【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】小型磁性軟機(jī)器人導(dǎo)管能夠在人體復(fù)雜的血管系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)Ш剑⒂行p少手術(shù)過程中對(duì)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(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院徐海峰團(tuán)隊(duì)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(jī)器人導(dǎo)管的原位力感知策略方面取得重要研究進(jìn)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(tuán)隊(duì)提出了一種適用于小型磁控機(jī)器人導(dǎo)管的原位力感知策略。通過在導(dǎo)管遠(yuǎn)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(dòng)與感知一體化的磁性軟導(dǎo)管(直徑為2.3mm)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程主動(dòng)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(cè)與生物組織接觸時(shí)力的增加來識(shí)別障礙物(靈敏度達(dá)到0.38nm/mN)。主動(dòng)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(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)操控與精確力測(cè)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(jī)器人導(dǎo)管在微創(chuàng)手術(shù)中的應(yīng)用。
 

　　進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該小型磁控機(jī)器人導(dǎo)管在特定微創(chuàng)手術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性。報(bào)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(yuǎn)端磁性導(dǎo)管與組織接觸時(shí)，法向接觸力的可控性對(duì)有效進(jìn)行消融具有顯著影響。
 

　　在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)通過控制遠(yuǎn)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(chǎng)發(fā)生器增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，在導(dǎo)管與目標(biāo)病灶組織接觸點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以恢復(fù)并保持所需的力水平。通過進(jìn)一步提高場(chǎng)強(qiáng)，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(jī)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(jìn)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(xiàng)目受到了研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃等項(xiàng)目支持。