近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)和深圳大學(xué)附屬華南醫(yī)院神經(jīng)外科團(tuán)隊(duì)合作，在磁驅(qū)動(dòng)連續(xù)體微型機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了具有磁驅(qū)動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向和自主推進(jìn)能力的磁性介入導(dǎo)絲機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)介入，醫(yī)生能遠(yuǎn)程操控磁性導(dǎo)絲在復(fù)雜的血管分叉處快速選擇正確路徑并到達(dá)目標(biāo)部位，有效減少醫(yī)生的輻射暴露。該團(tuán)隊(duì)提出了磁性導(dǎo)絲的建模方法與軌跡規(guī)劃方法，為磁性導(dǎo)絲的自動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。



圖1 磁控導(dǎo)絲機(jī)器人系統(tǒng)集成? ?

血管介入手術(shù)是在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的導(dǎo)引下，利用導(dǎo)絲、導(dǎo)管等器械經(jīng)血管途徑診療的操作技術(shù)。神經(jīng)介入手術(shù)是治療各種腦血管疾病的重要手段，對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)要求很高。醫(yī)生需要在造影下觀察導(dǎo)絲位置，累積的輻射有損健康。對(duì)此，該工作提出了具有磁驅(qū)動(dòng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向和自主推進(jìn)能力的磁性介入導(dǎo)絲機(jī)器人系統(tǒng)，可協(xié)助醫(yī)生遠(yuǎn)程操控，或替代醫(yī)生自動(dòng)化控制，可有效減少醫(yī)生的輻射暴露和支援偏遠(yuǎn)地區(qū)。

該研究在導(dǎo)絲的尖端連接一段磁性水凝膠材料，使醫(yī)用介入導(dǎo)絲具有磁響應(yīng)，可在外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下靈活轉(zhuǎn)向，并通過(guò)影像系統(tǒng)反饋位置。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合偶極子模型和Cosserat-rod模型，建立了連續(xù)體力學(xué)模型預(yù)測(cè)導(dǎo)絲尖端的變形，并開(kāi)發(fā)了軌跡規(guī)劃算法，即根據(jù)血管的路徑推斷外部驅(qū)動(dòng)磁鐵的位置軌跡和推進(jìn)器速度實(shí)現(xiàn)自主控制。

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圖2 磁性導(dǎo)絲建模?

圖3 磁驅(qū)動(dòng)介入導(dǎo)絲的體外自主運(yùn)動(dòng)

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)磁場(chǎng)表征和轉(zhuǎn)向表征實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了提出的模型可以預(yù)測(cè)并重建導(dǎo)絲尖端的非線(xiàn)性變形。該研究實(shí)現(xiàn)了介入導(dǎo)絲的自主控制。實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)已知的血管路徑，通過(guò)磁場(chǎng)控制導(dǎo)絲在血管模型內(nèi)從穿刺點(diǎn)經(jīng)過(guò)四條不同的路徑分別到達(dá)大腦中動(dòng)脈的四個(gè)目標(biāo)位置，到達(dá)時(shí)間均小于2分鐘。該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了介入導(dǎo)絲的遠(yuǎn)程控制。介入醫(yī)生在操作間外，在DSA影像的實(shí)時(shí)引導(dǎo)下遠(yuǎn)程控制磁性導(dǎo)絲，通過(guò)血管模型的右側(cè)內(nèi)頸動(dòng)脈到達(dá)目標(biāo)位置，用時(shí)約為2分鐘。未來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究磁控導(dǎo)絲機(jī)器人系統(tǒng)的智能控制，幫助醫(yī)生更高效、安全地完成介入手術(shù)。

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圖4 磁驅(qū)動(dòng)介入導(dǎo)絲在DSA影像引導(dǎo)下的遠(yuǎn)程操控 ?

相關(guān)研究成果以“A Magnetically Controlled Guidewire Robot System with Steering and Propulsion Capabilities for Vascular Interventional Surgery”為題，發(fā)表在Advanced Intelligent Systems期刊上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省粵深聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)和深圳市等的支持。

審核編輯：劉清