Nature Communications | 主動(dòng)導(dǎo)航微型可調(diào)剛度機(jī)器人賦能介入手術(shù) 實(shí)現(xiàn)小腔道精準(zhǔn)取樣與靶向轉(zhuǎn)運(yùn)
在支氣管、腦血管、輸卵管等狹窄而曲折的自然腔道中開展微創(chuàng)介入手術(shù),始終是臨床實(shí)踐中的重大挑戰(zhàn)。理想的介入器械需要在不同操作階段實(shí)現(xiàn)可控的力學(xué)響應(yīng):一方面,具備足夠的柔順性,以安全穿行于分叉和彎曲的腔道結(jié)構(gòu);另一方面,在相對(duì)筆直的通道或抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域時(shí)保持必要的剛度,以避免導(dǎo)管打卷并確保穩(wěn)定操作。然而,現(xiàn)有微導(dǎo)管的力學(xué)性能大多在制造階段便已固化,缺乏一種微型化、非破壞性且易于系統(tǒng)集成的動(dòng)態(tài)剛度調(diào)節(jié)手段,難以適應(yīng)介入路徑中不斷變化的機(jī)械環(huán)境。這一局限不僅增加了手術(shù)操作難度,也在一定程度上制約了微創(chuàng)介入技術(shù)在復(fù)雜腔道中的進(jìn)一步應(yīng)用。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所徐海峰研究員團(tuán)隊(duì)在磁控微米機(jī)器人導(dǎo)管領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于磁性螺旋形機(jī)器人的微機(jī)器人系統(tǒng)(Helixoft),該系統(tǒng)可無縫集成至商用微導(dǎo)管中,首次在微米尺度實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程且無損的磁控可編程剛度調(diào)節(jié),并兼具主動(dòng)轉(zhuǎn)向能力。該研究成果在Nature Communications上發(fā)表,論文題目為"Magnetically controlled microrobotic system for programmable stiffness tuning and active steering of microcatheters"。
為應(yīng)對(duì)磁驅(qū)變剛導(dǎo)管在尺寸、安全性和遠(yuǎn)場(chǎng)操控方面的限制,Helixoft系統(tǒng)通過將剛性磁性螺旋結(jié)構(gòu)與柔性微管相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了磁響應(yīng)能力與機(jī)械順應(yīng)性的協(xié)同設(shè)計(jì)?;凇安牧洗呕骷Y(jié)構(gòu)—磁場(chǎng)模式”三位一體的設(shè)計(jì)框架,研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種將磁驅(qū)螺旋運(yùn)動(dòng)與磁致彎曲相結(jié)合的解耦控制策略,在單一外部磁場(chǎng)作用下即可實(shí)現(xiàn)微導(dǎo)管剛度調(diào)節(jié)與主動(dòng)轉(zhuǎn)向的獨(dú)立遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)專為狹窄敏感的小腔道環(huán)境而設(shè)計(jì),可集成至直徑小至300微米的商用微導(dǎo)管中,實(shí)現(xiàn)跨越40倍范圍的連續(xù)剛度調(diào)節(jié)。通過建立描述其力學(xué)行為的理論模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)Helixoft微導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精確預(yù)測(cè)。此外,Helixoft微導(dǎo)管具備良好的功能擴(kuò)展性,不僅支持多節(jié)段分布式、相互獨(dú)立的剛度調(diào)節(jié),還可集成微型攝像探頭、電極或激光光纖等模塊,為實(shí)時(shí)成像、組織消融和多模態(tài)微創(chuàng)介入操作提供支持。在多例活體動(dòng)物支氣管模型中,研究團(tuán)隊(duì)在Helixoft系統(tǒng)中集成了微型成像器件,并結(jié)合臨床影像設(shè)備與自主搭建的導(dǎo)管推進(jìn)機(jī)構(gòu),開展了基于雙模態(tài)影像引導(dǎo)的磁控導(dǎo)航與靶向藥物轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)。通過血液炎癥反應(yīng)檢測(cè)和組織學(xué)分析等系統(tǒng)性評(píng)估,驗(yàn)證了該系統(tǒng)在體內(nèi)應(yīng)用中的可行性與安全性。同時(shí),還完成了輸卵管離體器官模型中精準(zhǔn)取樣演示。
Helixoft微機(jī)器人系統(tǒng)為微創(chuàng)介入器械提供了一種全新的“機(jī)器人賦能”技術(shù)范式。通過在單一外部磁場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)器械力學(xué)性能與運(yùn)動(dòng)形態(tài)的實(shí)時(shí)重構(gòu),該系統(tǒng)有望突破傳統(tǒng)介入工具在復(fù)雜腔道環(huán)境中的操控瓶頸。其良好的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)兼容性,也為與成像、治療及感知模塊的深度融合奠定了基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善,Helixoft微機(jī)器人系統(tǒng)有望在精準(zhǔn)取樣、靶向遞送及智能介入等應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用,為下一代智能化、低損傷的微創(chuàng)介入手術(shù)提供新的技術(shù)支撐。
課題組劉源副研究員、博士研究生黃靜和研究助理趙旭輝為共同第一作者,徐海峰研究員為本文獨(dú)立通訊作者。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖1?具備磁驅(qū)遠(yuǎn)程變剛和主動(dòng)導(dǎo)航能力的Helixoft介入機(jī)器人導(dǎo)管
附件下載: