香港科技大學(xué)：面向介入式診療的亞毫米光纖內(nèi)窺機(jī)器人

小型連續(xù)體機(jī)器人憑借其能夠進(jìn)入狹窄腔體的能力、微創(chuàng)和低感染風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)，為體內(nèi)介入診斷和治療開(kāi)辟了新的道路。盡管小型連續(xù)體機(jī)器人帶來(lái)了小輪廓、精確轉(zhuǎn)向和可視化治療的前景，但同時(shí)具備這三個(gè)重要特征對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也就是所謂的“不可能三角”問(wèn)題。

近期，香港科技大學(xué)（HKUST）工程學(xué)院申亞京教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種用于介入診斷和治療的磁驅(qū)光纖連續(xù)體機(jī)器人，展示了高精度控制和內(nèi)窺下多功能生物醫(yī)學(xué)操作能力。這款連續(xù)體機(jī)器人不僅借助微納3D打印和磁噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.95mm的極小輪廓，同時(shí)具有競(jìng)爭(zhēng)力的成像性能，并將障礙物檢測(cè)距離提升至9.4mm左右，比理論極限提高了十倍。此外，該機(jī)器人具備出色的運(yùn)動(dòng)精度（小于30μm），并可通過(guò)掃描方式將成像區(qū)域擴(kuò)大至光纖束固有視野的25倍。在離體豬肺試驗(yàn)中，該機(jī)器人進(jìn)一步驗(yàn)證了其在受限通道（如肺部末端支氣管）導(dǎo)航和原位執(zhí)行多功能操作（包括采樣、藥物輸送和激光消融）等方面的實(shí)用性。通過(guò)克服現(xiàn)有連續(xù)體機(jī)器人在受限通道環(huán)境中執(zhí)行精確內(nèi)窺操作的局限性，該研究闡明了通過(guò)設(shè)計(jì)小型連續(xù)體機(jī)器人以進(jìn)入身體內(nèi)更具挑戰(zhàn)性區(qū)域的新潛力，并拓寬了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

該工作以題為“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities”的論文發(fā)表在最新一期頂級(jí)綜合學(xué)科期刊《Nature Communications》上。博士后研究員張鐵山博士和李根博士為共同第一作者。

本研究的整體概念如圖1所示。圖1a示意了現(xiàn)有機(jī)器人所存在“不可能三角”關(guān)系。為了解決上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光纖的連續(xù)體機(jī)器人，其具有亞毫米級(jí)輪廓，可以執(zhí)行高精度運(yùn)動(dòng)并在原位進(jìn)行多功能操作，能夠輕松介入體內(nèi)一系列受約束的通道環(huán)境，例如肺部末端支氣管區(qū)域（圖1b）。這項(xiàng)工作著重探索了纖維內(nèi)窺機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)和小型化制造方法，實(shí)物如圖1c所示。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的纖維內(nèi)窺機(jī)器人主要由用于成像的光纖陣列、實(shí)施治療的定制工具、部署光纖/工具的中空骨架和用于控制的功能化皮膚組成。

基于中心光纖傳像束和幾根環(huán)形布置的光導(dǎo)纖維，此機(jī)器人能展現(xiàn)較好的原位成像能力，可用于疾病診斷。此外，通過(guò)嵌入激光光纖或微管，可實(shí)現(xiàn)激光或流體藥物輸送到病理靶點(diǎn)，進(jìn)行可視化治療。而為了精確控制探頭的運(yùn)動(dòng)，團(tuán)隊(duì)提出了功能化皮膚的策略。首先，團(tuán)隊(duì)使用磁噴涂技術(shù)，將一層磁性彈性體覆蓋在表面，使探頭在磁場(chǎng)下具有主動(dòng)轉(zhuǎn)向能力，這種加工方法幾乎不增加其輪廓尺寸。然后，團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人身體的外表面上進(jìn)一步涂覆一層水凝膠皮膚，增加親水性，從而減少介入手術(shù)過(guò)程中的潛在摩擦。該機(jī)器人前端探頭的詳細(xì)結(jié)構(gòu)以及功能如圖1d所示。

圖1. 具有成像、操縱和醫(yī)療操作能力的基于光纖的亞毫米連續(xù)體機(jī)器人。

其中亞毫米空心骨架是通過(guò)摩方精密nanoArch® S140（精度：10μm）3D打印系統(tǒng)制備而成，設(shè)計(jì)的骨架結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)比較如下。

表1.空心骨架結(jié)構(gòu)尺寸。

圖2.骨架結(jié)構(gòu)比較。

為了探索纖維內(nèi)窺機(jī)器人的成像性能以及輔助導(dǎo)航功能，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的內(nèi)窺成像光學(xué)系統(tǒng)，如圖3a所示。通過(guò)建立光路的虛擬直射模型，分析了該探頭的光路傳輸分布情況（圖3b）。理論計(jì)算（圖3c）以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量（圖3d）顯示出較高的吻合度，均表明隨著距離ds的增加，所接收到的光通量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，且峰值出現(xiàn)在距離探頭約1mm處；此外，接收的光通量還隨著偏移量dr的增加而增加，直到dr=0.225mm（光纖束的半徑），之后保持穩(wěn)定。其中，接收的光通量峰值代表了后端相機(jī)的過(guò)曝狀態(tài)，也即是說(shuō)明了最大的清晰成像區(qū)域應(yīng)在該距離以?xún)?nèi)。而在成像區(qū)域內(nèi)，所提出的內(nèi)窺成像系統(tǒng)可以清晰地捕獲物體，例如大小約為250μm的數(shù)字符號(hào)“5”，如圖3a所示。

為了實(shí)現(xiàn)有效和安全的導(dǎo)航，具備在超過(guò)理論最大成像距離（1mm）更遠(yuǎn)的區(qū)域進(jìn)行探索的能力至關(guān)重要，其可用于提前識(shí)別分叉和障礙物，從而做出正確決策（進(jìn)入或繞過(guò)）。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于強(qiáng)度分布的環(huán)境探索策略。如圖3e所示，當(dāng)一個(gè)物體偏移放置在前面時(shí)，通過(guò)中心光纖束收集的光強(qiáng)在內(nèi)窺視圖內(nèi)的不同象限是有區(qū)別的，即如果物體位于這個(gè)象限，強(qiáng)度會(huì)更高，而如果前方無(wú)遮擋，強(qiáng)度則會(huì)更低。因此，即使沒(méi)有清晰的圖像，研究實(shí)驗(yàn)也可以將收集到的各象限內(nèi)光強(qiáng)度作為預(yù)測(cè)環(huán)境的參數(shù)。通過(guò)分析四個(gè)象限內(nèi)各自的光強(qiáng)度和相應(yīng)歸一化值的變化，不僅可以識(shí)別前方是否有障礙物，還可以估計(jì)其相對(duì)于探頭的相對(duì)方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此策略能實(shí)現(xiàn)將模糊障礙物檢測(cè)距離擴(kuò)大約10倍，達(dá)到約9.4mm（圖3f）。

圖3. 纖維內(nèi)窺機(jī)器人的成像系統(tǒng)特征。

為了實(shí)現(xiàn)纖維內(nèi)窺機(jī)器人的主動(dòng)控制，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩段式磁控策略以獲得復(fù)雜通道環(huán)境中的大角度導(dǎo)向和病理區(qū)域高精度定位的復(fù)合性能。如圖4a所示，連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由兩組磁驅(qū)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即磁性軟鞘和磁驅(qū)探頭。前者由永磁體驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)范圍，后者由三自由度（3DOF）亥姆霍茲線圈驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)高精度。如圖4c、d和e所示，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)三種典型的測(cè)試軌跡，即正方形、圓形和螺旋形，驗(yàn)證了其在3D空間中的運(yùn)動(dòng)精度約為30μm。高精度的運(yùn)動(dòng)能力使機(jī)器人能夠突破傳統(tǒng)傳像纖維束固有的視覺(jué)限制。如圖4f所示，利用磁性探頭的高定位精度，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)探頭視圖在每幀中的位置。通過(guò)設(shè)計(jì)掃描軌跡，在無(wú)縫拼接圖像后，可以在更大的視野中獲得樣本的完整信息。該團(tuán)隊(duì)以一個(gè)直徑約為3.0mm的紫荊花圖案為例（圖4f），通過(guò)對(duì)其中一片葉子進(jìn)行掃描成像，清晰地展示了葉子的完整圖像（圖4g）。該掃描效果展現(xiàn)了成像區(qū)域的顯著擴(kuò)展，比光纖束的固有視野增加了約25倍。

圖4. 纖維內(nèi)窺機(jī)器人的高精度操縱。

此外，為了證明所提出的機(jī)器人系統(tǒng)在腔道環(huán)境內(nèi)的磁導(dǎo)航和成像能力，團(tuán)隊(duì)打印了一個(gè)1:1的透明支氣管樹(shù)模型并進(jìn)行了介入實(shí)驗(yàn)（圖4h）。如圖4i所示，在后端推進(jìn)機(jī)構(gòu)和外加梯度磁場(chǎng)的配合下，該體機(jī)器人可成功穿越分叉環(huán)境到達(dá)成像目標(biāo)區(qū)域并執(zhí)行原位成像任務(wù)（圖4i-2展示了掃描所得邊長(zhǎng)為200μm的網(wǎng)格圖案）。然后，機(jī)器人被引導(dǎo)至右支氣管通道，并最終到達(dá)末端支氣管找到血栓（紅色凝塊）。

本研究集小尺寸、主動(dòng)轉(zhuǎn)向和成像能力為一體，有望促進(jìn)狹窄通道疾病的早期有效診斷和治療，例如肺端支氣管疾病。為了證明這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在預(yù)設(shè)的微尺度功能腔搭載不同的醫(yī)療工具（例如激光光纖、微管等），利用豬肺模型進(jìn)行了一系列離體實(shí)驗(yàn)，包括采樣、藥物輸送和激光消融等任務(wù)（圖5a）。通過(guò)DSA圖像，該團(tuán)隊(duì)首先證實(shí)了探頭能成功進(jìn)入內(nèi)徑約為1.0mm的末端支氣管。此外，探頭在介入過(guò)程中檢測(cè)到支氣管內(nèi)存在小氣泡（圖5b-2）。通過(guò)搭載的微管進(jìn)行負(fù)壓抽吸收集了對(duì)應(yīng)的液體樣本，其在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)了明顯的粘性特征和許多微米級(jí)氣泡（圖5b-3）。其后，該團(tuán)隊(duì)演示了藥物遞送過(guò)程（圖5c）。通過(guò)將液體藥物（以高錳酸鉀溶液為例）輸送至探頭前端，可在解剖后的支氣管末端內(nèi)表面清晰觀察到棕色藥物（圖5c-4）。再者，該團(tuán)隊(duì)利用搭載的激光光纖演示了激光燒蝕過(guò)程（圖5d），經(jīng)過(guò)遞送激光的高能量燒蝕，末端支氣管內(nèi)表面能清晰看到一個(gè)直徑約為300μm的小疤痕（圖5d-4），從而證實(shí)了激光消融在狹窄通道中的療效。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證所述結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)對(duì)治療過(guò)的支氣管組織進(jìn)行了病理切片實(shí)驗(yàn)。H&E染色結(jié)果顯示，正常支氣管結(jié)構(gòu)與藥物輸送和激光消融區(qū)域之間存在顯著差異（圖5e）。

圖5. 纖維內(nèi)窺機(jī)器人在離體豬肺模型中的功能演示。

總結(jié)：該研究開(kāi)發(fā)了一種亞毫米纖維內(nèi)窺機(jī)器人，成功克服了小輪廓、高精度控制和功能操作之間的明顯沖突。為了實(shí)現(xiàn)所需的小輪廓，該研究采用光纖陣列作為核心元件，并利用微納3D打印技術(shù)制造探頭的骨架。為了實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍地控制探頭，該研究利用磁噴霧技術(shù)為機(jī)器人覆蓋了磁性皮膚，并提出了一種兩段式磁致動(dòng)策略。最后，為了滿(mǎn)足原位功能性手術(shù)的要求，該研究在探頭內(nèi)為各種手術(shù)工具預(yù)設(shè)了一個(gè)功能性腔道。利用機(jī)器人的上述三方面功能，該研究最終實(shí)現(xiàn)了在肺支氣管樹(shù)模型內(nèi)的成功導(dǎo)航，并在尺寸約為1.0mm的離體豬肺末端支氣管內(nèi)展示了多種原位手術(shù)操作。這項(xiàng)工作有望為臨床手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展提供關(guān)鍵的解決方案，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)身體內(nèi)部受限區(qū)域的早期診斷和治療，從而進(jìn)一步提升其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的強(qiáng)大潛力。