小型連續體機器人憑借其能夠進入狹窄腔體的能力、微創和低感染風險等優勢，為體內介入診斷和治療開辟了新的道路。盡管小型連續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，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了一種用于介入診斷和治療的磁驅光纖連續體機器人，展示了高精度控制和內窺下多功能生物醫學操作能力。這款連續體機器人不僅借助微納3D打印和磁噴涂技術實現了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。通過克服現有連續體機器人在受限通道環境中執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體機器人以進入身體內更具挑戰性區域的新潛力，并拓寬了其在生物醫學領域的應用潛力。
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體機器人，其具有亞毫米級輪廓，可以執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境，例如肺部末端支氣管區域（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形布置的光導纖維，此機器人能展現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、操縱和醫療操作能力的基于光纖的亞毫米連續體機器人。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，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先增加后減少的趨勢，且峰值出現在距離探頭尖端約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），之后保持穩定。其中，接收的光通量峰值代表了后端相機的完全過曝狀態，也即是說明了最大的清晰成像區域應在該距離以內。而在成像區域內，所提出的內窺成像系統可以清晰地捕獲物體，例如大小約為250μm的數字符號“5”，如圖3a所示。
為了實現有效和安全的導航，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，研究團隊提出了一種基于強度分布的環境探索策略。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境的參數。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特征。
為了實現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境中的大角度導向和病理區域高精度定位的復合性能。如圖4a所示，連續體機器人的運動由兩組磁驅系統來進行調節，即磁性軟鞘和磁驅探頭。前者由永磁體驅動以實現較大的運動范圍，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）。該掃描效果展現了成像區域的顯著擴展，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在腔道環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境到達成像目標區域并執行原位成像任務（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尖端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打印技術制造探頭尖端的骨架。為了實現高精度、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展提供關鍵的解決方案，旨在實現對身體內部受限區域的早期診斷和治療，從而進一步提升其在生物醫學應用領域的強大潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55199-6
