近日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團隊和深圳大學附屬華南醫(yī)院神經(jīng)外科團隊合作，在磁驅(qū)動連續(xù)體微型機器人領域取得新進展。團隊提出了一種具有磁驅(qū)動主動轉(zhuǎn)向和自主推進能力的磁性介入導絲機器人系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)介入醫(yī)生能遠程操控磁性導絲在復雜的血管分叉處快速選擇正確路徑并到達目標部位，有效減少醫(yī)生的輻射暴露。團隊提出了磁性導絲的建模方法與軌跡規(guī)劃方法，為磁性導絲的自動控制奠定基礎。
研究成果以A Magnetically Controlled Guidewire Robot System with Steering and Propulsion Capabilities for Vascular Interventional Surgery為題，發(fā)表在智能系統(tǒng)領域權(quán)威期刊Advanced Intelligent Systems （JCR一區(qū)，影響因子：7.4）。智能仿生中心徐天添課題組博士研究生付仕雄為第一作者，先進院徐天添研究員和深大華南醫(yī)院杜世偉主任醫(yī)師為通訊作者。
血管介入手術(shù)是在醫(yī)學影像設備的導引下，利用導絲、導管等器械經(jīng)血管途徑診療的操作技術(shù)。神經(jīng)介入手術(shù)是治療各種腦血管疾病的重要手段，對醫(yī)生經(jīng)驗要求很高。偏遠地區(qū)的介入醫(yī)療資源緊缺。醫(yī)生需要在造影下觀察導絲位置，累積的輻射有損健康。對此，團隊提出一種具有磁驅(qū)動主動轉(zhuǎn)向和自主推進能力的磁性介入導絲機器人系統(tǒng)，可以協(xié)助醫(yī)生遠程操控，或替代醫(yī)生自動化控制，能有效減少醫(yī)生的輻射暴露和支援偏遠地區(qū)。團隊在導絲的尖端連接一段磁性水凝膠材料，使醫(yī)用介入導絲具有磁響應，可在外部磁場的驅(qū)動下靈活轉(zhuǎn)向，并通過影像系統(tǒng)反饋位置。團隊結(jié)合偶極子模型和Cosserat-rod模型，建立了連續(xù)體力學模型預測導絲尖端的變形，并開發(fā)了軌跡規(guī)劃算法，根據(jù)血管的路徑推斷外部驅(qū)動磁鐵的位置軌跡和推進器速度實現(xiàn)自主控制。
團隊通過磁場表征和轉(zhuǎn)向表征實驗，證實提出的模型可以預測并重建導絲尖端的非線性變形。團隊實現(xiàn)了介入導絲的自主控制，根據(jù)已知的血管路徑，通過磁場控制導絲在血管模型內(nèi)從穿刺點經(jīng)過四條不同的路徑分別到達大腦中動脈的四個目標位置，到達時間均小于2分鐘。團隊也實現(xiàn)了介入導絲的遠程控制。介入醫(yī)生在操作間外，在DSA影像的實時引導下遠程控制磁性導絲，通過血管模型的右側(cè)內(nèi)頸動脈到達目標位置，用時大約為2分鐘。未來，科研團隊將繼續(xù)研究磁控導絲機器人系統(tǒng)的智能控制，幫助醫(yī)生更高效、安全地完成介入手術(shù)。
該系列研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金（優(yōu)青，聯(lián)合重點）、廣東省粵深聯(lián)合重點、中科院青促會、深圳市重點等科技項目資助。
圖1：磁控導絲機器人系統(tǒng)集成
圖2：磁性導絲建模
圖3：磁驅(qū)動介入導絲的體外自主運動
視頻1：磁驅(qū)動介入導絲的體外自主運動
圖4：磁驅(qū)動介入導絲的在DSA影像引導下的遠程操控
視頻2：磁驅(qū)動介入導絲的在DSA影像引導下的遠程操控
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