科學家開發(fā)兩毫米直徑的磁性機械手機器人通過磁力引導可在肺部精準采樣或癌癥治療

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

2020年12月，利茲大學風暴實驗室彼得羅·瓦爾達斯特里教授團隊開發(fā)出一種機器人輔助結(jié)腸鏡檢查，該技術(shù)可以通過外界工具引導，使得檢測儀器精確地到達人體內(nèi)患病部位。這為醫(yī)生提供了一種深入人體內(nèi)部檢測的新思路，同時也幫患者減輕因傳統(tǒng)檢測帶來的痛苦。

機器人磁性柔性內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

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

彼得羅·瓦爾達斯特里團隊本次開發(fā)了一種直徑僅有2毫米的“磁觸手機器人”，如果用可視化的物體來描述，該機器人的尺寸僅有約圓珠筆筆尖的2倍，如此大小的機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，相關論文以《用于創(chuàng)傷自主內(nèi)窺鏡的患者專用磁導管》為題發(fā)表在Soft Robotics上，由利茲大學風暴實驗室教授彼得羅·瓦爾達斯特里擔任通訊作者。

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

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磁觸手機器人

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，這需要對檢測物的自由度進行更多地控制，在此情況下往往需要使用大直徑的儀器。

在不增加導管尺寸的情況下，一個可行的解決方案是通過多點磁驅(qū)動導管的長度進行傳遞。而該團隊開發(fā)和設計了一種長度為80毫米，直徑為2毫米的全成型軟磁導管，能夠在人體解剖中按照特定的方向傳遞。

不僅如此，該磁觸手機器人還可以根據(jù)患者的實際情況進行特定的術(shù)前掃描。同時，該團隊還優(yōu)化了導管的磁化剖面和形狀驅(qū)動場。

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

雙臂磁磁觸手機器人部分實驗圖

目前，臨床上大部分醫(yī)生都在使用一種支氣管鏡儀器對肺部和氣道進行檢查，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)更適合臨床檢測的機器人系統(tǒng)，研究小組必須解決兩個主要難題：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設備；其次，他們需要設計一個自主系統(tǒng)來引導磁性觸手機器人就位，從而減少醫(yī)生在手術(shù)過程中手動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)機器人的尺寸，同時保證遞送時的可控性，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器人。為了產(chǎn)生所需的瞬態(tài)磁場，他們還采用了雙機械臂系統(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，在外部磁場的作用下，機器人銜接在一起的部分可以在一定程度上獨立移動，該團隊制作的3個獨立機器人原型，能夠在預先設定的條件下演示，進而通過三維支氣管樹模型進行最小接觸導航。

這種磁性觸手機器人不僅高度靈活，還能變形，尺寸足夠小，其最大的亮點是，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，病變處采樣機器制導系統(tǒng)

從術(shù)前CT圖像到優(yōu)化的磁導管表征

為了調(diào)試磁觸手機器人的性能，該團隊針對四個單獨設計的導尿管和機械設備進行了對比。

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

值得關注的是，該團隊可以為患者量身定制機器制導系統(tǒng)，使得磁觸手機器人在人體外部機器臂上磁鐵的作用下，引導設備進入人體內(nèi)部。人體導管中的磁顆粒能在體外磁鐵的引導下改變運動方向，當磁觸手機器人從病人肺部到達患病部位時，可在此部位采樣或進行輔助治療。

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

然而，該磁性觸手機器人技術(shù)在醫(yī)院的臨床應用，可能還需要幾年時間。據(jù)悉，利茲大學風暴實驗室正在努力改變內(nèi)窺鏡和導管研究中的使用技術(shù)。