鏡執行機構表面，形成執行機構形狀傳感器。建立管內彎曲曲率和扭轉到軸向和剪切應變的映射模型，得到每個光纖光柵傳感器的曲率-應變模型，進而建立四個螺旋纏繞FBG傳感器的曲率、扭轉和應變的線性關系，計算出曲率和扭轉的測量值，從而得到執行機構彎曲形狀，通過執行機構彎曲變形時每一點的曲率得出末端的位置。

圖3 已創建的螺旋分布式 FBG 傳感器原型

（3）多傳感器數據融合控制技術

針對鼻竇柔性機器人系統和裝配的傳感器（包括電機上的力傳感器，FBG內窺鏡的圖像信息等），設計傳感器數據融合架構，從而獲得高精度、魯棒的、一致的末端位姿控制。針對當前單一控制算法精度有限的問題，研究基于驅動力及摩擦力和滯回補償模型，結合基于FBG數據及內窺鏡柔性驅動的運動學模型而得到的末端的位置以及視覺數據等信息，實現數據和算法耦合，提高控制算法的精確性、實時性和穩定性，多數據融合控制。

圖4 已創建的螺旋分布式 FBG 傳感器原型

（4）基于MEMS掃描鏡的3D高清柔性成像系統微型化技術

基于MEMS掃描鏡的3D高清柔性成像系統微型化技術包括：

①MEMS掃描鏡：開展MEMS掃描鏡結構設計與優化、掃描路徑控制與優化、制作與測試；

②光纖式全息高清成像系統：蒙特卡洛模擬照明光在組織的傳播路徑和光能分布；利用Zemax軟件仿真內窺鏡探頭的微物鏡組，設計符合手術要求的微物鏡尺寸；結合全息成像原理，設計模塊化的光路，從而實現高清成像；將探頭部分與成像部分靈活適配，具備顯微技術優勢的同時，保持探頭的微小尺寸和便攜性；

③針對圖像處理與三維重建算法，利用兩幀拼接法實現實時的流暢拼接；結合后處理拼接，根據圖像在整個拼接中的最佳擬合來配準圖像，提升拼接質量，降低變形；采用深度學習的方式，輸入記錄得到的光場深度信息，利用卷積神經網絡訓練張量，引入物理中的菲涅爾衍射，模擬人眼視覺處理方式，實現三維全息投影，解決3D重構時計算量大、耗時長、硬件要求高的問題；純相位全息圖發掘最佳編碼，從而避免復雜計算，準確、實時地恢復出3D效果，并解決背景遮擋帶來的影響。

圖5 光纖式全息高清內窺式成像技術光路原理設計方案圖