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顶刊重磅！华中科大/上海交大/中科大：机器人化血管栓塞新进展！

机器人大讲堂 · 公众号 · · 2024-02-28 12:00

正文

动脉瘤 和 脑肿瘤 的一种微创治疗方法通常涉及外科医生通过股动脉插入一根细长的导管，再引导该导管通过复杂的血管网络输送栓塞剂。然而，这种方法的 操作难度较大，对医生的技术要求较高。

最近，华中科技大学 臧剑锋教授、陶光明教授 、上海交通大学 杨广中院士 以及中国科学技术大学 王柳教授 ，共同研发出了一种 磁性软微纤维机器人 ，旨在实现 远程控制的机器人化血管栓塞。

这项重要的研究成果已在 《科学·机器人》（Science Robotics） 杂志上发表，文章标题为《用于机器人化血管栓塞的磁性柔性微纤维机器人》。这项技术为治疗脑动脉瘤和脑肿瘤的微创介入方法提供了新的方向。

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adh2479

该研究介绍了一种创新的磁性软微纤维机器人，该机器人具有 高度操控性、可靠的机动性 和 多模态形状重构能力 ，能够通过 远程、无缆、磁控 的方式在 亚毫米区域 内精确执行栓塞任务。

这些磁性软微纤维机器人通过将硬磁软复合材料热拉制成百米长的微纤维，所得磁性软纤维的直径可以在 20-90μm 的超细范围内精确调节。

尽管这些纤维的尺寸微小，但它们仍然保留了热塑性特性，这使得它们能够在后续的处理过程中展现出优越的性能。经过特殊的磁化和塑模编程处理后，这些磁性纤维被赋予了独特的 螺旋磁性极性 。

通过精确控制外部磁场，这些机器人能够在流动条件下展现出 可逆的延长和聚集形态变换 ，以及 螺旋推进 的运动方式。这些特性使得它们能够灵活地通过复杂的血管系统，并在亚毫米尺度内精确地执行机器人栓塞。

为了验证这种机器人的潜在临床价值，研究团队在 神经血管模型 中进行了体外动脉瘤和肿瘤的栓塞实验，同时在 活体兔股动脉模型 中进行了实时荧光透视下的机器人导航操控及栓塞操作。这些实验结果充分展示了该机器人在未来机器人辅助栓塞手术方案中的巨大潜力。

用于机器人栓塞的磁性软微纤维机器人。A 微纤维机器人多模态形状重构及机器人栓塞示意图。B 磁性微纤维热拉制、磁化及塑膜编程示意图。C 多种直径的磁性微纤维的照片。D 微纤维机器人的照片。E 微纤维机器人在脑部假体上的实物图。

此外，这种微纤维机器人还具备 类似血管支架的锚定功能 ，能够通过接触摩擦力稳定地附着在血管内壁上，从而有效地防止被血流冲走。

其独特的螺旋磁化分布（ M ）为微纤维机器人提供了沿中心轴线的净磁化方向（ M net），这使得它们 能够通过外部磁场的控制实现伸长和聚集的形态变化 。值得一提的是，这种微纤维机器人的 柔软性 和 高鲁棒 性确保了它们在经历超千次的聚集与伸长循环操作后，仍能保持 完全可逆的形态重构功能 。

模拟血液流动环境下的形态变换能力和磁性操控性。A 微纤维机器人在锚定、伸长及集聚状态下的实验照片及仿真对应。B 磁场拉伸、原位集聚及螺旋进动磁场操控示意图。C 微纤维机器人在外加磁场下伸长、集聚、螺旋进动及磁性拉伸的多模态磁控示意图。D 微纤维机器人在无外加磁场下原位锚定、外加磁场下逆流、顺流螺旋进动及磁性拉伸、集聚和恢复的照片。

与以往报道的磁性软体机器人相比，这种微纤维机器人的螺旋磁化方向特性使其变形和运动方式能够 独立于控制磁场正交解耦 ，从而提供了 独特的磁场控制灵活性 。

这一特性不仅允许单个机器人在旋转磁场的作用下 逆血流移动 ，还能实现 多个微纤维机器人之间的形态和运动的独立控制。

此外，这些机器人与常用的介入性导管具有良好的 兼容性 ，这进一步增强了它们在临床环境中的应用潜力。

微纤维机器人的导管辅助部署。A 微纤维机器人经针管释放的照片。B 微纤维机器人在X光成像引导下经导管部署的多帧图。C 微纤维机器人经导管部署到目标1的导航多帧照片。D 微纤维机器人经导管部署到目标2的导航多帧照片。

在离体的多分叉血管模型中，研究团队充分展示了这种微纤维机器人在亚毫米区域内的 导航和变形控制能力。

为了进一步验证其功能，他们还在活体兔股动脉血管模型中进行了实验，结果表明微纤维机器人机器人能够在血管中运动导航和多模态形状重构。

栓塞后三周的血管造影结果显示， 微纤维机器人成功地促进了稳定的血管栓塞，且未出现再通的情况。

这表明多重集聚的机器人有效地阻碍了从血管近端到远端的血流，导致动脉内形成了稳定的血栓。同时，接受机器人栓塞手术的兔子在术后三周内的血细胞数量保持在正常水平范围内。

兔体内血管模型中的多重机器人栓塞应用展示。A 微纤维机器人在磁致动系统操控与X光成像引导下在兔体内股动脉血管模型中的机器人栓塞示意图。B 微创机器人栓塞创口照片。C 对4个目标血管靶点的实时X光成像照片。D 微纤维机器人螺旋进动从靶点1到靶点4的导航过程的X光照片。E 微纤维机器人螺旋进动从靶点4到靶点1的回收过程的X光照片。F 微纤维机器人栓塞后效果及手术21天后的效果验证。G 微纤维机器人多重集聚栓塞照片。H 栓塞血管染色横截面照片。

总的来说，这种磁性软微纤维机器人的开发为血管栓塞治疗领域带来了新的视角，并在微创手术治疗技术中展现了应用潜力。它们通过精确控制血流阻断的方式为传统的导管栓塞技术提供了有效的补充或替代方案。

然而， 要使这种技术广泛应用于临床实践，仍需克服一系列挑战 ，包括优化微纤维机器人结构、提高材料的生物相容性以及开发高效的血管定位和跟踪系统等。

目前，研究团队正致力于解决这些问题，以期推动这种创新技术的进一步发展和应用。

华中科技大学集成电路学院硕士毕业生刘旭睿（现香港中文大学博士生）、中国科学技术大学近代力学系特聘教授王柳及华中科技大学武汉光电国家研究中心博士生向远卓为论文的共同第一作者。华中科技大学臧剑锋教授、陶光明教授和上海交通大学杨广中院士为论文通讯作者。其他主要合作者还包括，华中科技大学附属协和医院肝胆外科主任万赤丹教授，华中科技大学同济医学院附属同济医院心脏内科周宁教授和华中科技大学机械学院尹周平教授等。该研究得到了国家自然科学基金、华中科技大学交叉研究支持计划等项目的资助。

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