Science Robotics刊发 螺旋磁性机器人可用于疏通血管治疗中风
治疗脑血管疾病的过程往往需要对受影响的体内区域进行干预。这一过程通常通过微创手术来完成，如利用导线和导管等细长设备，在医生的操控下穿越血液循环系统。手术效果很大程度上取决于医生的操作技巧以及设备在血液中抵达目标区域的精准度，然而曲折的血管往往对此造成阻碍。在血管转弯处，导管往往需要更高的灵活性，但也正是因为这种灵活性，限制了导管从近端到远端的推进。
为此，研究人员设计了一款高度灵活的螺旋磁性机器人，该机器人可通过旋转的方式向前推动，机器人表面的螺旋突起与血管壁紧密接触，并在每个接触点将旋转运动转化为前进动力。铰接式磁头能够实现主动转向，从而实现从主动脉弓至大脑毫米级动脉的导航。在人体血管模型及活猪血管中的成功导航，证明了磁性连续机器人应用于临床的有效性。
带有铰接磁头的螺旋式mCR
▍螺旋磁性机器人设计思路：
磁性连续机器人（mCR）是一种内嵌磁性材料装置，可通过远程磁导航（RMN）实现转向。在远程磁导航中，mCR 的远端通过外部磁场对嵌入的磁性材料施加磁力矩，从而实现无线转向。磁场通常低于 150 mT，由磁导航系统（MNS）产生，这是一种专门设计用于产生外部磁场以引导 mCR 的机器。一般来说，磁导航系统使用在机械臂上移动的大型永久磁铁或固定电磁铁，在这种情况下，系统被称为电磁导航系统（eMNS）。
由于电磁导航系统在速度和准确性方面的潜在优势，它在微创手术（包括心脏消融术和神经血管介入术）中越来越受到关注。电子 MNS 和永久性 MNS 均已实现商业化。在传统导管术中，导丝的选择和形状是成功的关键因素，也是临床医生在准备介入治疗时面临的关键挑战。磁导航具有在手术过程中自适应重塑磁性远端尖端的优势。
▍机器人系统设计：
该团队机器人平台采用了一种螺旋式mCR设计，mCR由eMNS产生的外部磁场引导。电磁导航系统由三个呈三角形排列的电磁铁组成，位于患者颅骨一侧。电磁铁阵列的高度可根据病人床的高度进行移动。mCR 由安装在病人床上的手术臂上的电动推进器推进。操作员通过专用用户控制台操纵 mCR，控制台可以在病人身边，也可以在远程操作环境中的远程位置。视觉反馈通过单平面透视成像设备生成的 X 射线图像提供。由于机器人操作系统具有高度的模块化和简单的多线程功能，因此这些子单元都与该系统相连接。
机器人系统概览
▍螺旋磁性微导管和导丝设计：
研究团队经过深入研究，设计了两种螺旋式mCR实施方案，能够用于在毫米级的大脑动脉中导航，包括大脑中动脉（MCA）的M1段（平均内径为3.1毫米）和更远的M2段（平均内径为2.4毫米）。
螺旋mCR和推进器设计
两种方案都包括一个扭矩传输骨架，其外表面刻有螺旋突起，外直径为0.7毫米，并配备了一个铰接式磁头，直径为0.8毫米。
方案一为可转向螺旋导丝，方案二为可转向螺旋微导管，两者均具备高度的灵活性和导航能力。
▍螺旋式 mCR 的模拟导航：
机器人辅助介入有助于介入后的数据分析记录。此类介入为数字实验进行介入分析、计划及练习提供了途径。这就需要高性能的模拟器，将模拟与现实之间的差距降到最低。
为了证明现实模拟的可行性，我们使用中描述的模拟框架开发了螺旋 mCR 模型，并使用补充材料中 "螺旋推力的分析表述 "部分概述的简单分析模型对其进行了增强。
体内、体外和硅学导航的并排比较
经由对比数字导航（硅内）与真实体内导航中所谓的“猪模型体内导航”部分，以及在3D打印模型上实施的体外导航，研究人员对该模拟器的有效性进行了验证。观察到这些导航在动态和定性行为方面具有高度相似性。
▍未来应用与展望：
目前该研究团队实验数据已通过人体血管体外模型进行测试，以及45千克重的雌性家猪体内进行实验。螺旋磁性机器人未来有望通过自主设备导航，来进行提早干预介入性治疗。其中一个非常有前景的应用领域是中风的远程治疗场景，这种治疗方案能够让农村地区以及偏远地区的病人获得更加及时且必要的微创手术治疗。