導(dǎo) 語
近日，馬塞諸薩州波士頓大學(xué)的Jacob Rogatinsky和他的同事設(shè)計(jì)了一個(gè)可以進(jìn)入心室的毫米級機(jī)器人，以及應(yīng)用于上腔靜脈的穩(wěn)定裝置。該成果發(fā)表于《Science Advances》。
1、研究背景
隨著微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的成熟，機(jī)器人已經(jīng)相當(dāng)普遍地應(yīng)用于臨床手術(shù)中，手術(shù)機(jī)器人可以增強(qiáng)操作者的能力，并使某些不可行的手術(shù)成為可能。手術(shù)機(jī)器人平臺在各領(lǐng)域都具有優(yōu)勢，例如在心血管干預(yù)（心臟標(biāo)測中的精確定位、射頻消融和瓣膜修復(fù)）、骨科手術(shù)（髖關(guān)節(jié)置換術(shù)）等領(lǐng)域。
心血管疾病是全世界死亡的主要原因，心律失常、瓣膜疾病、冠狀動脈疾病和心力衰竭都屬于心血管疾病的范疇。為了應(yīng)對日益增加的心血管疾病負(fù)擔(dān)，臨床醫(yī)生開發(fā)了經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)行干預(yù)的方法，無需進(jìn)行可能會導(dǎo)致繼發(fā)性器官灌注不良和損傷等并發(fā)癥的心臟直視手術(shù)和體外循環(huán)。然而這種方法當(dāng)前面對一系列挑戰(zhàn)：脈管系統(tǒng)和心室之間的尺寸差異；心肌收縮導(dǎo)致的工作空間位移；如何通過工具操作遠(yuǎn)處的經(jīng)皮進(jìn)入部位。
2、研究概述
基于功能化導(dǎo)電聚合物的設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了功能化聚苯胺基時(shí)序黏附水凝膠貼片。它可以實(shí)現(xiàn)心臟的同步機(jī)械生理監(jiān)測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監(jiān)測心臟的機(jī)械運(yùn)動和電活動。
研究人員開發(fā)出一種用于心臟內(nèi)部的多功能軟性機(jī)器人導(dǎo)管，能夠應(yīng)對現(xiàn)有挑戰(zhàn)。該機(jī)器人由毫米級可展開機(jī)構(gòu)組成，體積足夠小，可以通過脈管系統(tǒng)進(jìn)入心臟，但其擴(kuò)展和利用更大心臟空間的能力允許在運(yùn)動環(huán)境和遠(yuǎn)程操作的情況下穩(wěn)定心臟附近的脈管系統(tǒng)，使操作者可以主動操縱心臟內(nèi)的器械并保持穩(wěn)定性、靈活性并提供足夠力量輸出。
圖1：設(shè)備應(yīng)用的臨床工作流程演示
A) 該裝置通過上腔靜脈通過兩個(gè)外周進(jìn)入部位之一朝右心房移動：(i) 右頸內(nèi)靜脈或 (ii) 左鎖骨下靜脈。B) 左圖：說明傳統(tǒng)導(dǎo)管當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，其靈活性使得施加力和精確控制位置非常困難。中：所提出的裝置可以靠上腔靜脈自我穩(wěn)定，以最大限度地減少遠(yuǎn)端力損失。這種穩(wěn)定性以及軟機(jī)器人尖端使用戶能夠執(zhí)行三尖瓣環(huán)形錨植入和冠狀竇起搏器引線放置等手術(shù)。圖示機(jī)器人將錨部署到三尖瓣環(huán)中。右圖：機(jī)器人將導(dǎo)絲引導(dǎo)至冠狀竇。（圖片來自原文）
具體來說，機(jī)器人平臺具有一個(gè)穩(wěn)定組件，該組件將半剛性和柔性材料結(jié)合成一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在心臟的靜脈入口處擴(kuò)展和支撐。它的設(shè)計(jì)目的是為主動轉(zhuǎn)向組件提供杠桿作用，同時(shí)最大限度地減少生理壓力，例如通路血管中的血壓梯度和血管損傷。主動轉(zhuǎn)向組件完全由軟材料組成，允許用于驅(qū)動的流體及其組成材料的靈活性來提供對外力的阻尼。對其運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了編程，允許用戶在心內(nèi)工作空間的任何點(diǎn)定位介入工具。
圖2：集成機(jī)器人平臺概述
A) 該設(shè)備工作流程分為六步：(i) 用戶使用 Nintendo Wii Classic 控制器控制軟機(jī)器人的流體室。(ii) 用戶輸入由 Arduino Leonardo 微控制器解釋。(iii) 微控制器向三個(gè)線性電機(jī)（Actuonix，S20）發(fā)送信號，驅(qū)動各自的注水注射器。(iv) 用戶通過拉動注射器柱塞來部署穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，這會在鮑登纜線中產(chǎn)生張力。(v) 作為步驟 (iv) 的結(jié)果，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)針對上腔靜脈 (SVC) 展開。(vi)通過步驟(i)至(iii)來控制軟機(jī)器人。B) 軟機(jī)器人組件能夠徑向收縮至 8 毫米的設(shè)備直徑，使其在穿過脈管系統(tǒng)時(shí)能夠穿過管腔。此外，用于穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的鮑登電纜的末端穿過魯爾鎖閥并進(jìn)入注射器，使用戶在拉動電纜后鎖定穩(wěn)定裝置。（圖片來自原文）
3、研究意義
體外和離體測試表明，該機(jī)器人平臺能夠解決心臟跳動干預(yù)的三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。從臨床角度來說，該平臺可以應(yīng)用于有著不同工具要求的一系列手術(shù)。在臨床之外，該平臺為軟體機(jī)器人在心臟內(nèi)直接操作任務(wù)開辟了一條道路。臨床前離體研究旨在盡可能接近地模擬活體動物測試，但未來的體內(nèi)測試將有必要將該技術(shù)推向臨床轉(zhuǎn)化。
參考文獻(xiàn)：Jacob Rogatinsky et al.,A multifunctional soft robot for cardiac interventions.Sci. Adv.9,eadi5559(2023).DOI:10.1126/sciadv.adi5559
京公網(wǎng)安備11010802046783號
