面向血管介入手术的磁控导丝机器人技术原理

中国科学院深圳先进技术研究院集成所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，在磁驱动连续体微型机器人领域取得新进展。团队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。通过该系统介入医生能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，有效减少医生的辐射暴露。团队提出了磁性导丝的建模方法与轨迹规划方法，为磁性导丝的自动控制奠定基础。

　　研究成果以A Magnetically Controlled Guidewire Robot System with Steering and Propulsion Capabilities for Vascular Interventional Surgery为题，发表在智能系统领域权威期刊Advanced Intelligent Systems （JCR一区，影响因子：7.4）。智能仿生中心徐天添课题组博士研究生付仕雄为第一作者，先进院徐天添研究员和深大华南医院杜世伟主任医师为通讯作者。 

　　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操作技术。神经介入手术是治疗各种脑血管疾病的重要手段，对医生经验要求很高。偏远地区的介入医疗资源紧缺。医生需要在造影下观察导丝位置，累积的辐射有损健康。对此，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，可以协助医生远程操控，或替代医生自动化控制，能有效减少医生的辐射暴露和支援偏远地区。团队在导丝的尖端连接一段磁性水凝胶材料，使医用介入导丝具有磁响应，可在外部磁场的驱动下灵活转向，并通过影像系统反馈位置。团队结合偶极子模型和Cosserat-rod模型，建立了连续体力学模型预测导丝尖端的变形，并开发了轨迹规划算法，根据血管的路径推断外部驱动磁铁的位置轨迹和推进器速度实现自主控制。 

　　团队通过磁场表征和转向表征实验，证实提出的模型可以预测并重建导丝尖端的非线性变形。团队实现了介入导丝的自主控制，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四条不同的路径分别到达大脑中动脉的四个目标位置，到达时间均小于2分钟。团队也实现了介入导丝的远程控制。介入医生在操作间外，在DSA影像的实时引导下远程控制磁性导丝，通过血管模型的右侧内颈动脉到达目标位置，用时大约为2分钟。未来，科研团队将继续研究磁控导丝机器人系统的智能控制，帮助医生更高效、安全地完成介入手术。 

　　该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金（优青，联合重点）、广东省粤深联合重点、中科院青促会、深圳市重点等科技项目资助。

　　图1：磁控导丝机器人系统集成 

　　图2：磁性导丝建模 

图3：磁驱动介入导丝的体外自主运动 

视频1：磁驱动介入导丝的体外自主运动

（视频经过加速处理）

图4：磁驱动介入导丝的在DSA影像引导下的远程操控 

视频2：磁驱动介入导丝的在DSA影像引导下的远程操控

（视频经过加速处理）