這是一款可轉(zhuǎn)向的磁控線形機器人，可以在腦血管這樣的狹窄空間主動滑行，重要的是，這種血管造影導(dǎo)絲具有在迂曲血管中強大的穿越能力。
圖 | 導(dǎo)絲軟機器人游走在人類顱內(nèi)動脈多發(fā)性動脈瘤硅膠模型中，導(dǎo)絲直徑為 0.6 毫米。（來源：趙選賀）
可以想象得到，將來醫(yī)生可以遠(yuǎn)程操控這種機器人，輔以現(xiàn)有的血管治療手段來治療腦阻塞和病變。
8 月 29 日，這項來自麻省理工學(xué)院機械工程系副教授趙選賀（Xuanhe Zhao）團隊的研究發(fā)表在《科學(xué)機器人》（Science Robotics ）。
問題的關(guān)鍵在導(dǎo)絲
中風(fēng)即腦卒中，是中國人的頭號殺手。來自中國疾病預(yù)防控制中心的數(shù)據(jù)觸目驚心，我國現(xiàn)有中風(fēng)患者 7000 萬人，每年新發(fā)中風(fēng) 200 萬人，每 12 秒就有一個中國人發(fā)生中風(fēng)。
醫(yī)學(xué)界認(rèn)為，如果能在發(fā)病后 90 分鐘內(nèi)進行治療，患者的生存率會得到顯著增加。那么，如果能設(shè)計出在這個黃金時段內(nèi)阻止血管阻塞的裝置，就有可能避免腦組織的永久性損傷。
目前，醫(yī)院普遍采用的血管介入治療需要技術(shù)熟練醫(yī)生進行操作。這是一種微創(chuàng)治療方式，僅需要在皮膚上開幾毫米大小的切口，在腿部或腹股溝主動脈處插入導(dǎo)管和導(dǎo)絲，目的是讓導(dǎo)管通過即可，之后醫(yī)生在X射線造影引導(dǎo)下，通過導(dǎo)管導(dǎo)絲前進或旋轉(zhuǎn)，待導(dǎo)管攜帶的支架到達(dá)病灶部位釋放后，再撤回導(dǎo)管導(dǎo)絲。
這個過程有不少問題。其一，人體血管彎曲且分支較多，尤其是腦血管更加細(xì)小復(fù)雜，長時間的手術(shù)過程中容易出現(xiàn)手術(shù)操作失誤。其二，醫(yī)生手術(shù)時往往穿厚重的防輻射鉛衣，這加重了醫(yī)生的負(fù)擔(dān)，且這種防輻射的方法不能保證醫(yī)生完全避免輻射。其三，微創(chuàng)手術(shù)非?？简炨t(yī)生的操作水平，能熟練操作手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于病患所需。在偏遠(yuǎn)城市或農(nóng)村地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為突出。
目前已經(jīng)有多種手術(shù)機器人研究旨在克服上述障礙。這些機器人利用磁導(dǎo)航、記憶合金、鋼絲繩索、液壓來控制導(dǎo)絲速度和方向。然而這些機器人都遇到小型化挑戰(zhàn)，如今最先進的線形機器人更多用于心臟和外周血管干預(yù)，但無法用到血管更細(xì)小、更曲折的神經(jīng)外科。
趙選賀團隊希望設(shè)計一款遠(yuǎn)程控制的微型導(dǎo)絲機器人，可以巡航復(fù)雜微小血管網(wǎng)絡(luò)，也減少醫(yī)生受到的輻射。
磁控軟體機器人來穿針引線
視頻 | 磁控軟體機器人游走在人類顱內(nèi)動脈多發(fā)性動脈瘤硅膠模型中，避免了接觸血管內(nèi)壁，導(dǎo)絲直徑為 0.6 毫米。（來源：Science Robotics）
視頻 | 水凝膠皮膚的軟體機器人與目前的商業(yè)導(dǎo)絲在模型中的使用對比。（來源：Science Robotics）
趙選賀團隊這款導(dǎo)絲稱為鐵磁軟機器人。它由磁性軟材料構(gòu)成，其中磁化或可磁化的微粒均勻分布在軟質(zhì)聚合物基質(zhì)中，那么這就可以經(jīng)過打印或注塑得以實現(xiàn)亞毫米的小型化制造。同時，利用外部磁場可以精確控制這款軟機器人，讓它在血管內(nèi)蜿蜒爬行。
為了克服軟機器人在血管中穿越遇到的摩擦力，研究人員讓只有 10 微米到 25 微米厚度的水凝膠皮膚生長在機器人表面，因其是水合交聯(lián)聚合物，可有效降低表面摩擦。研究人員在血管模型中試驗發(fā)現(xiàn)，機器人的水凝膠涂層可以讓導(dǎo)絲擁有光滑屬性，能夠在緊湊的血管內(nèi)滑行而不會卡住。相比之下，現(xiàn)有的手動導(dǎo)絲前進中在血管壁上有明顯的拖行和摩擦，在分叉處需要手動導(dǎo)向，其前進速度比磁控軟體機器人慢很多，而且不容易到達(dá)復(fù)雜的微小血管分叉。
如今這個軟體機器人已經(jīng)在人體腦血管的硅膠模型上得到驗證，研究人員使用一塊大磁鐵，讓導(dǎo)絲穿針引線般精確到達(dá)了病灶區(qū)域。
圖 | 激光磁控軟體機器人游走在人類顱內(nèi)動脈多發(fā)性動脈瘤硅膠模型中，可以消除血栓，導(dǎo)絲直徑為 0.5 毫米。（來源：趙選賀）
機器人導(dǎo)絲可以被賦予更多功能，比如遞送藥物或用激光破壞掉血凝塊。研究人員可以用光纖替換掉鎳鈦合金核芯，這樣機器人還可以用激光來處理堵塞血栓。
這個研究也是趙選賀團隊過去幾年研究的集成。他們發(fā)明了水凝膠材料和磁控材料。前者是一種生物相容性材料，后者可以設(shè)計用來爬行、跳躍和抓取的 3D 打印磁力驅(qū)動材料。他們正是將兩者結(jié)合創(chuàng)造出這款機器人導(dǎo)絲。
由于機器人導(dǎo)絲無需外科醫(yī)生手工操作，也就意味著醫(yī)生不必靠近患者和輻射設(shè)備，這就減少了醫(yī)生遭受的輻射。
專訪趙選賀：導(dǎo)絲機器人比傳統(tǒng)導(dǎo)絲巡航速度快幾倍
DeepTech：外部磁場是如何施加的，是直接加上一塊大磁鐵嗎？如果只是加一塊磁鐵，導(dǎo)絲速度和方向的精確控制是如何實現(xiàn)的呢？
趙選賀：在這次報道的工作中是通過一塊磁鐵控制導(dǎo)絲機器人的。基于我們對機器人的設(shè)計（例如軸向磁極化等）和對機器人在磁場下形變的理解，即使用一塊磁鐵也可以達(dá)到比較精準(zhǔn)的控制。另外，現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化的醫(yī)療磁場發(fā)生裝置。在以后的工作中我們會引入這些裝置，更精確地控制磁場。
DeepTech：我們理解的機器人大都是計算機操控，那么這個線形機器人之所以被稱為機器人，僅僅是因為磁場操控嗎？
趙選賀：現(xiàn)在的機器人大多是通過計算機控制的，而且大多是由堅硬的零件構(gòu)成的。而我們這個工作代表一個新興的領(lǐng)域：軟體機器人，特別是軟體機器人在醫(yī)療中的應(yīng)用。在本工作中，我們展示了導(dǎo)絲軟體機器人可以在外加磁場的控制下，巡航復(fù)雜神經(jīng)血管網(wǎng)絡(luò)。在未來工作中，我們會引入計算機更準(zhǔn)確地調(diào)控磁場，來控制導(dǎo)絲軟體機器人完成各種工作。
DeepTech：這個研究的突破在于兩方面，由于磁性材質(zhì)能夠打印或注塑，那么亞毫米小型化就能實現(xiàn)；另外水凝膠表面讓機器人在血管里的摩擦力大大減少。不知這個理解是否準(zhǔn)確？
趙選賀：這個總結(jié)很好。這個工作對于軟體機器人領(lǐng)域是一個突破，因為：a. 磁控實現(xiàn)了無繩驅(qū)動；b. 打印或注塑一體成型，實現(xiàn)了微型化；c. 提供了軟體機器人的精準(zhǔn)模型，便于精確設(shè)計和控制。
另外，對于在人體內(nèi)的應(yīng)用，機器人上的水凝膠皮膚降低了摩擦系數(shù)十倍以上。這是軟體機器人在醫(yī)療應(yīng)用上的一個突破。
DeepTech：我看了視頻材料，有兩個疑問：其一，鐵磁軟機器人在血管內(nèi)的穿行速度明顯快于對照組，那么能不能估計對于一般導(dǎo)絲手術(shù)的時間能縮減多少？其二，摩擦力的減少有沒有定量的數(shù)據(jù)呢？
趙選賀：傳統(tǒng)J形導(dǎo)絲的巡航需要醫(yī)生扭轉(zhuǎn)導(dǎo)絲達(dá)到合適的角度。在巡航過程中，J形尖端在血管中拖動，而且有時需要從病人身體中取出導(dǎo)絲，改變J形的半徑，才能巡航到病灶。我們的軟體導(dǎo)絲機器人，尖端在不加磁場時是直的；在需要彎曲時，外加磁場，可以快速在血管中巡航。如果考慮有時需要把靜態(tài)導(dǎo)絲取出重新巡航， 導(dǎo)絲機器人可能比靜態(tài)導(dǎo)絲巡航速度快幾倍。在未來工作中，我們會根據(jù)具體任務(wù)做定量的測試。
至于摩檫力，我們有定量測量，水凝膠皮膚降低摩檫力 10 倍以上。
DeepTech：這個研究是在你們此前研究的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的，比如水凝膠的研究和磁控材料研究，那么能不能簡要介紹一下這個繼承沿襲的研究過程與思路？同時，我們也很想知道，你們下一步會研究會在哪些方面繼續(xù)？
趙選賀：我們組的研究基本上都是先做基礎(chǔ)研究，搭建技術(shù)平臺，然后在平臺上找對社會最有影響力的工作。中風(fēng)是中國人目前死亡的頭號誘因，而中風(fēng)如果得到及時救治是可能逆轉(zhuǎn)的。然而微創(chuàng)手術(shù)非?？简炨t(yī)生的操作水平，能熟練操作手術(shù)的醫(yī)生數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于病患所需。在偏遠(yuǎn)城市或農(nóng)村地區(qū)，這種現(xiàn)象尤為突出。我們覺得遠(yuǎn)程控制微創(chuàng)手術(shù)機器人，是一個有影響力的方向。
趙選賀簡介
聯(lián)系客服
