香港科技大學：面向介入式診療的亞毫米光纖內窺機器人

小型連續(xù)體機器人憑借其能夠進入狹窄腔體的能力、微創(chuàng)和低感染風險等優(yōu)勢，為體內介入診斷和治療開辟了新的道路。盡管小型連續(xù)體機器人帶來了小輪廓、精確轉向和可視化治療的前景，但同時具備這三個重要特征對于機器人來說仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，也就是所謂的“不可能三角”問題。

近期，香港科技大學（HKUST）工程學院申亞京教授研究團隊開發(fā)了一種用于介入診斷和治療的磁驅光纖連續(xù)體機器人，展示了高精度控制和內窺下多功能生物醫(yī)學操作能力。這款連續(xù)體機器人不僅借助微納3D打印和磁噴涂技術實現(xiàn)了0.95mm的極小輪廓，同時具有競爭力的成像性能，并將障礙物檢測距離提升至9.4mm左右，比理論極限提高了十倍。此外，該機器人具備出色的運動精度（小于30μm），并可通過掃描方式將成像區(qū)域擴大至光纖束固有視野的25倍。在離體豬肺試驗中，該機器人進一步驗證了其在受限通道（如肺部末端支氣管）導航和原位執(zhí)行多功能操作（包括采樣、藥物輸送和激光消融）等方面的實用性。通過克服現(xiàn)有連續(xù)體機器人在受限通道環(huán)境中執(zhí)行精確內窺操作的局限性，該研究闡明了通過設計小型連續(xù)體機器人以進入身體內更具挑戰(zhàn)性區(qū)域的新潛力，并拓寬了其在生物醫(yī)學領域的應用潛力。

該工作以題為“Sub-millimeter fiberscopic robot with integrated maneuvering, imaging, and biomedical operation abilities”的論文發(fā)表在最新一期頂級綜合學科期刊《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)有機器人所存在“不可能三角”關系。為了解決上述問題，該團隊提出了一種基于光纖的連續(xù)體機器人，其具有亞毫米級輪廓，可以執(zhí)行高精度運動并在原位進行多功能操作，能夠輕松介入體內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）。這項工作著重探索了纖維內窺機器人的集成設計和小型化制造方法，實物如圖1c所示。該團隊開發(fā)的纖維內窺機器人主要由用于成像的光纖陣列、實施治療的定制工具、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)形布置的光導纖維，此機器人能展現(xiàn)較好的原位成像能力，可用于疾病診斷。此外，通過嵌入激光光纖或微管，可實現(xiàn)激光或流體藥物輸送到病理靶點，進行可視化治療。而為了精確控制探頭的運動，團隊提出了功能化皮膚的策略。首先，團隊使用磁噴涂技術，將一層磁性彈性體覆蓋在表面，使探頭在磁場下具有主動轉向能力，這種加工方法幾乎不增加其輪廓尺寸。然后，團隊在機器人身體的外表面上進一步涂覆一層水凝膠皮膚，增加親水性，從而減少介入手術過程中的潛在摩擦。該機器人前端探頭的詳細結構以及功能如圖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)體機器人。

其中亞毫米空心骨架是通過摩方精密nanoArch® S140（精度：10μm）3D打印系統(tǒng)制備而成，設計的骨架結構尺寸和結構比較如下。

表1.空心骨架結構尺寸。

圖2.骨架結構比較。

為了探索纖維內窺機器人的成像性能以及輔助導航功能，該團隊設計了相應的內窺成像光學系統(tǒng)，如圖3a所示。通過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）。理論計算（圖3c）以及實驗測量（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，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的過曝狀態(tài)，也即是說明了最大的清晰成像區(qū)域應在該距離以內。而在成像區(qū)域內，所提出的內窺成像系統(tǒng)可以清晰地捕獲物體，例如大小約為250μm的數(shù)字符號“5”，如圖3a所示。

為了實現(xiàn)有效和安全的導航，具備在超過理論最大成像距離（1mm）更遠的區(qū)域進行探索的能力至關重要，其可用于提前識別分叉和障礙物，從而做出正確決策（進入或繞過）。為了應對這一挑戰(zhàn)，研究團隊提出了一種基于強度分布的環(huán)境探索策略。如圖3e所示，當一個物體偏移放置在前面時，通過中心光纖束收集的光強在內窺視圖內的不同象限是有區(qū)別的，即如果物體位于這個象限，強度會更高，而如果前方無遮擋，強度則會更低。因此，即使沒有清晰的圖像，研究實驗也可以將收集到的各象限內光強度作為預測環(huán)境的參數(shù)。通過分析四個象限內各自的光強度和相應歸一化值的變化，不僅可以識別前方是否有障礙物，還可以估計其相對于探頭的相對方向。實驗結果表明，此策略能實現(xiàn)將模糊障礙物檢測距離擴大約10倍，達到約9.4mm（圖3f）。

圖3. 纖維內窺機器人的成像系統(tǒng)特征。

為了實現(xiàn)纖維內窺機器人的主動控制，研究團隊提出了兩段式磁控策略以獲得復雜通道環(huán)境中的大角度導向和病理區(qū)域高精度定位的復合性能。如圖4a所示，連續(xù)體機器人的運動由兩組磁驅系統(tǒng)來進行調節(jié)，即磁性軟鞘和磁驅探頭。前者由永磁體驅動以實現(xiàn)較大的運動范圍，后者由三自由度（3DOF）亥姆霍茲線圈驅動以實現(xiàn)高精度。如圖4c、d和e所示，該團隊通過三種典型的測試軌跡，即正方形、圓形和螺旋形，驗證了其在3D空間中的運動精度約為30μm。高精度的運動能力使機器人能夠突破傳統(tǒng)傳像纖維束固有的視覺限制。如圖4f所示，利用磁性探頭的高定位精度，可以準確預測探頭視圖在每幀中的位置。通過設計掃描軌跡，在無縫拼接圖像后，可以在更大的視野中獲得樣本的完整信息。該團隊以一個直徑約為3.0mm的紫荊花圖案為例（圖4f），通過對其中一片葉子進行掃描成像，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)域的顯著擴展，比光纖束的固有視野增加了約25倍。

圖4. 纖維內窺機器人的高精度操縱。

此外，為了證明所提出的機器人系統(tǒng)在腔道環(huán)境內的磁導航和成像能力，團隊打印了一個1:1的透明支氣管樹模型并進行了介入實驗（圖4h）。如圖4i所示，在后端推進機構和外加梯度磁場的配合下，該體機器人可成功穿越分叉環(huán)境到達成像目標區(qū)域并執(zhí)行原位成像任務（圖4i-2展示了掃描所得邊長為200μm的網格圖案）。然后，機器人被引導至右支氣管通道，并最終到達末端支氣管找到血栓（紅色凝塊）。

本研究集小尺寸、主動轉向和成像能力為一體，有望促進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，該團隊通過在預設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），利用豬肺模型進行了一系列離體實驗，包括采樣、藥物輸送和激光消融等任務（圖5a）。通過DSA圖像，該團隊首先證實了探頭能成功進入內徑約為1.0mm的末端支氣管。此外，探頭在介入過程中檢測到支氣管內存在小氣泡（圖5b-2）。通過搭載的微管進行負壓抽吸收集了對應的液體樣本，其在光學顯微鏡下呈現(xiàn)了明顯的粘性特征和許多微米級氣泡（圖5b-3）。其后，該團隊演示了藥物遞送過程（圖5c）。通過將液體藥物（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表面清晰觀察到棕色藥物（圖5c-4）。再者，該團隊利用搭載的激光光纖演示了激光燒蝕過程（圖5d），經過遞送激光的高能量燒蝕，末端支氣管內表面能清晰看到一個直徑約為300μm的小疤痕（圖5d-4），從而證實了激光消融在狹窄通道中的療效。最后，為了進一步驗證所述結果，該團隊對治療過的支氣管組織進行了病理切片實驗。H&E染色結果顯示，正常支氣管結構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. 纖維內窺機器人在離體豬肺模型中的功能演示。

總結：該研究開發(fā)了一種亞毫米纖維內窺機器人，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打印技術制造探頭的骨架。為了實現(xiàn)高精度、大范圍地控制探頭，該研究利用磁噴霧技術為機器人覆蓋了磁性皮膚，并提出了一種兩段式磁致動策略。最后，為了滿足原位功能性手術的要求，該研究在探頭內為各種手術工具預設了一個功能性腔道。利用機器人的上述三方面功能，該研究最終實現(xiàn)了在肺支氣管樹模型內的成功導航，并在尺寸約為1.0mm的離體豬肺末端支氣管內展示了多種原位手術操作。這項工作有望為臨床手術機器人的發(fā)展提供關鍵的解決方案，旨在實現(xiàn)對身體內部受限區(qū)域的早期診斷和治療，從而進一步提升其在生物醫(yī)學應用領域的強大潛力。