用于機(jī)器人化血管栓塞的磁性柔性微纖維機(jī)器人研究

面對(duì)傳統(tǒng)栓塞治療方法在操作手法限制、精確度不足，以及醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間暴露于輻射下的健康風(fēng)險(xiǎn)等方面的挑戰(zhàn)，磁性微纖維機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)提供了一種新的可能性，旨在改善現(xiàn)有的治療方法。

華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、陶光明教授、上海交通大學(xué)的楊廣中院士以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授合作，在血管機(jī)器人栓塞領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)在Science Robotics上發(fā)表了關(guān)于磁性微纖維機(jī)器人（microfiberbots）技術(shù)的研究，題為“Magnetic soft microfiberbots for robotic embolization”（用于機(jī)器人化血管栓塞的磁性柔性微纖維機(jī)器人），這項(xiàng)技術(shù)為治療腦動(dòng)脈瘤和腦腫瘤的微創(chuàng)介入方法提供了新的方向。

本文提出使用具有高度操控性、可靠的機(jī)動(dòng)性和多模態(tài)形狀重重構(gòu)能力的磁性軟微纖維機(jī)器人，通過(guò)遠(yuǎn)程、無(wú)纜、磁控的方式，在亞毫米區(qū)域內(nèi)執(zhí)行機(jī)器人栓塞。該磁性軟微纖維機(jī)器人通過(guò)將硬磁軟復(fù)合材料熱拉制成百米長(zhǎng)的微纖維，所得磁性軟纖維的直徑可以在20-90μm的超細(xì)范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)。盡管尺寸很小，但這種超細(xì)、柔軟的磁性纖維保留了其熱塑性特性。

隨后經(jīng)過(guò)磁化和塑模編程，賦予其螺旋磁性極性。通過(guò)控制磁場(chǎng)，磁性軟微纖維機(jī)器人展示了在流動(dòng)條件下可逆的延長(zhǎng)/聚集形態(tài)變換和螺旋推進(jìn)，允許其通過(guò)復(fù)雜的血管系統(tǒng)進(jìn)行可控導(dǎo)航，并在亞毫米區(qū)域內(nèi)執(zhí)行機(jī)器人栓塞。本文在神經(jīng)血管模型中進(jìn)行了體外動(dòng)脈瘤和腫瘤的栓塞，以及在活體兔股動(dòng)脈模型中進(jìn)行了實(shí)時(shí)熒光透視下的機(jī)器人導(dǎo)航操控及栓塞。這些實(shí)驗(yàn)展示了該工作的潛在臨床價(jià)值，為未來(lái)的機(jī)器人輔助栓塞手術(shù)方案鋪平了道路。

圖1 用于機(jī)器人栓塞的磁性軟微纖維機(jī)器人。A 微纖維機(jī)器人多模態(tài)形狀重構(gòu)及機(jī)器人栓塞示意圖。B 磁性微纖維熱拉制、磁化及塑膜編程示意圖。C 多種直徑的磁性微纖維的照片。D 微纖維機(jī)器人的照片。E 微纖維機(jī)器人在腦部假體上的實(shí)物圖。

微纖維機(jī)器人展示出類似血管支架的錨定功能，能夠通過(guò)接觸摩擦力穩(wěn)定地錨定于血管內(nèi)壁，避免被血流沖走。其螺旋磁化分布（M）為微纖維機(jī)器人提供了沿其中心軸線的凈磁化方向（Mnet）。通過(guò)施加一個(gè)與Mnet方向一致的外部磁場(chǎng)B，可以使微纖維機(jī)器人伸長(zhǎng)；反之，當(dāng)外部磁場(chǎng)B與Mnet方向相反時(shí)，微纖維機(jī)器人則會(huì)聚集。這種微纖維機(jī)器人的柔軟性和高魯棒性確保了其在超過(guò)千次的聚集與伸長(zhǎng)循環(huán)操作后，其形態(tài)重構(gòu)功能仍保持完全可逆。

圖2 模擬血液流動(dòng)環(huán)境下的形態(tài)變換能力和磁性操控性。A 微纖維機(jī)器人在錨定、伸長(zhǎng)及集聚狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)照片及仿真對(duì)應(yīng)。B 磁場(chǎng)拉伸、原位集聚及螺旋進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)操控示意圖。C 微纖維機(jī)器人在外加磁場(chǎng)下伸長(zhǎng)、集聚、螺旋進(jìn)動(dòng)及磁性拉伸的多模態(tài)磁控示意圖。D 微纖維機(jī)器人在無(wú)外加磁場(chǎng)下原位錨定、外加磁場(chǎng)下逆流、順流螺旋進(jìn)動(dòng)及磁性拉伸、集聚和恢復(fù)的照片。

不同于之前報(bào)道的磁性軟體機(jī)器人，微纖維機(jī)器人的螺旋磁化方向特性使其變形和運(yùn)動(dòng)方式能夠獨(dú)立于控制磁場(chǎng)正交解耦，提供了獨(dú)特的磁場(chǎng)控制靈活性。這一特性不僅允許單個(gè)微纖維機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下逆血流移動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)多個(gè)微纖維機(jī)器人的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立控制。此外，這些微纖維機(jī)器人還能與常用的介入性導(dǎo)管兼容，以最大化其在臨床環(huán)境中的應(yīng)用潛力。

圖3 微纖維機(jī)器人的導(dǎo)管輔助部署。A 微纖維機(jī)器人經(jīng)針管釋放的照片。B 微纖維機(jī)器人在X光成像引導(dǎo)下經(jīng)導(dǎo)管部署的多幀圖。C 微纖維機(jī)器人經(jīng)導(dǎo)管部署到目標(biāo)1的導(dǎo)航多幀照片。D 微纖維機(jī)器人經(jīng)導(dǎo)管部署到目標(biāo)2的導(dǎo)航多幀照片。

本文在離體的多分叉的血管模型充分展示微纖維機(jī)器人在亞毫米區(qū)域的導(dǎo)航和變形控制能力。為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人的功能，作者在活體兔股動(dòng)脈血管模型中展示了微纖維機(jī)器人在血管中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航和多模態(tài)形狀重構(gòu)。此外栓塞后三周進(jìn)行的血管造影表明，微纖維機(jī)器人已成功促進(jìn)穩(wěn)定的血管栓塞，沒有再通的跡象。多重集聚的微纖維機(jī)器人的存在阻礙了從血管近端到遠(yuǎn)端的血流，導(dǎo)致動(dòng)脈內(nèi)血栓形成。機(jī)器人栓塞手術(shù)的兔子血細(xì)胞數(shù)量在三周后仍保持在正常水平。

圖4 兔體內(nèi)血管模型中的多重機(jī)器人栓塞應(yīng)用展示。A 微纖維機(jī)器人在磁致動(dòng)系統(tǒng)操控與X光成像引導(dǎo)下在兔體內(nèi)股動(dòng)脈血管模型中的機(jī)器人栓塞示意圖。B 微創(chuàng)機(jī)器人栓塞創(chuàng)口照片。C 對(duì)4個(gè)目標(biāo)血管靶點(diǎn)的實(shí)時(shí)X光成像照片。D 微纖維機(jī)器人螺旋進(jìn)動(dòng)從靶點(diǎn)1到靶點(diǎn)4的導(dǎo)航過(guò)程的X光照片。E 微纖維機(jī)器人螺旋進(jìn)動(dòng)從靶點(diǎn)4到靶點(diǎn)1的回收過(guò)程的X光照片。F 微纖維機(jī)器人栓塞后效果及手術(shù)21天后的效果驗(yàn)證。G 微纖維機(jī)器人多重集聚栓塞照片。H 栓塞血管染色橫截面照片。

微纖維機(jī)器人的開發(fā)為血管栓塞治療提供了新的視角，并在微創(chuàng)手術(shù)治療技術(shù)中展現(xiàn)了應(yīng)用潛力。這種技術(shù)通過(guò)精確控制血流阻斷，為傳統(tǒng)的導(dǎo)管栓塞技術(shù)提供了有效的補(bǔ)充或替代方案。盡管這項(xiàng)技術(shù)展示了潛力，但其應(yīng)用于臨床的進(jìn)程仍需克服包括微纖維機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料的生物相容性以及血管定位和跟蹤系統(tǒng)開發(fā)等挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)正致力于解決這些關(guān)鍵問(wèn)題，以推進(jìn)這一技術(shù)的應(yīng)用。

華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院碩士畢業(yè)生劉旭睿（現(xiàn)香港中文大學(xué)博士生）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系特聘教授王柳及華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心博士生向遠(yuǎn)卓為論文的共同第一作者。華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、陶光明教授和上海交通大學(xué)楊廣中院士為論文通訊作者。其他主要合作者還包括，華中科技大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院肝膽外科主任萬(wàn)赤丹教授，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院心臟內(nèi)科周寧教授和華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院尹周平教授等。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)交叉研究支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh2479