近期，中国科学院深圳先进技术研究院智能仿生中心团队和深圳大学附属华南医院神经外科团队合作，提出了一种具有磁驱动主动转向和自主推进能力的磁性介入导丝机器人系统。

通过该系统，医生可远程操控磁性导丝在复杂的血管分叉处快速选择正确路径并到达目标部位，有效减少辐射暴露。研究提出的磁性导丝建模方法与轨迹规划算法，为磁性导丝的自动控制奠定了基础。8月31日，最新成果发表于《先进智能系统》。

磁控导丝机器人系统问世

血管介入手术是在医学影像设备的导引下，利用导丝、导管等器械经血管途径诊疗的技术。在介入医疗资源紧缺的地区，医生需要在造影下观察导丝位置，但长期累积的辐射有损健康。

对此，该团队提出一种具有磁驱动主动转向和自主推进能力的磁性介入导丝机器人系统。研究人员在医用介入导丝尖端连接一段磁性水凝胶材料，使其具有磁响应能力，可在外部磁场驱动下灵活转向，并通过影像系统反馈位置。此外，研究人员建立了可预测及重建导丝尖端非线性变形的连续体力学模型，并开发了轨迹规划算法，根据血管路径推断外部驱动磁铁的位置、轨迹以及推进器速度，进而实现自主控制。

“通过磁控导丝机器人，医生可借助数字减影血管造影，在复杂的血管分叉处快速选择正确路径，并精准到达目标部位。”徐天添介绍，“磁控导丝机器人具有主动转向和自主推进能力，医生可以远程操控，既能有效减少手术中的辐射，也能在线对偏远地区患者进行手术。”

由于血管介入手术受限于医生的经验和技能水平，经验较丰富的医生进行此类手术时，用时较短，或优于磁控导丝机器人，而拥有一般经验的医生则耗时较长。“依据已知血管路径，通过磁控导丝机器人进行血管介入，从穿刺点到目标位置用时小于2分钟。”杜世伟介绍，借助数字减影血管造影，医生在线远程控制磁控导丝机器人，从穿刺点到目标位置用时大约为2分钟。

研究人员介绍，未来该团队将继续研究对磁控导丝机器人的智能控制，帮助医生更高效、安全地完成血管介入手术。

问题的关键在导丝

中风即脑卒中，是中国人的头号杀手。来自中国疾病预防控制中心的数据触目惊心，我国现有中风患者 7000 万人，每年新发中风 200 万人，每 12 秒就有一个中国人发生中风。医学界认为，如果能在发病后 90 分钟内进行治疗，患者的生存率会得到显著增加。那么，如果能设计出在这个黄金时段内阻止血管阻塞的装置，就有可能避免脑组织的永久性损伤。

目前，医院普遍采用的血管介入治疗需要技术熟练医生进行操作。这是一种微创治疗方式，仅需要在皮肤上开几毫米大小的切口，在腿部或腹股沟主动脉处插入导管和导丝，目的是让导管通过即可，之后医生在X射线造影引导下，通过导管导丝前进或旋转，待导管携带的支架到达病灶部位释放后，再撤回导管导丝。

这个过程有不少问题。其一，人体血管弯曲且分支较多，尤其是脑血管更加细小复杂，长时间的手术过程中容易出现手术操作失误。其二，医生手术时往往穿厚重的防辐射铅衣，这加重了医生的负担，且这种防辐射的方法不能保证医生完全避免辐射。其三，微创手术非常考验医生的操作水平，能熟练操作手术的医生数量远远少于病患所需。在偏远城市或农村地区，这种现象尤为突出。

目前已经有多种手术机器人研究旨在克服上述障碍。这些机器人利用磁导航、记忆合金、钢丝绳索、液压来控制导丝速度和方向。然而这些机器人都遇到小型化挑战，如今最先进的线形机器人更多用于心脏和外周血管干预，但无法用到血管更细小、更曲折的神经外科。

而这种微型导丝机器人，可以巡航复杂微小血管网络，也减少医生受到的辐射。

磁控软体机器人来穿针引线

研究团队开发了一种磁控导丝，该导丝可以在狭窄而曲折的路径中主动滑行，例如在大脑的血管系统中运动。

这种含水凝胶涂层的导丝是一种磁控装置，可用于处理某些脑部阻塞，例如中风或动脉瘤，提供减少血凝块的疗法和其他治疗方法。为了清除大脑中的血凝块，通常会采用微创手术，外科医生将一根细的导管穿过患者的主动脉插入大腿或腹股沟，然后手动操纵细丝直达受损的脑血管。

该过程中医用导管需要经过专门培训的外科医生来进行操作。导管由包裹着聚合物的金属合金管芯构成。研究人员说，如果导管要是被卡在特别狭窄的空间中，那么可能会摩擦并损坏血管内壁。为了帮助改善这种血管内手术，研究团队将他们在水凝胶和磁致驱动方面的工作结合起来，制成了可磁控水凝胶涂层的磁控导丝，他们能够将其制成足够细的直径，以引导通过与人体大脑血管组织相仿的硅胶复制品。

他们通过使用大型磁铁操纵导丝通过小直径的环形障碍的过程来展示磁控导丝的精确性和灵活性，这个过程令人想起了如何让线穿过针眼。研究人员还在人体大脑血管组织相仿的硅胶仿制品中测试了这种磁控导丝，含有在对实际患者的大脑进行CT扫描后建模的血块和动脉瘤。他们用模拟血液粘度的液体填充了硅树脂仿制品，然后在模型周围手动操纵一块大磁铁，以引导磁控导丝通过容器中弯曲的狭窄路径。

由血栓阻塞造成的中风等心血管疾病是导致人类死亡和残疾的最主要原因之一。当前用于血管内介入除栓手术的传统机械导丝具有固定端头，在复杂血管网络中巡航能力差。

新型磁控导丝机器人比传统导丝巡航速度快几倍。实验表明，根据已知的血管路径，通过磁场控制，导丝在血管模型内从穿刺点经过4条不同路径分别到达大脑中动脉的4个目标位置，用时均小于2分钟。在血管造影影像的实时引导下，医生远程控制磁性导丝通过血管模型的右侧内颈动脉到达目标位置，用时约2分钟。

文章来源： 中国科学报，消息动态，DeepTech深科技，3D实验室