科學(xué)家開發(fā)兩毫米直徑的磁性機(jī)械手機(jī)器人通過磁力引導(dǎo)可在肺部精準(zhǔn)采樣或癌癥治療

在臨床中，將機(jī)器人作為一種輔助治療工具，應(yīng)用于疾病檢測(cè)或治療的現(xiàn)象越來越普遍。

2020年12月，利茲大學(xué)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室彼得羅·瓦爾達(dá)斯特里教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種機(jī)器人輔助結(jié)腸鏡檢查，該技術(shù)可以通過外界工具引導(dǎo)，使得檢測(cè)儀器精確地到達(dá)人體內(nèi)患病部位。這為醫(yī)生提供了一種深入人體內(nèi)部檢測(cè)的新思路，同時(shí)也幫患者減輕因傳統(tǒng)檢測(cè)帶來的痛苦。

機(jī)器人磁性柔性內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

近日，彼得羅·瓦爾達(dá)斯特里的最新研究成果，與以上所提及的研究成果類似，同樣是將機(jī)器人輔助技術(shù)應(yīng)用于臨床，有區(qū)別的是針對(duì)患者的檢測(cè)部位不同。

彼得羅·瓦爾達(dá)斯特里團(tuán)隊(duì)本次開發(fā)了一種直徑僅有2毫米的“磁觸手機(jī)器人”，如果用可視化的物體來描述，該機(jī)器人的尺寸僅有約圓珠筆筆尖的2倍，如此大小的機(jī)器人可以較為容易地被遞送到人體肺部一些窄小的支氣管樹，幫助醫(yī)生采集組織樣本或者輔助治療癌癥等疾病。

2022年3月21日，相關(guān)論文以《用于創(chuàng)傷自主內(nèi)窺鏡的患者專用磁導(dǎo)管》為題發(fā)表在Soft Robotics上，由利茲大學(xué)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室教授彼得羅·瓦爾達(dá)斯特里擔(dān)任通訊作者。

該研究成果指出，“在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，柔性內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管之間的關(guān)系仍然難以捉摸”。

相關(guān)論文

磁觸手機(jī)器人

另外，在人體微妙且曲折的氣管環(huán)境中遵循阻力最小的路徑，而不依賴于周圍解剖結(jié)構(gòu)的相互作用，這需要對(duì)檢測(cè)物的自由度進(jìn)行更多地控制，在此情況下往往需要使用大直徑的儀器。

在不增加導(dǎo)管尺寸的情況下，一個(gè)可行的解決方案是通過多點(diǎn)磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管的長(zhǎng)度進(jìn)行傳遞。而該團(tuán)隊(duì)開發(fā)和設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)度為80毫米，直徑為2毫米的全成型軟磁導(dǎo)管，能夠在人體解剖中按照特定的方向傳遞。

不僅如此，該磁觸手機(jī)器人還可以根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行特定的術(shù)前掃描。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了導(dǎo)管的磁化剖面和形狀驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。

開發(fā)新型機(jī)器人系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)的局限性

雙臂磁磁觸手機(jī)器人部分實(shí)驗(yàn)圖

目前，臨床上大部分醫(yī)生都在使用一種支氣管鏡儀器對(duì)肺部和氣道進(jìn)行檢查，將直徑約3.5毫米～4毫米的柔性管狀器械通過鼻子或嘴巴進(jìn)入支氣管通道。由于這種柔性灌裝器械的尺寸限制，只能伸入到支氣管束的上層。

為了開發(fā)更適合臨床檢測(cè)的機(jī)器人系統(tǒng)，研究小組必須解決兩個(gè)主要難題：首先，該研究小組需要開發(fā)一種尺寸合適使用方便且能夠控制的支氣管樹檢測(cè)設(shè)備；其次，他們需要設(shè)計(jì)一個(gè)自主系統(tǒng)來引導(dǎo)磁性觸手機(jī)器人就位，從而減少醫(yī)生在手術(shù)過程中手動(dòng)將儀器操縱到位的過程。

由于第二種情況通常需要患者暴露于X射線之下，使醫(yī)務(wù)人員在安全性控制上具有一定的挑戰(zhàn)性。

為了改變傳統(tǒng)機(jī)器人的尺寸，同時(shí)保證遞送時(shí)的可控性，該研究小組用一系列相互連接的圓柱形材料制造了新的機(jī)器人。為了產(chǎn)生所需的瞬態(tài)磁場(chǎng)，他們還采用了雙機(jī)械臂系統(tǒng)，這些碎片是由一種柔軟的彈性體或類似橡膠的材料制成的，其中浸漬了微小的磁顆粒。

由于磁顆粒的存在，在外部磁場(chǎng)的作用下，機(jī)器人銜接在一起的部分可以在一定程度上獨(dú)立移動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)制作的3個(gè)獨(dú)立機(jī)器人原型，能夠在預(yù)先設(shè)定的條件下演示，進(jìn)而通過三維支氣管樹模型進(jìn)行最小接觸導(dǎo)航。

這種磁性觸手機(jī)器人不僅高度靈活，還能變形，尺寸足夠小，其最大的亮點(diǎn)是，可以避免被肺部的解剖結(jié)構(gòu)受到阻礙。

為患者量身定制，病變處采樣機(jī)器制導(dǎo)系統(tǒng)

從術(shù)前CT圖像到優(yōu)化的磁導(dǎo)管表征

為了調(diào)試磁觸手機(jī)器人的性能，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)四個(gè)單獨(dú)設(shè)計(jì)的導(dǎo)尿管和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比。

他們發(fā)現(xiàn)，這些導(dǎo)尿管只在垂直方向的頂端有軸向磁化曲線，用外部磁鐵引導(dǎo)的方法，展示了高50%的準(zhǔn)確跟蹤，在最先進(jìn)的導(dǎo)航過程中可減50%的障礙接觸時(shí)間，并將瞄準(zhǔn)誤差提高了90%。

值得關(guān)注的是，該團(tuán)隊(duì)可以為患者量身定制機(jī)器制導(dǎo)系統(tǒng)，使得磁觸手機(jī)器人在人體外部機(jī)器臂上磁鐵的作用下，引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)入人體內(nèi)部。人體導(dǎo)管中的磁顆粒能在體外磁鐵的引導(dǎo)下改變運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)磁觸手機(jī)器人從病人肺部到達(dá)患病部位時(shí)，可在此部位采樣或進(jìn)行輔助治療。

可以說，這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)造了一種低成本內(nèi)窺鏡的原型，能夠?qū)θ梭w上消化道進(jìn)行研究，進(jìn)而讓購(gòu)買不起昂貴篩查設(shè)備的中低收入國(guó)家受益。

然而，該磁性觸手機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)院的臨床應(yīng)用，可能還需要幾年時(shí)間。據(jù)悉，利茲大學(xué)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室正在努力改變內(nèi)窺鏡和導(dǎo)管研究中的使用技術(shù)。