在微創(chuàng)血管內(nèi)手術(shù)中，外科醫(yī)生依靠低靈活度和高縱橫比的導(dǎo)管來(lái)達(dá)到解剖目標(biāo)。然而，心臟跳動(dòng)的內(nèi)部環(huán)境對(duì)幾個(gè)解剖位置提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，使得醫(yī)生難以靈活地操縱介入工具并對(duì)心臟內(nèi)相應(yīng)目標(biāo)施加足夠的力。
近期，來(lái)自Boston University的Tommaso Ranzani團(tuán)隊(duì)在《Science Advances 》雜志上發(fā)表題為“A multifunctional soft robot for cardiac interventions”的封面文章，展示了一種毫米級(jí)的軟機(jī)器人平臺(tái)，它可以在心臟入口處部署和自穩(wěn)定，并引導(dǎo)現(xiàn)有的介入工具達(dá)到目標(biāo)位置。在右心房?jī)?nèi)的兩例示范心內(nèi)手術(shù)中，機(jī)器人平臺(tái)提供了足夠的靈活性來(lái)到達(dá)多個(gè)解剖目標(biāo)，足夠的穩(wěn)定性來(lái)保持與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的持續(xù)接觸，以及足夠的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生牛頓級(jí)別的力。該設(shè)備解決了目前微創(chuàng)心內(nèi)介入的挑戰(zhàn)，它使基于導(dǎo)管的心臟介入手術(shù)有了更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。
圖1 設(shè)備的臨床工作應(yīng)用流程
1. 血管內(nèi)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)
研究人員使用圖2A所示的逐層工藝制造穩(wěn)定組件。首先，分別對(duì)半剛性彈簧鋼和柔性聚酰亞胺薄膜進(jìn)行激光切割；使用生物相容的粘合劑將這些層粘合在一起，形彈簧鋼夾聚酰亞胺薄膜的層壓板；最后，在層壓板上涂上一層柔軟的熱塑性聚氨酯(TPU)層，進(jìn)行切割。將層壓板包裹在一個(gè)3打印的多腔管周?chē)?圖2A)。多腔管中有用于驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的三條流體管路和用于展開(kāi)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的兩根鮑登線(xiàn)。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可從收縮態(tài)的8mm直徑擴(kuò)展為32mm。TPU外殼可以?xún)?chǔ)存彈性勢(shì)能，使得穩(wěn)定機(jī)構(gòu)在未工作時(shí)處于折疊狀態(tài)。圖2B展示了穩(wěn)定機(jī)構(gòu)介入豬的上腔靜脈后，將其移動(dòng)不同距離產(chǎn)生的徑向力和軸向力，圖2C則測(cè)試了穩(wěn)定機(jī)構(gòu)展開(kāi)后對(duì)靜脈內(nèi)血液的流體阻力，并和球囊導(dǎo)管進(jìn)行了對(duì)比，表明穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的介入不會(huì)對(duì)血流造成阻礙。為了確定安全性，研究人員測(cè)量了拉伸鮑登線(xiàn)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)張開(kāi)時(shí)對(duì)靜脈管腔產(chǎn)生的力，并將測(cè)試結(jié)果輸入到Abaqus中模擬計(jì)算應(yīng)力集中，得到當(dāng)鮑登線(xiàn)的最大張力為 1.91 N 時(shí)，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)產(chǎn)生 1.21 N 的徑向力，該徑向力在靜脈上產(chǎn)生最大為 0.898 MPa的集中應(yīng)力（圖2D），并在最后解剖了實(shí)驗(yàn)過(guò)后的豬靜脈，在顯微鏡下觀察到內(nèi)皮沒(méi)有破損。
圖2 穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造與表征
2. 軟體機(jī)器人的介入引導(dǎo)
研究人員使用了一種之前研發(fā)的堆疊式球囊制動(dòng)器（SBA）的軟體機(jī)器人來(lái)引導(dǎo)手術(shù)器械，該軟體機(jī)器人具有大膨脹比和高作用力的優(yōu)點(diǎn)。該末端執(zhí)行器由TPE（熱塑性彈性體）和聚四氟乙烯（PTFE）兩種材料熱壓制成，可以沿軸向壓縮（圖3a、b）。根據(jù)需要達(dá)到的長(zhǎng)度對(duì)球囊單元進(jìn)行堆疊，共堆疊了20層， 1mm厚的壓縮球囊完全充氣后可以膨脹為40mm。為了滿(mǎn)足可進(jìn)入靜脈腔體的直徑，可以在充氣后固定軟體機(jī)器人的長(zhǎng)度，再進(jìn)行放氣，以徑向壓縮球囊（圖3b），可以將直徑為 15 mm 的三腔球囊徑向壓縮至最小直徑 4.5 mm（圖3c）
圖3 軟體機(jī)器人制造和徑向壓縮
3. 集成機(jī)器人平臺(tái)
如圖4為該集成的軟體機(jī)器人平臺(tái)，首先將軟體機(jī)器人連接到穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的3D打印多腔管上，用生物粘合劑將軟體機(jī)器人粘在單層不銹鋼基板上，再將基板粘在多腔管上 (圖2a)。然后將該組件連接到一段30cm長(zhǎng)的網(wǎng)狀線(xiàn)纜上，該網(wǎng)狀線(xiàn)纜包含三個(gè)流體管路和兩個(gè)鮑登線(xiàn)纜，并且中間還有一段聚四氟乙烯管腔，可用于通過(guò)放置傳統(tǒng)的手術(shù)器械，如導(dǎo)絲和導(dǎo)管。在介入機(jī)器人的控制端，定制的打印部件將鮑登線(xiàn)纜終端從中央通道和流體管路中分離出來(lái)(圖4A)。中央通道可在任意位置允許用戶(hù)插入手術(shù)器械，而流體管路連接到定制的注射器泵上，鮑登線(xiàn)被送入帶有魯爾鎖閥連接器的注射器中，通過(guò)拉動(dòng)注射器并鎖定閥門(mén)，夾緊鮑登線(xiàn)，從而展開(kāi)穩(wěn)定機(jī) (圖4B)。
圖4 集成的軟體機(jī)器人平臺(tái)
研究人員在軟體機(jī)器人的尖端安裝了2D工具導(dǎo)向器，以增加系統(tǒng)在引導(dǎo)介入工具時(shí)的硬度和精度(圖5A和B)。工具導(dǎo)向器使用與穩(wěn)定機(jī)構(gòu)相同的制造方法。三個(gè)單向彎曲接頭允許工具導(dǎo)向器在軟機(jī)器人的徑向折疊過(guò)程中向內(nèi)折疊(圖4B)。圖5A展示了工具導(dǎo)向器對(duì)遠(yuǎn)端工具剛度和精度的提升效果，組件剛度可達(dá)6.3mN/mm，并能在軟體機(jī)器人彎曲到90°時(shí)使工具與水平方向成97.8°的角度。
4. 軟體機(jī)器人的工作空間
研究人員演示了軟體機(jī)器人的工作空間的極端情況，將0.35毫米導(dǎo)絲的柔性端插入其工作通道，一個(gè)流體腔體充氣，另外兩個(gè)腔體放氣的情況下，機(jī)械手可以彎曲到200°；在雙腔彎曲情況下，可彎曲到207° (圖5B)。圖5C則通過(guò)運(yùn)動(dòng)解算和心臟的計(jì)算機(jī)斷層掃描模型確定了該機(jī)器人可以滿(mǎn)足臨床手術(shù)的工作位置要求。圖D表明該設(shè)備在X射線(xiàn)透視下可視，可用于注射造影液實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟管狀靜脈的可視化。
圖5 集成機(jī)器人的主要特征
5. 體外演示實(shí)驗(yàn)
該裝置被部署在直徑25毫米的透明管中進(jìn)行演。首先，要求軟體機(jī)器引導(dǎo)一根0.9毫米的導(dǎo)絲依次穿過(guò)一塊距離4cm的亞克力上五個(gè)直徑為1cm的孔 (圖6A)，該操作計(jì)時(shí)90s完成,展示了軟體機(jī)器人的靈巧性。下面，要求軟體機(jī)器人按下注射器柱塞(圖6B)，注射器內(nèi)裝滿(mǎn)了紅色墨水，展示了軟體機(jī)器人尖端能夠產(chǎn)生足夠的力。圖6C展示了機(jī)器人平臺(tái)可以通過(guò)外周血管系統(tǒng)，如鎖骨下靜脈，穿過(guò)≈90°彎曲腔道進(jìn)入右心房。
圖6 集成機(jī)器人平臺(tái)的體外演示
6. 模擬手術(shù)實(shí)驗(yàn)
為了進(jìn)一步展示軟體機(jī)器人的臨床應(yīng)用，研究人員在離體環(huán)境下展示了兩例示范手術(shù)：冠狀竇插管術(shù)、三尖瓣環(huán)穿刺術(shù)。主要通過(guò)記錄手術(shù)所用時(shí)間以及對(duì)心臟軟組織的損傷來(lái)評(píng)估手術(shù)效果。冠狀竇插管術(shù)（圖7C）各使用者完成手術(shù)的總體平均時(shí)間為 68 ± 37 s。三尖瓣環(huán)穿刺術(shù)各使用者完成手術(shù)的總體平均時(shí)間為 84.0s。
圖7 冠狀竇插管術(shù)模擬手術(shù)
綜上所述，研究人員開(kāi)發(fā)一個(gè)軟體機(jī)器人平臺(tái)，以心臟跳動(dòng)環(huán)境下解決微創(chuàng)心內(nèi)干預(yù)手術(shù)面臨的臨床挑戰(zhàn)。該平臺(tái)能夠折疊并鎖定在近端上腔靜脈處并實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，并通過(guò)軟機(jī)器人操縱器引導(dǎo)介入工具達(dá)到右心房的目標(biāo)位置，并傳遞與匹配生物組織所需的力。最后通過(guò)兩例示范性手術(shù)的離體測(cè)試展示了該軟體機(jī)器人平臺(tái)在臨床手術(shù)中的應(yīng)用前景
文章來(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5559
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