小型磁性軟機器人導管能夠在人體復雜的血管系統(tǒng)中實現(xiàn)遠程主動轉(zhuǎn)向?qū)Ш?，并有效減少手術(shù)過程中對醫(yī)生和患者的輻射暴露，因此在微創(chuàng)手術(shù)中具有巨大的應用潛力。然而，現(xiàn)有的磁性導管由于缺乏原位生物力學力感知，在微創(chuàng)手術(shù)中容易導致組織損傷。
11月24日，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院徐海峰團隊聯(lián)合中北大學李銳銳副教授、悉尼科技大學林滾滾助理教授，在小型磁控機器人導管的原位力感知策略方面取得重要研究進展。相關(guān)成果在期刊Biosensors and Bioelectronics上發(fā)表題為“Small-scale magnetic soft robotic catheter for in-situ biomechanical force sensing”的文章。
論文上線截圖
在本研究中，研究團隊提出了一種適用于小型磁控機器人導管的原位力感知策略。通過在導管遠端同軸集成環(huán)形永磁體和基于光纖的力傳感器，構(gòu)建了驅(qū)動與感知一體化的磁性軟導管（直徑為2.3mm），實現(xiàn)了遠程主動轉(zhuǎn)向?qū)Ш脚c高靈敏度生物接觸力學感知。
在管腔穿行過程中，磁性軟導管通過力學傳感器檢測與生物組織接觸時力的增加來識別障礙物（靈敏度達到0.38nm/mN）。主動轉(zhuǎn)向使導管能夠避開障礙物并繼續(xù)順利穿過管腔，從而在復雜的管腔系統(tǒng)中安全深入病灶進行精準控制，實現(xiàn)了主動操控與精確力測量的結(jié)合。力學反饋顯著提高了微創(chuàng)手術(shù)的安全性和效率，特別適用于肺結(jié)節(jié)經(jīng)支氣管微波消融和心房纖顫射頻消融等操作。
驅(qū)-感一體化的磁控機器人導管在微創(chuàng)手術(shù)中的應用。
進一步地，研究團隊驗證了該小型磁控機器人導管在特定微創(chuàng)手術(shù)應用場景中的適用性。報告指出，0.1～0.4N范圍內(nèi)的接觸力可顯著改善心臟消融手術(shù)的效果。當遠端磁性導管與組織接觸時，法向接觸力的可控性對有效進行消融具有顯著影響。
在驗證實驗中，研究團隊通過控制遠端磁性導管深入并引導至離體豬心臟的目標病灶，通過外部磁場發(fā)生器增加磁場強度，在導管與目標病灶組織接觸點迅速產(chǎn)生0.2N的初始接觸力。
利用反饋回路力控制磁性導管在離體豬心臟中產(chǎn)生可控接觸力。
通過固定外部磁體，保持外部磁體與環(huán)形磁體之間的距離，從而確保接觸力保持穩(wěn)定。如果力值偏離目標值，磁場強度會動態(tài)調(diào)整，以恢復并保持所需的力水平。通過進一步提高場強，接觸力可調(diào)整至0.2～1N。這種精確的接觸力控制突出了力感應機制在微創(chuàng)手術(shù)中的可行性。
李銳銳副教授為論文第一作者，深圳先進院徐海峰副研究員、劉源副研究員，以及林滾滾助理教授為論文通訊作者。本項目受到了研究工作獲得國家自然科學基金項目、深圳市基礎研究計劃等項目支持。
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