前不久，来自
澳门大学科技学院徐青松教授团队
的研究人员结合同心管机器人及磁控变刚度技术，
提出一种以多段同心管为基础的变刚度磁控动脉介入导管机器人
（Homocentric variable-stiffness magnetic robotic catheter，HVS-MRC）。
图1. 多臂协作超声引导磁控变刚度导管机器人实物图
该磁控导管机器人采用机器人超声影像作为引导工具，由多臂机器人辅助导管介入系统（Multi-arm robot-assisted catheterization system，MRCS）精确控制，通过三个同心组件的伸缩运动以及内部嵌入的磁铁，实现了在介入过程中导管的刚度可变。这种独特的设计使得HVS-MRC在外部移动磁模块的磁力作用下，能够展现出多样的弯曲和大角度偏转能力（超过120度），以应对复杂的冠状动脉介入环境。通过开展一系列高挑战性的体外实验，
HVS-MRC与常规导管相比，展现出更高介入精度，且介入过程更为平滑流畅，与血管壁碰撞次数明显降低。
多臂机器人辅助导管系统的高同步性、低超声目标丢失率（仅为15.8%）和稳定的接触力跟踪性能（平均为2.50±1.02 N）均表明，
该技术在无辐射机器人超声引导冠状动脉介入手术中具有巨大的应用潜力。
图2. IEEE Transactions on Robotics 发表封面截图
该研究成果的相关论文以“Design and Hierarchical Control of a Homocentric Variable-Stiffness Magnetic Catheter for Multiarm Robotic Ultrasound-Assisted Coronary Intervention”为题发表在机器人领域旗舰期刊《IEEE Transactions on Robotics》上。
澳门大学博士生李政阳为第一作者，硕士生李俊安、博士后研究员吴泽浩、博士生陈远赫及硕士生马革江·叶尔布拉提为共同作者，徐青松教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、澳门特别行政区科学技术发展基金和澳门大学的经费资助。同时，该研究成果已申请国家专利保护。
接下来，一起来和机器人大讲堂深入探索这一研究成果！
▍研究灵感来源
作为近几十年来在微创医疗领域崭露头角的机器人技术
，磁控机器人导管介入术（Magnetic robotic catheterization，MRC）在心脏消融、脑血管介入、内窥镜检查、生物打印和血栓切除术等应用中展现出显著的潜力。
例如，美国Stereotaxis公司的NIOBE系统已经实现了磁控导管在心血管微创手术治疗的商业化及临床应用。与传统依赖线驱动的介入手段不同，MRC通过使用嵌入式永磁体或磁化材料来制造导管结构，有效避免了传统线驱动导管的尺寸大、迟滞及控制复杂等问题。与此同时，
现有的磁控导管仍然存在一些局限性，例如其直径和刚度通常是均匀的，这限制了它们在不同介入场景中的适应性。
考虑到血管内环境的复杂性和人体组织的相异性，如果磁控导管能够根据复杂的介入环境改变其刚度和尺寸，这将极大地提高介入手术的效率和安全性。
图3. 利用磁控变刚度导管机器人进行介入手术流程图及超声引导的冠状动脉介入手术影像
澳门大学研究人员
受到同心管机器人（Concentric-tube robot, CTR）的启发，
即一个连续体机器人的特定子类，传统的 CTR 由预弯曲弹性管的伸缩结构制成，可弯曲和扭转以到达病变区域。然而，现有的 CTR 存在一些限制，无法在实际手术室中实施。例如，在传统的CTR中，每段都是预先弯曲的，这极大地限制了其在复杂环境中的应用，例如人体的某些腔体由直件和弯曲件组合而成（如血管等）。为了解决这一问题，澳门大学研究人员又
结合变刚度技术（Variable stiffness, VS）对磁控导管进行创新设计。
变刚度技术在连续体机器人领域得到了广泛的研究，尽管现有研究可通过加热导电形状记忆聚合物来实现可变刚度，但这种方法存在安全隐患，特别是对于脆弱的动脉内环境。因此，开发一种既安全又能实现MRC可变刚度特性的方法成为迫切需求。
为了实现磁控导管机器人的闭环控制，成像反馈对于通过跟踪磁控导管的运动来实现术中反馈手术系统至关重要。目前，X射线透视（X-ray）、磁共振成像（MRI）和超声检查（US）是血管内介入治疗中最广泛使用的成像方式。然而，X射线透视会产生对患者和临床医生都有害的辐射，而且由于C型臂X射线机的限制，很难实现磁控机器人闭环控制。机器人超声是结构最紧凑且辐射最少的方式，其中，血管机器人超声 (VRUS) 系统用于检测目标区域 (ROI)，以实现血管内环境内的诊断目标，例如颈动脉狭窄和外周血管疾病。
▍实现无辐射血管介入治疗！多臂协作介入系统架构如何设计？
多臂机器人辅助导管介入系统（MRCS）的设计旨在
实现无辐射的血管内介入治疗。据悉，该多臂机器人辅助导管介入系统由磁控变刚度导管（HVS-MRC）、外部移动磁场模块（EMMM）、体外移动超声模块（EMUM）、磁控导管进给模块(MCIM)等多个模块组成，如图4所示。
图4. 多臂协作超声引导磁控变刚度导管机器人的设计示意图及各模块控制流程
其中，
外部移动磁场模块（EMMM）
搭载于工作范围达850毫米的6自由度机械臂端部，采用圆柱形永久磁体，为介入手术提供了一个稳固、可靠的磁场环境。
体外移动超声模块（EMUM）
配备了L型超声探头，巧妙地融合进另一台6自由度机械臂中，确保了在介入手术过程中的高精度追踪能力。
磁控导管进给模块（MCIM）
则安装在第三台6自由度机械臂的末端执行器上。MCIM能够灵活调节HVS-MRC的介入角度，极大地增强了设备在手术环境中的机动性和操作性。最为核心的
磁控变刚度导管（HVS-MRC）
采用了特殊的同心结构，通过控制不同管段的长度，实现了导管的变刚度特性。这种设计使得导管在需要时能够变得柔软以顺应血管弯曲，而在需要支撑时又能变得坚硬以保持稳定。
在进行手术时，外科医生位于控制室内，通过主控计算机屏幕，实时查看来自超声扫描仪（uSmart 3300，Terason，MA，USA）的超声成像序列。
这种设置不仅能使医生即时了解手术进展，而且能够精确地定位导管末端的术中位置。此外，医生还能同时监测到患者的实时反应、HVS-MRC的位置以及多臂协作系统的运动趋势，确保手术操作的流畅与安全。利用主控计算机，医生可以向EMMM、EMUM和MCIM发送控制指令，实现对手术的远程精确操控。
▍实现多样弯曲和大角度偏转，多场景实验证磁控变刚度导管设计！
磁控变刚度导管的设计
融合了连续体应变理论以及机械工程、材料科学和磁控技术的原理，其设计精髓在于将同心变刚度连续体机器人结构与磁性组件相结合。
不用于传统的由众多互联关节构成的超冗余线驱动连续体机器人，HVS-MRC采用了各向同性的管道结构，其运动主要受限于磁力引发的弯曲和电机控制的推进，其导管的可调节刚度是通过对其内部各个管节的独立长度控制来完成。
从结构设计与材料选择而言，
磁控变刚度导管由两段可伸缩的PDMS（聚二甲基硅氧烷）软管和镍钛合金导丝组成。PDMS具备出色的柔韧性和生物相容性，可以在血管内灵活变形；而镍钛合金是一种形状记忆合金，其形状可根据温度或应力变化自动调整，实现导管的变刚度特性。导管末端集成了径向磁化的永磁体和非磁性金属导丝，确保了磁控导管的灵活性、可控性以及生物相容性和稳定性。
图5. 磁控变刚度导管的设计及运动学建模
在建模方面，
澳门大学研究团队采用欧拉-伯努利理论对HVS-MRC的变刚度特性进行建模。通过定义导管末端的坐标和姿态，以及各管段之间的相对位置关系，研究人员可以精确地描述导管在磁场作用下的运动状态。这种建模方法不仅提高了计算的效率，还为后续的路径规划和控制算法设计奠定了理论基础。
为了确保理论与实践的一致性，研究团队开展了一系列的多环穿越实验。
在这些实验中，磁控变刚度导管被置于具有挑战性的三维环境中，包括不同配置的环形结构，如同心设置、升高设置和降低设置。这些实验不仅检验了导管的机械性能和材料特性，还验证了其在模拟血管网络中的导航能力和稳定性。实验结果充分证明了磁控变刚度导管在实际应用中的可靠性和稳定性。无论是在同心圆环中，还是在高低起伏的环形结构中，该磁控导管都展现出了优异的穿刺能力，准确无误地完成了预定任务。
视频1.磁控导管的多环穿越运动实验
▍模拟人体动脉模型，验证动态表现与临床应用潜力！
为了验证磁控变刚度导管在仿真人体动脉环境中的动态表现及其临床应用潜力，研究团队精心设计了一套仿人体动脉模型。
在此模型中，研究人员选取了四种典型的、对导管操作性要求极高的介入手术场景进行实验，包括髂外动脉（EIA）、肠系膜上动脉（SMA）、臂头动脉（BCA）和升主动脉（AA）。
在模拟复杂介入手术场景的对比实验中，
磁控变刚度导管与常规磁控导管（USD-MRC）进行了直接比较。实验结果表明，新型磁控变刚度导管不仅成功完成了变刚度操作，而且在多血管分枝的环境中体现出明显优势。
图6. 磁控变刚度导管在多种高难度介入场景的实验过程
具体来说，磁控变刚度导管在减少与血管壁的碰撞次数方面表现卓越，这一特性对于降低术中风险以及患者痛感至关重要。此外，该导管在进入毛细血管的过程中所需时间更短，这无疑提高了手术的效率和响应速度。这些实验成果清晰地揭示了磁控变刚度导管在实际临床应用中的潜在优势，如降低术中风险、提高手术效率等。
视频2.磁控导管的高难度场景介入运动实验（EIA、SMA）
视频3. 磁控导管的高难度场景介入运动实验（BCA、AA）
以上视频资料（视频2、3）进一步展示了磁控变刚度导管在各介入场景中的运动特性和操作便利性。
这些视觉记录不仅证实了其在模拟高难度介入手术中的有效性，也为未来在真实临床条件下的应用提供了有力的验证。在该实验中，磁控变刚度导管展现了其在提升介入手术安全性、减少患者创伤风险以及提高手术效率方面的显著优势。这些成果标志着磁控变刚度导管在介入医疗领域迈出了重要的一步，它有望成为改善复杂血管介入手术结果的关键工具。
▍提出分层结构控制算法，解决多臂冗余系统协同问题！
多臂协作介入系统由多个子模块组成，需要协同运动才能完成复杂的任务，
例如在冠状动脉介入治疗过程中对导管进行操作。由于系统中存在多自由度的运动，并且各个子模块之间的运动相互耦合，因此需要一种高效的控制算法来实现协同运动、避免碰撞以及保持同步。
为了解决这一多臂冗余系统的协同运动问题，研究团队还
提出了一种基于相对雅可比矩阵的多臂协作控制器
。同时，针对多臂系统中存在的协同运动、碰撞避免和同步问题，研究团队提出了分层结构控制算法。
图7. 多臂协作系统的运动学建模及机器人超声示意图
该算法通过将整个干预过程划分为不同阶段，并确定子模块的层次结构，使多臂系统能够在不同阶段有序地进行运动。在此基础上，利用相对雅可比矩阵来实现多臂机器人的协同运动，确保各子模块之间的同步和避免碰撞。
此外，体外移动超声模块与病人皮肤接触，可用于获取皮下动脉血管的超声影像。
这些超声图像通过识别算法实时显示磁控导管的末端位置，并对其运动进行分割检测。这种基于超声影像的实时监测和识别方法可帮助医生准确地掌握导管的位置和运动情况，从而更好地指导手术操作，确保手术的安全和准确性。
▍建立多臂协作介入实验场景，验证超声引导运作效果
为了验证多臂协作手术机器人系统在引导磁控变刚度导管的效果，该研究团队建立了多臂协作的介入实验场景。
在实验过程中，
体外移动超声
首先需要进行初始化，
包括追踪磁控导管的末端并确保与实验体的接触。这一步骤至关重要，因为后续操作依赖于准确的末端位置信息。为确保末端与实验体的稳定接触，采用恒力控制器保持接触力稳定在约2.5 N左右，这有助于保持手术的稳定性和安全性。
视频4.磁控导管的多臂协作引导实验
接着，磁控导管在进给模块的作用下开始向前运动介入。
同时，外部移动磁场模块根据预设路径为磁控导管提供转弯所需的磁力和扭矩。这需要精确控制，以确保导管沿预定路径准确移动，不对周围组织造成不必要损伤。
在引导过程中，超声探头的移动速度需与磁控导管的移速保持一致，
以确保导管末端能够实时地显示在超声图像中。这对手术医生至关重要，需清晰可见的超声图像引导手术操作。通过保持导管末端在超声图像中的实时显示，确保操作准确性和安全性。
视频5.磁控导管的多臂协作引导实验
当磁控导管遇到动脉分支时，系统利用其变刚度特性进入更细的血管。
这需要精确控制和监测，确保导管准确进入目标血管，不对周围组织造成损伤。通过使用研究团队提出的分层结构控制算法（Hierarchical Control），超声模块实现重新定位磁控导管末端，获取更新的稳定超声图像，有助于手术医生准确地引导导管进入，以确保操作成功。
通过实验，澳门大学研究团队
成功验证了多臂协作手术机器人系统在超声引导下的高效运作。
该系统凭借精确的控制和实时监测，能够确保导管沿预定路径的精准移动，保障了手术操作的安全性和成功率。这一技术突破为介入手术领域提供了一种可靠的导航和控制解决方案。
参考文章：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10474123
