小型磁性軟機器人導(dǎo)管能夠在人體復(fù)雜的血管系統(tǒng)中實現(xiàn)遠程主動轉(zhuǎn)向?qū)Ш剑⒂行p少手術(shù)過程中對醫(yī)生和患者的輻射暴露，因此在微創(chuàng)手術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，現(xiàn)有的磁性導(dǎo)管由于缺乏原位生物力學(xué)力感知，在微創(chuàng)手術(shù)中容易導(dǎo)致組織損傷。
11月24日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院徐海峰團隊聯(lián)合中北大學(xué)李銳銳副教授、悉尼科技大學(xué)林滾滾助理教授，在小型磁控機器人導(dǎo)管的原位力感知策略方面取得重要研究進展。相關(guān)成果在期刊Biosensors and Bioelectronics上發(fā)表題為“Small-scale magnetic soft robotic catheter for in-situ biomechanical force sensing”的文章。
論文上線截圖
在本研究中，研究團隊提出了一種適用于小型磁控機器人導(dǎo)管的原位力感知策略。通過在導(dǎo)管遠端同軸集成環(huán)形永磁體和基于光纖的力傳感器，構(gòu)建了驅(qū)動與感知一體化的磁性軟導(dǎo)管（直徑為2.3mm），實現(xiàn)了遠程主動轉(zhuǎn)向?qū)Ш脚c高靈敏度生物接觸力學(xué)感知。
在管腔穿行過程中，磁性軟導(dǎo)管通過力學(xué)傳感器檢測與生物組織接觸時力的增加來識別障礙物（靈敏度達到0.38nm/mN）。主動轉(zhuǎn)向使導(dǎo)管能夠避開障礙物并繼續(xù)順利穿過管腔，從而在復(fù)雜的管腔系統(tǒng)中安全深入病灶進行精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)了主動操控與精確力測量的結(jié)合。力學(xué)反饋顯著提高了微創(chuàng)手術(shù)的安全性和效率，特別適用于肺結(jié)節(jié)經(jīng)支氣管微波消融和心房纖顫射頻消融等操作。
驅(qū)-感一體化的磁控機器人導(dǎo)管在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用。
進一步地，研究團隊驗證了該小型磁控機器人導(dǎo)管在特定微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用場景中的適用性。報告指出，0.1～0.4N范圍內(nèi)的接觸力可顯著改善心臟消融手術(shù)的效果。當(dāng)遠端磁性導(dǎo)管與組織接觸時，法向接觸力的可控性對有效進行消融具有顯著影響。
在驗證實驗中，研究團隊通過控制遠端磁性導(dǎo)管深入并引導(dǎo)至離體豬心臟的目標(biāo)病灶，通過外部磁場發(fā)生器增加磁場強度，在導(dǎo)管與目標(biāo)病灶組織接觸點迅速產(chǎn)生0.2N的初始接觸力。
利用反饋回路力控制磁性導(dǎo)管在離體豬心臟中產(chǎn)生可控接觸力。
通過固定外部磁體，保持外部磁體與環(huán)形磁體之間的距離，從而確保接觸力保持穩(wěn)定。如果力值偏離目標(biāo)值，磁場強度會動態(tài)調(diào)整，以恢復(fù)并保持所需的力水平。通過進一步提高場強，接觸力可調(diào)整至0.2～1N。這種精確的接觸力控制突出了力感應(yīng)機制在微創(chuàng)手術(shù)中的可行性。
李銳銳副教授為論文第一作者，深圳先進院徐海峰副研究員、劉源副研究員，以及林滾滾助理教授為論文通訊作者。本項目受到了研究工作獲得國家自然科學(xué)基金項目、深圳市基礎(chǔ)研究計劃等項目支持。
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