高級機器人研究

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軟機器人引導(dǎo)下的心臟跳動程序

雅各布·羅加金斯基, 多米尼克·雷科, 馬尼沙·辛格, 萊昂納多·薩莫拉·亞涅斯, 格蕾絲·馬修斯, 布萊恩·艾爾斯, 愛德華·奧利里, 埃倫·羅氏, 大衛(wèi)·霍根森, 托馬索·蘭扎尼

首次發(fā)布:2025年3月20日 https:///10.1002/adrr.202400023

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摘要

介入心臟病學(xué)中的微創(chuàng)手術(shù)通常使用缺乏遠端控制的工具和引入噪聲和不確定性的可視化方法來進行。這項工作在心臟再同步治療的背景下解決了這些并發(fā)癥，用于治療某些類型的心力衰竭。我們介紹了一種軟機器人，它可以在跳動的心臟內(nèi)主動引導(dǎo)現(xiàn)有的介入工具。該機器人通過軟操縱器提供可控的遠端靈活性，并通過支架狀的可擴展穩(wěn)定機構(gòu)提供被動穩(wěn)定性。使用這個平臺，通常被動的現(xiàn)有工具可以被引導(dǎo)向具有高空間分辨率和穩(wěn)定性的目標。因此，與單獨使用傳統(tǒng)設(shè)備相比，手術(shù)臨床醫(yī)生可以更有條理地探查心臟的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，從而減少手術(shù)時間。事實上，來自體外和體內(nèi)研究的結(jié)果顯示減少了總的手術(shù)時間，減少了來自X射線透視的輻射暴露，并且減少了來自解剖探查的不利影響。五項動物研究進一步證明，解剖探測和目標定位是心臟再同步治療最耗時的方面，機器人增強的靈活性緩解了這一主要困難。

1導(dǎo)言

在21世紀初，全世界大約有300萬人安裝了心臟起搏器，每年大約有60萬個新裝置被植入[1].不到十年后，每年有超過一百萬個心臟起搏器被植入2]，僅在美國就有大約20萬人[3].起搏器的一種用途是心臟再同步治療(CRT ),也稱為雙心室起搏4, 5].CRT用于治療某些患有充血性心力衰竭的患者，充血性心力衰竭在mathematical equation美國成年人的[6].為了實現(xiàn)心臟再同步，起搏器的傳導(dǎo)起搏導(dǎo)線被放置在冠狀竇(CS)的分支中，冠狀竇是心臟的主要靜脈引流系統(tǒng)。CS沿著心臟的房室溝延伸，通向右心房(RA ),使臨床醫(yī)生能夠從心臟的低壓靜脈側(cè)進入7].由于有大量關(guān)于其治療充血性心力衰竭的療效和安全性的數(shù)據(jù)，尤其是在特定類型心律失?；颊咧?，該程序是一種常見的一線治療方法[7, 8].它以微創(chuàng)的方式進行，由介入醫(yī)生引導(dǎo)導(dǎo)管通過上腔靜脈(SVC ),上腔靜脈是流入RA的兩個主要靜脈之一。一旦進入右心房，臨床醫(yī)生使用導(dǎo)向鞘、導(dǎo)管和導(dǎo)線的組合來定位冠狀動脈并探測其分支，此時可插入起搏導(dǎo)線。然而，據(jù)報道，多達四分之一的患者在導(dǎo)線推進和CS插管方面存在困難，總失敗率高達 [9-12–13].

CS引線放置的困難取決于多種因素。具有挑戰(zhàn)性的解剖特征，如阻塞性主動脈瓣或位置異常的竇口，會使插管所需的軌跡難以實現(xiàn)[12, 13].解剖差異也存在于病人之間，不同的病人給定工具的效力不同。視頻S1說明了心臟的相關(guān)解剖和特點，使CS插管的挑戰(zhàn)。此外，像引導(dǎo)鞘和血管造影導(dǎo)管這樣的傳統(tǒng)器械具有固定的尖端曲率，具有最小的遠端扭矩控制。因此，用傳統(tǒng)工具插管可能很麻煩，大約需要最少幾個小時[14].因為介入醫(yī)生依靠X射線透視來進行工具定位，所以患者和工作人員在此期間會暴露在大量輻射中[15, 16].更大的遠端尖端靈活性也可以減少進一步的并發(fā)癥，如心臟穿孔。

鑒于心力衰竭和心血管疾病的普遍存在，各公司越來越重視機器人輔助解決方案。事實上，自從直覺外科公司在2000年獲得FDA對達芬奇系統(tǒng)的批準后，機器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)成為各種外科領(lǐng)域的目標實踐標準17, 18].在心血管領(lǐng)域，機器人平臺傾向于用于外周和冠狀脈管系統(tǒng)中的導(dǎo)航，或者用于心臟標測和消融[19-21–22].例如，Hansen Medical開發(fā)的Sensei和Magellan平臺使用腱驅(qū)動護套來增加工具的可實現(xiàn)任務(wù)空間，同時符合小血管規(guī)模。Sensei特別用于心內(nèi)標測和消融[23]，而Magellan用于外周血管修復(fù)，如支架移植和動脈瘤修復(fù)[24].與Sensei系統(tǒng)類似，Amigo(導(dǎo)管精密公司)直接驅(qū)動電纜驅(qū)動的心臟標測導(dǎo)管[25]，而CorPath系統(tǒng)(Corindus Vascular Robotics)用于血管支架和球囊放置[26].Niobe機器人系統(tǒng)(立體定位公司)與其他機器人系統(tǒng)的不同之處在于它使用兩個外部永磁體進行驅(qū)動。外部驅(qū)動允許小型機器人導(dǎo)管具有高度靈活性，從而獲得批準用于外周和冠狀血管介入以及標測和消融[27, 28].盡管這些系統(tǒng)已經(jīng)證明是成功的，但是仍然沒有商用或其他類型的機器人來完成像CS定位和引線放置這樣具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

這項工作旨在填補機器人技術(shù)的空白，利用由柔性材料制成的機器人的靈活性和安全性29-32–33].軟機器人長期以來一直是外科領(lǐng)域的研究主題，尤其是在內(nèi)窺鏡檢查領(lǐng)域的應(yīng)用34-37–38]，神經(jīng)學(xué)[39-42–43]，肺病學(xué)[44-46–47]，和心臟病學(xué)[48-56–57].在這些列出的作品中，Gopesh等人的研究代表了迄今為止最小的流體致動機器人導(dǎo)管[43].其在外周脈管系統(tǒng)中的體內(nèi)驗證強調(diào)了流體驅(qū)動的有效性，即使在小規(guī)模下。此外，流體驅(qū)動的使用使其能夠最大限度地減少磁驅(qū)動方法所需的昂貴而龐大的外部設(shè)備[19, 50]并克服電纜驅(qū)動致動中經(jīng)歷的傳輸損耗和不穩(wěn)定性[58, 59].由于快速的彈性能量耗散，同心管的驅(qū)動同樣面臨著突然運動形式的不穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，特別是當機器人的無支撐長度增加時60].為了克服這些挑戰(zhàn)，本文介紹的工作利用了流體軟驅(qū)動在心血管系統(tǒng)中有效運行的優(yōu)勢。與Gopesh等人的工作不同，我們專注于心內(nèi)工作空間內(nèi)的操作，克服與跳動的心臟相關(guān)的挑戰(zhàn)[61].

作者之前的工作表明，可展開的穩(wěn)定機構(gòu)與可折疊的軟機械臂相結(jié)合，能夠在模擬的心臟跳動條件下實現(xiàn)遠端靈活性、穩(wěn)定操作和有效的力傳遞[61].在這里，我們利用這些初步結(jié)果來開發(fā)一個用于CS導(dǎo)聯(lián)放置的軟機器人平臺，這是一個需要在固有的動態(tài)工作空間中穩(wěn)定操作的過程。該機器人承擔傳統(tǒng)引導(dǎo)護套的角色，以符合導(dǎo)管插入實驗室(導(dǎo)管室)中的現(xiàn)有臨床工作流程。然而，與傳統(tǒng)的護套不同，該裝置對臨床醫(yī)生已經(jīng)習(xí)慣的現(xiàn)有介入工具提供了穩(wěn)定和主動的控制。這樣做，機器人減少了程序時間和X射線透視暴露。

該機器人在體外和體內(nèi)研究中都得到了驗證。體外研究使用了一種混合生物機器人心臟跳動模型，該模型能夠精確模擬右側(cè)心臟功能和血液動力學(xué)，從而能夠進行頻繁且方便的臨床測試[62].混合生物機器人模型使用從移植的豬組織中取出的化學(xué)處理的心內(nèi)膜支架來復(fù)制心臟解剖和生物力學(xué)，以提供正確的心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)。軟機器人心肌的添加捕捉了心臟的生物力學(xué)運動和功能。然后將其集成到模擬循環(huán)流動回路中，以模擬生理血液動力學(xué)條件[63].通過利用跳動心臟模型的現(xiàn)實生理模擬，我們在過渡到臨床前動物研究之前，在受控和可重復(fù)的實驗室環(huán)境中完善了軟機器人的功能和可靠性。然后，我們使用機器人裝置和傳統(tǒng)導(dǎo)管作為對照，在活體豬模型中進行熒光透視引導(dǎo)下的CS導(dǎo)線放置。這些動物研究使我們能夠在其預(yù)期環(huán)境中使用機器人實現(xiàn)CS導(dǎo)線放置，其主要貢獻是減少了手術(shù)時間、X射線透視持續(xù)時間和不良生理事件。成功的心臟起搏最終通過內(nèi)置導(dǎo)線實現(xiàn)，且生理壓力值在每次手術(shù)過程中均得以保持。此外，體內(nèi)研究突出了機器人適應(yīng)傳統(tǒng)導(dǎo)管室和臨床工作流程限制的能力(圖1).

圖1

導(dǎo)管插入實驗室中的軟機器人系統(tǒng)的表示。(a)常規(guī)導(dǎo)管插入術(shù)實驗室設(shè)備包括C型臂X射線透視機和可視化屏幕。機器人的驅(qū)動硬件包括控制箱和定制注射泵，兩者都安裝在單個梅奧托盤支架(mathematical equation).(b)與第(a)部分中的表示相對應(yīng)，驅(qū)動硬件(I)位于靠近患者的Mayo托盤上。這使得臨床醫(yī)生可以方便地使用Wii遙控器和切口部位(ii)。穿過房間，X射線熒光透視捕捉(iii)被記錄并呈現(xiàn)在屏幕上用于指導(dǎo)。在此處顯示的示例圖像中，取自圖1中的結(jié)果7c為了便于演示，冠狀竇用紅色突出顯示。

2個結(jié)果

2.1程序和系統(tǒng)概述

本研究介紹了一種用于介入心臟病學(xué)經(jīng)導(dǎo)管手術(shù)的機器人，特別關(guān)注用于雙心室起搏的CS中起搏器導(dǎo)線的放置(圖2).在此過程中，介入醫(yī)生必須結(jié)合使用導(dǎo)向?qū)Ч芎蛯?dǎo)線以及用于視覺反饋的X射線熒光成像來定位CS(參見材料和方法)。CS插管的常用方法是伸縮支撐導(dǎo)管技術(shù)，其中9 Fr引導(dǎo)鞘定位CS口，血管造影導(dǎo)管用于對比輔助驗證，導(dǎo)絲輔助正確的導(dǎo)線定位14].顧名思義，這些器械同心地安裝在另一個器械內(nèi)，因此，連續(xù)較小的器械可以相對于較大的鞘平移和旋轉(zhuǎn)。然而，鞘引導(dǎo)的CS定位階段可能是該過程中最耗時和輻射最密集的部分[15, 16]，由于導(dǎo)航的挑戰(zhàn)和CS口的物理障礙(圖2a).這些物理障礙包括突出的主動脈瓣和不同患者之間CS自身的可變位置12, 13].因此，硬的和預(yù)成形的引導(dǎo)鞘可能很難遵循CS插管所需的軌跡。我們的機器人(圖2b)起到了主動引導(dǎo)鞘的作用，將這些現(xiàn)有的介入工具轉(zhuǎn)變成能夠遵循與機器人運動學(xué)一致的任何軌跡的機器人致動器械。主動控制的一個關(guān)鍵結(jié)果是能夠在更短的時間內(nèi)對CS進行插管，并減少X射線透視的有害輻射，使該操作對患者和臨床醫(yī)生都更安全。

圖2

利用現(xiàn)有介入工具進行軟機器人設(shè)備操作。(a)機器人裝置通過上腔靜脈(SVC)輸送到右心房(RA ),并導(dǎo)向冠狀竇(CS)。到達目標后，它將導(dǎo)絲送入CS。(b)機器人由一個穩(wěn)定機構(gòu)和軟操縱器以及一個用于部件驅(qū)動和進入心臟的用戶界面組成。機器人的柔性體長度(長度不按比例)。(c)該裝置通過經(jīng)靜脈進入右心房的Fr導(dǎo)管鞘。一旦就位，穩(wěn)定機構(gòu)展開，軟操縱器的標稱直徑展開，以利用更大的工作空間。內(nèi)徑襯有Fr管，臨床醫(yī)生可通過該管輸送高達血管造影導(dǎo)管。(d)臨床醫(yī)生通過一個帶有硅膠止血閥的終端集線器進入機器人的中心通道，該閥門可防止失血。定制的終端集線器還用作穩(wěn)定機構(gòu)的鮑登線纜的終端，以及柔性操縱器的流體管道可以通過的路線。

機器人的工具側(cè)(圖2c)包括以下內(nèi)容:(1)將直徑達8 Fr的工具引導(dǎo)至CS的三自由度軟操縱器，(2)在機器人末端促進工具和操縱器軌跡平行性的工具引導(dǎo)器，以及(3)增加軟操縱器操作穩(wěn)定性的穩(wěn)定機構(gòu)。在用戶端，設(shè)備的終端集線器(圖2d)包括(1)硅樹脂單向閥，用于防止血液通過機器人的中央工作通道流失，(2)沖洗端口，用于潤滑中央工作通道，(3)致動注射器，用于擴張穩(wěn)定機構(gòu)，以及(4)流體管道，用于連接軟操縱器和其致動硬件。整個裝置可通過靜脈經(jīng)24 Fr輸送至右心房，或、導(dǎo)管鞘。導(dǎo)引鞘通常放置在外周脈管系統(tǒng)中，以引導(dǎo)器械朝向更中心的脈管或心內(nèi)目標。在這種情況下，鞘管放置在頸靜脈或鎖骨下靜脈中，終止于上腔靜脈。此外，該裝置的中央工作通道提供了一個連續(xù)的路徑，通過該路徑將介入工具輸送至心內(nèi)工作區(qū)。該通道從用戶端的止血閥通向軟操縱器的尖端，為臨床醫(yī)生提供了直接進入心臟內(nèi)部的工具。

該機器人首先在混合生物機器人跳動的心臟中進行測試。驗證指標包括機器人部署的血液動力學(xué)響應(yīng)、跳動心臟內(nèi)過程的清晰內(nèi)窺鏡可視化以及3D機器人運動跟蹤。外科住院醫(yī)生和工程師也進行了用戶試驗，包括專家和新手機器人操作員?；铙w動物研究由之前接受過機器人操作培訓(xùn)的外科住院醫(yī)師、根據(jù)熒光捕捉提供指導(dǎo)的專業(yè)電生理學(xué)家和監(jiān)督手術(shù)過程的專業(yè)心臟外科醫(yī)生進行。這些測試在有和沒有機器人的情況下進行，以便與標準介入工具(對照)進行直接比較。驗證指標包括利用熒光鏡反饋進行操作的能力、成功完成手術(shù)的時間、X射線熒光鏡檢查的持續(xù)時間以及心臟起搏的能力。以下小節(jié)描述了機器人系統(tǒng)的子組件，隨后是生物機器人心臟和活體動物實驗。

2.2軟機械手設(shè)計

我們設(shè)計了一個柔軟的機器人操縱器來引導(dǎo)起搏導(dǎo)線進入CS。由于本研究中使用的標準引導(dǎo)導(dǎo)管和起搏導(dǎo)線分別為7fr和4 Fr(參見材料和方法),操縱器需要至少9 Fr或3 mm的工作通道直徑。操縱器采用2D工藝制造，在該工藝中，熱塑性塑料和聚四氟乙烯的交替層受到壓力和熱量的作用，產(chǎn)生可膨脹的氣球狀結(jié)構(gòu)[64].在這項研究中，機械手有三個橢圓形流體腔(S1截面)，每個腔中的體積構(gòu)成一個獨立的關(guān)節(jié)空間變量。隨著三個氣室不斷膨脹，操縱器可以沿兩個軸彎曲，并延伸到大約40毫米長(圖3a).根據(jù)RA的網(wǎng)狀CT掃描，SVC到CS的距離約為36 mm，因此40 mm的行程長度足以引導(dǎo)器械朝向CS。總的來說，操縱器的標稱外徑為15毫米，內(nèi)徑為4毫米。由于其柔軟性，它可以向內(nèi)彎曲，以適合通過24英尺或8毫米的導(dǎo)管鞘將血管輸送到心臟。一旦進入心臟，它可以重新膨脹，恢復(fù)正常的縱向折疊模式(圖3a).

圖3

軟機械手設(shè)計、運動學(xué)和控制。(a)軟操縱器設(shè)計有一個3 mm或9 Fr的中心通道，以適應(yīng)各種血管造影導(dǎo)管尺寸。它可以向內(nèi)收縮至直徑小于8 mm，以穿過24 Fr導(dǎo)管鞘。(b)操縱器的中心管道由交替的剛性和柔性部分組成，允許管道跟隨操縱器的生長模式。(c)中心管道在2D建模，以實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。(d)將代表沒有內(nèi)部管道的軟操縱器的全部任務(wù)空間(藍色)的實驗點云與管道的允許任務(wù)空間(黑色)的2D切片進行比較。還顯示了半圓(橙色),其半徑代表從上腔靜脈到冠狀竇的平均距離。(e)記錄軟操縱器對步進控制輸入的響應(yīng)，這里表示為最快的電機速度，以找到理想的致動速度。

通過機器人輸送介入工具需要一個連續(xù)的中心通道來連接其終端中樞和軟機械手的尖端。實現(xiàn)這種連續(xù)性需要一個中心通道，它可以與軟操縱器平行增長，保持心臟內(nèi)部的靈活性。我們通過沿柔性熱塑性擠壓件以預(yù)定的增量放置單腔熱塑性擠壓件的剛性套環(huán)來制造這種可延伸的管道(圖3b).施加熱量和同心壓力使兩個熱塑性擠出物結(jié)合，產(chǎn)生一段具有交替的柔性和剛性部分的管(S2部分)。大約0.5 mm的管壁厚度將軟操縱器的內(nèi)徑減小至3 mm或9 Fr，這仍足以容納本研究和標準實踐中使用的7–8fr導(dǎo)管。生長中的管可以沿兩個軸彎曲，并在長度上延伸和收縮，而不會損害其內(nèi)徑。這種行為使其能夠遵循軟操縱器的固有運動學(xué)(如下節(jié)所述),并到達cs進行工具定位。

2.3中心渠道設(shè)計優(yōu)化

在設(shè)計生長管時，關(guān)鍵是要確保它允許軟機械手到達其任務(wù)空間的臨床相關(guān)部分。因此，推導(dǎo)出一個運動學(xué)框架，并用于優(yōu)化一系列設(shè)計參數(shù)。CS相對于軟機械手任務(wù)空間的位置引導(dǎo)優(yōu)化問題的條件。

增長油管模型基于圖1中的圖表3c，顯示其局部分段運動學(xué)。從全球來看mathematical equation幀處分段mathematical equation由以下關(guān)系給出。

mathematical equation是的方向mathematical equation段，mathematical equation是的位置mathematical equation幀處分段mathematical equation，以及mathematical equation是的位置mathematical equation幀處分段mathematical equation。這些由局部運動學(xué)變量參數(shù)化mathematical equation和mathematical equation，這是從S2部分的幾何論點?？梢允褂眠@些關(guān)系遞歸計算2D油管的整體尖端姿態(tài)，其中mathematical equation給出頂部的位置mathematical equation硬領(lǐng)和mathematical equation給出它的方向。

使用這個運動學(xué)模型，我們試圖優(yōu)化一系列的設(shè)計參數(shù)mathematical equation，在哪里mathematical equation和mathematical equation是柔性部分的邊長，mathematical equation是硬領(lǐng)的寬度，和mathematical equation是硬領(lǐng)段的數(shù)量。優(yōu)化問題僅涉及管道延伸至機械手最大行程長度的能力mathematical equation并將可觀的量壓縮到mathematical equation。下限被選擇為給予操縱器的尖端距離CS至少10 mm的空間，以在不接觸心臟壁的情況下調(diào)整其位置。彎曲不被認為是一個限制，因為從觀察來看，各種設(shè)計參數(shù)組合允許大曲率角度遠遠超過mathematical equation。相比之下，隨著這些設(shè)計參數(shù)的微小變化，膨脹能力顯示出很大的變化。問題是這樣設(shè)置的。

這個公式最小化標量值目標函數(shù)mathematical equation，它返回從全局原點到尖端的距離mathematical equation硬領(lǐng)。對于設(shè)計參數(shù)界限，我們采用下限mathematical equation和上限mathematical equation。最后，最大和最小沖程長度fub和f鎊作為目標函數(shù)的兩個非線性不等式約束。目標函數(shù)必須返回小于的值mathematical equation當...的時候mathematical equation，以及大于的值mathematical equation當...的時候mathematical equation和mathematical equation等于它們的上限值。MATLAB的fmincon函數(shù)與初始設(shè)計參數(shù)一起使用mathematical equation，它收斂于一個最優(yōu)解mathematical equation.

這種生長的管道通過軟操縱器的中心通道放置，并固定在兩端以適應(yīng)操縱器的生長。軟操縱器的基座與設(shè)備主中心通道的終端同心對齊，確保介入工具從機器人的用戶端無縫到達軟操縱器的頂端。

此外，圖三維（three dimension的縮寫）將管道的運動學(xué)表示為2D切片，覆蓋在操縱器任務(wù)空間的實驗導(dǎo)出的點云上，沒有增長的管道。通過計算任務(wù)空間的界限并將它們包含在平面邊界內(nèi)，直接從油管運動學(xué)生成2D切片。通過給三個室充氣并使用電磁位置跟蹤系統(tǒng)(NDI，奧羅拉)收集空間坐標數(shù)據(jù)，實驗性地確定了機械手在沒有生長管道的情況下的任務(wù)空間。如管道的2D切片和3D點云之間的重疊所示，集成管道僅減少了接近其基部的操縱器的任務(wù)空間，這與臨床應(yīng)用無關(guān)。它仍然可以不受阻礙地在本地任務(wù)空間的外部自由運行。覆蓋在點云上的橙色半圓弧顯示了基于右心房網(wǎng)狀CT掃描的SVC到CS的距離。因為帶位于點云和管道的2D運動學(xué)切片內(nèi)，所以操縱器可以充分地定位和導(dǎo)航到像cs這樣的目標。重要的是，修改管道設(shè)計參數(shù)可以在不重新設(shè)計軟操縱器的情況下實現(xiàn)各種可實現(xiàn)的任務(wù)空間限制，使其有可能推廣到多種任務(wù)。

2.4軟機械手操作

在臨床研究中，CS的定位分為粗略移動階段和精細調(diào)整階段。使用機械手的大動作來定位尖端位移較大的CS的大致區(qū)域，同時使用精細的尖端調(diào)整來用導(dǎo)絲有系統(tǒng)地探測該區(qū)域。這些運動在S2視頻的自由空間中得以展示。為了在這些階段簡化機械手的操作，我們使用定制的三注射器-泵系統(tǒng)實現(xiàn)了開環(huán)、關(guān)節(jié)級控制。三臺NEMA 17步進電機由任天堂Wii遙控器的用戶輸入獨立驅(qū)動，依次，絲杠支架將推拉注射器柱塞來驅(qū)動機械手的流體通道。有關(guān)相關(guān)硬件和電子設(shè)備的詳細信息可在S3章節(jié)中找到。

為響應(yīng)遠程用戶輸入，每個電機接收一個二進制開關(guān)信號，以漸變到恒定速度或從恒定速度漸變mathematical equation。每個電機的加速度設(shè)置為值的10倍mathematical equation，因此我們將斜坡周期近似為可以忽略不計。為選擇單個值mathematical equation，我們使用階躍函數(shù)控制輸入，以各種預(yù)定義的電機速度驅(qū)動電機。響應(yīng)控制步驟，我們可以直接測量系統(tǒng)輸出mathematical equation關(guān)于mathematical equation。這里，mathematical equation是軟操縱器尖端的位置，用3D電磁(EM)跟蹤探頭測量。的標準mathematical equation用于階躍響應(yīng)評估(圖3e).

使用這些參數(shù)，我們尋找單個值mathematical equation這將使軟操縱器能夠進行快速的粗略驅(qū)動以及精細調(diào)節(jié)。機械手的上升時間首先是在6毫米的階躍響應(yīng)下測量的mathematical equation步驟/秒(圖3e).我們將機械手的大動作定義為厘米級的尖端運動，微調(diào)定義為毫米級的尖端運動。基于臨床反饋，總動作(即，mathematical equation用于定位CS一般區(qū)域的筆畫)應(yīng)該要求的順序為mathematical equation。相反，約0.15 s的控制器脈沖會導(dǎo)致微調(diào)(即CS探針的約1 mm尖端位移)?；谶@些標準，并通過對每一個15 mm步長的電機速度的上升時間進行插值，我們選擇了電機速度mathematical equation這是可以在2秒內(nèi)實現(xiàn)總驅(qū)動的最慢電機速度，同時允許從控制器脈沖僅1.2 mm的尖端位移。

2.5穩(wěn)定機制設(shè)計

數(shù)字4a說明了穩(wěn)定機制，其目的是通過改變設(shè)備的機械杠桿作用為軟機械手提供更高的操作穩(wěn)定性。該裝置的彈性梁允許其以類似支架的方式擴張，并鎖定右心房近端的上腔靜脈部分。在此過程中，它將裝置的支點從外周接入部位移至心內(nèi)手術(shù)位置。鎳鈦諾被用于構(gòu)造該機構(gòu)，因為它能夠承受大的變形而不屈服65, 66].此外，它在幾年的時間尺度上保持血液相容性的能力遠遠超過了手術(shù)所需的幾分鐘到幾小時的時間尺度67, 68].

圖4

穩(wěn)定設(shè)計參數(shù)和光束形狀模擬。(a)穩(wěn)定機構(gòu)由具有非恒定寬度輪廓的彈性梁組成。(b)為了確定理想的光束側(cè)面寬度，在COMSOL中用四個光束寬度值模擬光束彎曲。為了進行網(wǎng)格細化研究(S4章節(jié)),對寬度擴展附近的三個點的應(yīng)力進行了評估。(c)通過沿橫梁的三個點擬合一個圓來計算每個橫梁寬度的曲率半徑。(d)作為曲率半徑和梁厚度的函數(shù)，計算相應(yīng)的最小允許梁寬。(e)對于每個梁寬，顯示了將一個梁端平移10 mm所需的力。

該機構(gòu)的輪廓最初是在5 W紫外激光器上從單層超彈性鎳鈦諾上切割下來的。在附著到直徑為5 mm的3D打印骨架結(jié)構(gòu)(S4切片)之前，將釋放的層包裹成圓柱體并熱處理以固定其形狀。所得到的組件由一組平行的波頓線纜致動。當拉緊線纜時，該機構(gòu)擴展成外徑為22毫米的非實心籃子形狀。當釋放線纜時，鎳鈦諾中存儲的彈性能量使其恢復(fù)到7毫米的標稱直徑。擴展機構(gòu)的支架狀籃子形狀允許其將裝置的支點移向軟操縱器，而不會阻塞血流。

與鉸接設(shè)計不同，組成穩(wěn)定機構(gòu)的連續(xù)彈性梁消除了關(guān)節(jié)在非預(yù)期方向上移動的可能性，這種移動可能導(dǎo)致與脈管系統(tǒng)的點接觸和高應(yīng)力集中(S4部分)。然而，由于彎曲過程中的均勻曲率，梁的彎曲曲率也存在小面積靜脈接觸的可能性，也增加了應(yīng)力集中。為了解決這一問題，我們通過增加每個梁中心的寬度、展平中心截面的輪廓來增加靜脈接觸面積(圖4b).這種幾何變化增加了中心部分的第二慣性矩，從而增加了抗彎性。

COMSOL用于數(shù)值模擬光束形狀，以響應(yīng)一端10 mm的規(guī)定位移和另一端的固定邊界條件。梁的中心部分設(shè)置為3 mm，以符合整體空間限制，模擬掃描每個梁側(cè)面的四個寬度值，mathematical equation。應(yīng)力和位移在梁寬度擴展的三個點上進行評估:根部點、中點和拱點(圖4b).網(wǎng)格細化研究表明，結(jié)果收斂于1800–2400個元素的正常網(wǎng)格尺寸(S4剖面)。關(guān)于材料模型和幾何參數(shù)的更多細節(jié)可以在材料和方法部分找到。選擇這些參數(shù)以產(chǎn)生最平坦的中心部分，同時最小化最大曲率區(qū)域的應(yīng)力。

結(jié)果如圖所示4c–e支持使用中心寬度為3 mm、側(cè)邊寬度為1.25 mm的梁。為了使這一設(shè)計選擇趨于一致，我們首先從每根梁的一端偏移10 mm時的曲率半徑開始。通過觀察，人們可能會發(fā)現(xiàn)中心寬度與側(cè)邊寬度之間的比值越大，曲率半徑越大(即中心越平)。事實上，我們看到了這種情況，因為模擬顯示了曲率半徑隨著側(cè)面寬度的增加而減小的趨勢(圖4c).這一結(jié)果將使較小的側(cè)面寬度成為最理想的。

然而，在某些載荷條件和幾何形狀下，梁在彎曲時可能會經(jīng)歷反彈性曲率。這種現(xiàn)象在圖1的圖形鑲嵌中有所說明4d，其中彎曲的梁經(jīng)歷鞍狀曲率[69, 70].避免反彈性彎曲在這個設(shè)計問題中是至關(guān)重要的，因為穩(wěn)定梁的無意向上彎曲會在脆弱的血管組織上產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。為了避免這種情況，我們研究了抗彈性彎曲的臨界梁寬，低于這個寬度時，這種現(xiàn)象就會發(fā)生。這種關(guān)系是在十九世紀提出的，在給定的載荷條件下，它僅僅是梁厚度和曲率半徑的函數(shù):mathematical equation，在哪里mathematical equation是臨界波束寬度，mathematical equation是曲率半徑，和mathematical equation是厚度[71].數(shù)字4d顯示的價值mathematical equation10 mm規(guī)定位移處的每側(cè)寬度。盡管最小的梁邊寬度提供了最有利的曲率半徑，但它低于臨界梁寬度，因此不予考慮。

最后，我們看到對于較大的梁側(cè)寬度，驅(qū)動力有增加的趨勢，使得較寬的梁不受歡迎(圖4e).在1和1.25 mm這兩個中間值之間，較窄的側(cè)寬度產(chǎn)生更理想的曲率半徑和致動力。然而，我們在實踐中也注意到，在激光切割過程中，較小的特征會因過熱而退化。因此，我們選擇了1.25 mm的側(cè)邊寬度，為平坦的靜脈接觸提供了中間基礎(chǔ)，沒有預(yù)期的抗彈性彎曲、低致動力和低激光誘導(dǎo)降解。

在移植的豬SVC中評估所得穩(wěn)定機構(gòu)為軟操縱器提供機械杠桿作用的能力。該機構(gòu)被展開以支撐SVC，并且Instron機器沿著該機構(gòu)的主軸線并垂直于其主軸線按壓其尖端。在兩個方向上超過1 N的力的作用下，穩(wěn)定機構(gòu)的尖端僅移動了5mm(S5部分)。在臨床場景中，在導(dǎo)航和CS定位期間，流體流動將支配機器人所經(jīng)受的外力。假設(shè)RA中的最大流量為mathematical equation，這相當于一個力mathematical equation，導(dǎo)致機器人位移可以忽略不計。

2.6機器人裝配和功能

柔軟的機械手被連接到穩(wěn)定機構(gòu)的主干頂端，以最小化機器人操作側(cè)的杠桿臂。中心通道、用于軟操縱器的流體管道和用于穩(wěn)定機構(gòu)的鮑登線纜穿過包括機器人主體的熱塑性護套。機器人的身體長60厘米，長到足以穿過33厘米長的導(dǎo)管鞘，短到足以容納100厘米或更長的導(dǎo)絲和導(dǎo)管(圖5a).由于軟操縱器中心的管子越來越長，它的底部長度為25毫米(圖5b).在三個流體腔室可變充氣時，操縱器延伸并彎曲以將工具引導(dǎo)至不同的方向(圖5c，d).由于穩(wěn)定機制在SVC中的部署，操縱器受益于穩(wěn)定的基礎(chǔ)位置，允許其在用導(dǎo)絲探測時將其尖端位置保持在給定位置。

圖5

機器人工具側(cè)的不同操作狀態(tài)(機械手和穩(wěn)定)。(a)軟操縱器連接在穩(wěn)定機構(gòu)脊柱的遠端。它的主體有60厘米長，符合標準介入工具的長度。(b)穩(wěn)定機構(gòu)展開以支撐硅膠管，同時軟操縱器停留在其25 mm的基礎(chǔ)長度。(c)操縱器可以引導(dǎo)工具如導(dǎo)絲和引導(dǎo)導(dǎo)管通過其中心通道。(d)機械手還能夠mathematical equation彎曲。

2.7體外混合生物機器人心臟跳動研究

介入機器人在離體生物機器人心臟跳動試驗臺中進行測試(參見材料和方法)。為了開發(fā)混合生物機器人測試裝置，我們利用化學(xué)固定，然后進行去細胞化處理，以保持移植豬心的心臟解剖和組織特性[72].這些心臟的天然心肌被部分替換為柔軟的機器人心肌，以在臺式電腦上復(fù)制其功能。此外，心臟被整合在模擬流動回路中，促進生理血液動力學(xué)和組織力學(xué)[63, 73].這種設(shè)置能夠在生理上準確的RA工作空間中進行頻繁且可訪問的臨床測試(圖6a).它還允許訓(xùn)練有素和未經(jīng)訓(xùn)練的機器人操作員進行多用戶試驗(圖6b).

圖6

來自體外混合生物機器人臺式模擬器的測試結(jié)果。(a)心臟跳動試驗臺由纏繞在心室周圍的軟氣動致動器驅(qū)動，內(nèi)部可視化由右心房附件中的內(nèi)窺鏡端口實現(xiàn)。(b)在機器人上受過訓(xùn)練的兩個用戶和四個未受過訓(xùn)練的用戶，在他們各自執(zhí)行冠狀竇插管任務(wù)三次時被計時。(c)即使機器人部署在心臟中，代表性的右心壓力值仍保持在生理范圍內(nèi)。(d)用內(nèi)窺鏡觀察手術(shù)過程。(e)跟蹤機器人末端的3D位置。藍點是尖端起點，紅點代表插管成功后的終點位置。

混合生物機器人心臟為數(shù)據(jù)收集提供了大量機會，包括右心房、右心室(RV)和肺動脈(PA)的壓力值。在體內(nèi)跟蹤這些壓力將需要更復(fù)雜和侵入性的導(dǎo)管，并且對動物造成創(chuàng)傷的可能性更高，而離體生物機器人心臟允許在整個測試中進行不引人注目的數(shù)據(jù)收集。數(shù)字6c顯示了沒有機器人時的五次心跳(即基線情況)和機器人部署在心臟內(nèi)時的五次心跳。從基線情況到裝置情況，任何記錄的壓力都沒有明顯變化。這表明機器人在展開時不影響生理血流。

離體生物機器人心臟還提供了直接可視化工作空間的能力。我們使用甘油混合物作為工作流體，它模擬血液的粘度，同時保持光學(xué)透明。為了能夠在機器人操作期間無障礙地觀察CS，將內(nèi)窺鏡端口縫合到右心耳(RAA)中。如圖所示6d該過程包括三個主要階段:(1)初始機器人定位，(2)導(dǎo)絲導(dǎo)航，和(3) CS插管。這些階段中的每一個都如圖所示2a也是。

在整個過程中，機器人的3D尖端位置由密封在5 Fr導(dǎo)管中的EM探針跟蹤，以使其防水。雖然在體內(nèi)使用X射線熒光檢查會干擾電磁跟蹤，但離體生物機器人心臟允許其無限制使用。在兩次有代表性的試驗中，將一根導(dǎo)絲與電磁探頭進行了交換，使我們能夠以三維方式可視化機器人的導(dǎo)向(圖6e).首先，用戶確定與每個關(guān)節(jié)級控制輸入相對應(yīng)的機器人軌跡。因此，這個階段對應(yīng)于機器人軌跡中噪音最大的部分，由圖中的黑線表示6e。在主動工具引導(dǎo)階段，機器人相對于心臟的1 Hz(即60 bpm)頻率快速移動，產(chǎn)生曲線的圓圈部分所示的平滑軌跡。一旦EM探針插入CS，其運動與心臟的運動相結(jié)合，表現(xiàn)為EM探針的小的、規(guī)則的振蕩。機器人軌跡跟蹤在視頻S4中得到了進一步的展示。

我們測試了兩個專家用戶，他們都受過訓(xùn)練并熟悉機器人及其控制器，以及四個從未使用過機器人的新手用戶。每個用戶的任務(wù)是給CS插管三次。在每次試驗之間，用戶旋轉(zhuǎn)和平移機器人，以隨機調(diào)整機械手的基座。插管時間被定義為重新定位機器人和內(nèi)窺鏡確認導(dǎo)絲在CS中的位置之間的持續(xù)時間。此外，允許新手用戶在自由空間中用軟操縱器練習(xí)2分鐘來學(xué)習(xí)控制。

專家用戶往往比新手用戶更快、更穩(wěn)定，表現(xiàn)在平均插管時間更短、標準偏差更小(圖6b).例如，專家2在2004年實現(xiàn)了CS插管mathematical equation在三次試驗中，新手3在mathematical equation。然而，所有的使用者都在3.5分鐘內(nèi)完成了CS插管。視頻S3中顯示了專家2的代表性內(nèi)窺鏡視頻。

2.8豬模型中的體內(nèi)雙心室起搏

圖7

代表性結(jié)果來自n= 5次體內(nèi)試驗。(a)當機械手用鹽水驅(qū)動時，在x光透視下無法看到。(b)通過導(dǎo)絲形狀的視覺反饋實現(xiàn)冠狀竇定位，以及(c)使用對比溶液驗證插管。(d)當操縱器被造影劑-鹽水混合物驅(qū)動時，它在X射線透視下變得可見。(e)當操縱器接近冠狀竇時，跟蹤操縱器的方向，(f)導(dǎo)致更快的插管，(g)隨后進行對比輔助驗證。(h)在冠狀竇成功插管后，(I)使用起搏導(dǎo)線將心率提高至140 bpm以上。(j)在定位冠狀竇時，錯誤的導(dǎo)絲在心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)周圍戳動，導(dǎo)致短暫的異位搏動。

機器人系統(tǒng)用于在活豬模型中實現(xiàn)心臟的雙心室起搏(見材料和方法)。在這一系列的五項體內(nèi)研究中，機器人通過mathematical equationFr鞘，用穩(wěn)定裝置固定在上腔靜脈，并在X射線熒光鏡引導(dǎo)下遠程操縱至竇口(圖7a–g).到達竇口的大致位置后，通過機器人插入一根導(dǎo)絲以實現(xiàn)初始插管(圖7b,f).在最初的插管步驟中，機器人輔助方法的主要優(yōu)點是顯而易見的。機器人給介入者提供了保持給定位置的穩(wěn)定性，同時用導(dǎo)絲探測該位置。如果初始位置不正確(即，導(dǎo)絲沒有成功進入CS)，機器人可以在相同的大致區(qū)域進行微調(diào)，從而實現(xiàn)有條不紊的探測過程。這與傳統(tǒng)導(dǎo)管形成對比，傳統(tǒng)導(dǎo)管缺乏穩(wěn)定的基座，并且由于偏轉(zhuǎn)和扭曲而不能在探測階段保持其位置。因此，這些體內(nèi)研究的第一個指標是確定CS插管所需的探測次數(shù)?？紤]到機器人的穩(wěn)定性，我們預(yù)計機器人輔助試驗比控制試驗需要更少的探針。

將導(dǎo)絲插入冠狀動脈后，將血管造影引導(dǎo)導(dǎo)管穿過導(dǎo)絲進行造影劑注射。如果成功，造影劑將在透視下突出CS的自然形狀。因此，第二個指標是CS插管和造影輔助驗證的總時間(圖7c,g).第三個指標是每次試驗的X射線透視總持續(xù)時間，從裝置插入到對比輔助驗證。我們期望在機器人的幫助下，插管時間、驗證時間和透視暴露時間會減少。

在所有機器人試驗中，機器人由之前接受過培訓(xùn)的外科住院醫(yī)生操作，而專業(yè)的電生理學(xué)家則提供來自X射線透視的空間反饋。用戶保持一致，以隔離機器人輔助相對于傳統(tǒng)工具的影響。同樣，使用標準介入工具的對照試驗也由同一名電生理學(xué)家進行，以消除操作員的可變性并隔離機器人對上述三個指標的影響:導(dǎo)絲探針、手術(shù)持續(xù)時間和熒光透視持續(xù)時間。

如圖所示7h成功的CS插管術(shù)是使用機器人以及采用伸縮支撐導(dǎo)管技術(shù)的標準導(dǎo)管實現(xiàn)的(見材料和方法)。機器人試驗根據(jù)用于驅(qū)動機械手的流體進一步劃分，如視頻S5所示。一組試驗使用生理鹽水進行驅(qū)動，因此在X射線透視下無法看到操縱器，其形狀是根據(jù)穿過中心通道放置的不透射線的導(dǎo)絲推斷出來的(圖7a–c).另一組試驗使用體積比為40%-60%的碘佛醇造影劑和生理鹽水的混合物，使操縱器在X射線透視下直接可見(圖7d–g).

在一次機器人輔助試驗后，通過導(dǎo)管插入起搏導(dǎo)線以模擬雙心室起搏。在圖中的圖中7I，心率從90–100增加至140–150 BPM，表明在選定的起搏頻率下成功放置了導(dǎo)線并成功進行了電捕獲。圖上的圖像標注還顯示了程序的生理和起搏部分的代表性ECG軌跡。值得注意的是，導(dǎo)絲與心內(nèi)膜的意外接觸會產(chǎn)生異位搏動(圖7j).這些錯誤的線探針可能會導(dǎo)致醫(yī)源性損傷，因此減少過度探測的需要是患者的安全問題。

三個主要指標的結(jié)果如圖所示8用于機器人試驗和對照試驗之間的直接比較。結(jié)果在初始插管嘗試之間被分開(圖8a–c)和隨后的插管嘗試(圖8d–f).在最初的嘗試中，臨床醫(yī)生不知道CS的位置，這是真實臨床介入的情況。正因為如此，勘探和探測構(gòu)成了整個程序的一大部分。事實上，在60分鐘的對照試驗中，至少需要100根導(dǎo)絲探針(圖8a,b)，并且需要超過30分鐘的X射線透視檢查(圖8c).這些控制指標與文獻一致，文獻指出cs插管可持續(xù)數(shù)小時，熒光透視暴露約30分鐘[14, 15–16].然而，機器人試驗顯示，所有指標都有顯著下降。當只用生理鹽水驅(qū)動時，機器人平均需要mathematical equation導(dǎo)絲探針(圖8a)，在僅持續(xù)22分鐘和8分鐘的透視曝光試驗期間(圖8b,c).造影劑激活被證明特別有益，在到達CS之前只需要四次線探針嘗試，整個過程僅用時8分鐘多一點，X射線曝光時間為3.5分鐘(圖8a–c).在這種情況下，機器人使有害X射線的使用時間減少了近十分之一，其他兩項指標也有類似幅度的改善。

圖8

初始(a–c)和后續(xù)(d–f)插管嘗試期間的體內(nèi)研究結(jié)果。(a)在冠狀竇插管術(shù)的最初嘗試中，使用標準設(shè)備的對照試驗比機器人試驗需要更多的導(dǎo)線探測嘗試，這增加了醫(yī)源性創(chuàng)傷(如組織穿孔)的可能性。(b)控制試驗也比機器人試驗持續(xù)更長時間，其中“機器人+對比”試驗需要的時間最少。(c)與標準控制相比，兩種類型的機器人試驗需要較少的X射線熒光透視使用。(d)在隨后的插管嘗試中，一旦目標位置已知，對照試驗比機器人試驗需要更多的導(dǎo)線探測嘗試。(e)總的來說,“機器人+對照”試驗是最短的，但是機器人和對照之間的總持續(xù)時間沒有顯著變化。(f)“機器人+對比”試驗需要最少的熒光透視曝光，但機器人和對照之間的持續(xù)時間沒有顯著變化。

隨后的嘗試包括在首次嘗試后進行的試驗，沒有從心臟中取出機器人或?qū)Ч堋Ｖ匾氖牵@讓臨床醫(yī)生對CS的位置有了大致的了解。盡管有這些先驗知識，對照試驗仍然需要mathematical equation和mathematical equation導(dǎo)絲探針嘗試，除了一個真正的統(tǒng)計異常試驗需要三個(圖8d).相比之下，在所有機器人試驗中，無論是用鹽水還是用造影劑驅(qū)動，都只有三個或更少的探針。然而，手術(shù)和熒光鏡檢查的總持續(xù)時間在所有后續(xù)嘗試中變得相等，無論它們是由機器人導(dǎo)管還是標準導(dǎo)管執(zhí)行。對照試驗平均持續(xù)5分鐘，相比之下mathematical equation鹽水驅(qū)動的機器人最少4分鐘，對比驅(qū)動的機器人最少4分鐘(圖8e).對照試驗平均需要大約3分鐘的熒光透視暴露，而鹽水驅(qū)動的機器人平均需要大約4分鐘，對比驅(qū)動的機器人平均需要大約2分鐘(圖8f).總的來說，稀釋對比染料激活允許在最短的時間和最短的熒光透視曝光時間內(nèi)進行后續(xù)嘗試試驗(圖8e，f)，但不是一個可觀的數(shù)量。

這些結(jié)果表明CS插管的主要困難是CS的初始位置。一旦CS被定位，就像在隨后的插管試驗中的情況一樣，機器人輔助程序具有與使用標準設(shè)備的對照試驗相似的持續(xù)時間。然而，機器人確實將初始和后續(xù)嘗試中所需的導(dǎo)絲探針數(shù)量減少了一到兩個數(shù)量級，從而降低了醫(yī)源性創(chuàng)傷的可能性。在最初的插管嘗試中，機器人通過以下方式縮短了插管時間mathematical equation和熒光透視曝光的持續(xù)時間mathematical equation。該初始插管數(shù)據(jù)比隨后的插管更恰當?shù)胤从沉苏鎸嵉呐R床情況，因為臨床醫(yī)生在手術(shù)開始之前不知道CS的位置。通過為臨床實踐中常規(guī)使用的儀器提供穩(wěn)定的定位，而不是引入新的儀器，機器人增強了現(xiàn)有的方法，這通過更短的程序和熒光鏡檢查持續(xù)時間以及減少的探針嘗試次數(shù)得以證明。

3個結(jié)論

在這項工作中，一個柔軟的機器人被用來完成人體最困難的工作空間之一的手術(shù)，即跳動的心臟。這種軟機器人專為復(fù)雜的引導(dǎo)任務(wù)(如CS導(dǎo)聯(lián)放置)而設(shè)計，利用了柔順機構(gòu)和軟材料的優(yōu)勢，在動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)了靈巧而穩(wěn)定的操作。通過容納高達8 Fr的介入器械，機器人進一步與現(xiàn)有的臨床工作流程集成，或mathematical equation直徑。軟操縱器的中心通道由定制管道組成，可以模仿其自然生長模式，而不會損害9 Fr，或mathematical equation，直徑。該操縱器連接到柔性鎳鈦諾穩(wěn)定機構(gòu)的尖端，該機構(gòu)從mathematical equation到結(jié)束mathematical equation直徑。穩(wěn)定機構(gòu)可以支撐在靠近目標位置的SVC部分上，允許機械手僅通過幾毫米的基座位移就能承受牛頓級的負載。在機器人的用戶端，一個帶有單向硅膠閥的終端集線器使操作者能夠進入機器人的中心通道，以便插入工具。使用用戶界面的標準組件，如硅膠止血閥、工作通道的沖洗端口和穩(wěn)定機構(gòu)的注射器驅(qū)動，進一步提高了臨床醫(yī)生對裝置的熟悉程度。此外，定制的三注射泵系統(tǒng)用于控制機械手，并通過單一電機速度實現(xiàn)粗略運動和精細調(diào)節(jié)。注射泵硬件安裝在單個Mayo托盤支架上，在導(dǎo)管室中占據(jù)最小空間。

一項體外研究介紹了一種混合生物機器人臺式測試裝置，專門用于捕捉類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的血液動力學(xué)。在這里，一種透明的血液模擬物被用于允許機器人在生理條件下的直接可視化。除了能夠看到跳動的心臟內(nèi)部之外，這項研究還允許在接近RA的位置進行連續(xù)的壓力監(jiān)測，表明機器人的部署沒有引起異常壓力。這是一個重要的安全考慮，因為靜脈阻塞會導(dǎo)致血液停滯和上游壓力增加，從而增加血栓的風(fēng)險74].此外，受過訓(xùn)練和沒有受過訓(xùn)練的用戶都能夠在幾分鐘內(nèi)完成CS插管。這是一個與隨后在體內(nèi)進行的插管試驗相似的時間尺度，支持了這樣的結(jié)論:當嘗試插管時，最初的CS定位是主要的困難。

該機器人隨后在豬模型上的五項體內(nèi)研究中進行了測試，在操作過程中使用X射線熒光鏡檢查進行位置反饋。這些研究與標準導(dǎo)絲和引導(dǎo)導(dǎo)管進行了直接比較，顯示了提高效率和安全性的總體趨勢。在最初的插管嘗試中，與標準介入設(shè)備相比，機器人完成手術(shù)所需的時間更短，X射線透視曝光更少。有害輻射使用量的這種數(shù)量級減少使得該過程對于患者和在x光機附近工作的臨床醫(yī)生來說都更加安全。在最初和隨后的插管嘗試中，機器人也比對照試驗需要更少的導(dǎo)絲探測嘗試。這在圖中得到了證明7j心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)附近的錯誤導(dǎo)線探針會導(dǎo)致導(dǎo)管誘發(fā)的異位，表現(xiàn)為心率跳增。通過減少CS插管所需的探針數(shù)量，也可以降低醫(yī)源性損傷的風(fēng)險。相比之下，在控制試驗期間，更多的探測嘗試表明CS定位階段的位置不確定性。

最后，動物研究提供了使臨床醫(yī)生難以放置起搏器導(dǎo)線的因素。通過將最初的插管與隨后的嘗試分開，我們發(fā)現(xiàn)解剖意識對操作和透視持續(xù)時間以及探查嘗試的次數(shù)有顯著影響。也就是說，使用標準設(shè)備和機器人大約同時需要CS插管，但是僅在定位CS后。然而，在最初的插管嘗試中，如果沒有這種解剖意識，標準設(shè)備在所有指標上都表現(xiàn)較差。相比之下，機器人提供了位置穩(wěn)定性和空間分辨率，改善了所有指標，即使沒有最初的解剖意識。

雖然這項工作在五項動物研究和一項混合生物機器人心臟跳動研究中證明了安全性和效率增加的趨勢，但未來的工作將集中在廣泛的體內(nèi)研究上。由具有不同專業(yè)水平的臨床醫(yī)生進行的進一步試驗可能揭示這些結(jié)果如何受到電生理學(xué)家和機器人操作員的技能水平的影響。專門的多用戶研究也將有助于確定操作員的可變性是否可能由訓(xùn)練影響之外的其他因素引起。此外，即使機器人部署時間很短，在血流中插入外來設(shè)備也會帶來血栓形成的風(fēng)險。未來的試驗可能會尋求減輕機器人任何可能發(fā)生血液停滯的部位周圍形成血凝塊的可能性。對于穩(wěn)定機制，額外的表面處理可能就足夠了[75]，而對于軟操縱器，可以考慮用光滑的塑料套管覆蓋波紋管。另一個研究方向是最大限度地利用機器人在不同程序之間可以重復(fù)使用的部件。目前，機器人的一次性使用性質(zhì)意味著在研究之間丟棄所有組件，這與大多數(shù)介入工具一致[76].取而代之的是，通過使軟操縱器模塊化和可拆卸，從穩(wěn)定到用戶端的一切都可以用化學(xué)消毒劑和高壓滅菌器消毒77, 78].通過這種方式，制造成本僅為100美元的軟機械手[64]，將是唯一的一次性部件，導(dǎo)致在低資源環(huán)境和大醫(yī)院中的潛在采用。此外，具有不同運動學(xué)的軟機械手甚至可以在操作過程中互換，從而能夠針對一系列解剖學(xué)差異進行現(xiàn)場定制。鑒于鎳鈦諾的高抗疲勞性，最壞的情況是mathematical equation循環(huán)將仍然允許機器人的其余部分持續(xù)數(shù)百個程序[79].此外，機器人目前安裝在24 Fr或8 mm的導(dǎo)管鞘中。未來的研究途徑將繼續(xù)縮小機器人的直徑，最終目標是18Fr或6 mm的兼容性。為了實現(xiàn)這一點，較小的流體腔室將有效地減小操縱器的“壁厚”。以前的工作以具有10和5毫米直徑腔室的機械手為特色[61, 64]，而這個作品縮小到4毫米直徑，其他作品進一步縮小到3毫米[44].此外，減小中央聲道的尺寸mathematical equation到mathematical equation弗雷德甚至mathematical equationFr將進一步允許相當?shù)男⌒突?，盡管以機器人可以引導(dǎo)的臨床工具為代價。到達mathematical equationFr將允許機器人從不同的進入點進入心臟，開辟了一條新的可能解決的程序。

我們的心臟內(nèi)介入軟機器人方法代表了向安全、有效和精確治療心力衰竭邁進了一步。主動操作和局部穩(wěn)定的使用使得在心臟仍在跳動時能夠進行復(fù)雜的治療。我們設(shè)想這項技術(shù)不僅可以擴展到介入手術(shù)，還可以擴展到傳統(tǒng)上需要心肺旁路的手術(shù)。如果機器人可以在心臟手術(shù)中避免旁路手術(shù)，它有可能使手術(shù)更加有效和安全，顯著減少外科醫(yī)生的疲勞并改善患者的預(yù)后。

4材料和方法

4.1穩(wěn)定機制數(shù)值模型

使用在COMSOL中進行的有限元模擬，評估穩(wěn)定機構(gòu)的幾何參數(shù)，這將最終決定機構(gòu)的設(shè)計(圖4a).模擬單個梁而不是整個穩(wěn)定機構(gòu)，從而可以更快地模擬和分析梁在固定位移下的彎曲。梁的幾何形狀像一個反向的狗骨，較寬的中心區(qū)域兩側(cè)是較窄的側(cè)部(圖4b).在Fusion 360 (Autodesk，Inc .)中模擬了這種光束的四種變型，每種變型具有3 mm寬的中心區(qū)域，材料厚度為mathematical equation，總長度為mathematical equation。橫梁僅在側(cè)面寬度上有所不同:mathematical equation。此外，初始幾何擾動被添加到每個模型，以使其偏向屈曲狀態(tài)，并促進模擬收斂。在這種擾動中使用了統(tǒng)一的曲率，使得每個梁的中心被擾動的值等于梁厚度的一半。

每個模擬都是使用COMSOL的3D固體力學(xué)模塊建立的靜態(tài)研究。因為梁在低應(yīng)變下會發(fā)生大變形，所以考慮了幾何非線性。作為大變形假設(shè)的結(jié)果，梁幾何圖形對模擬結(jié)果的影響最大，而不是材料。因此，使用1095彈簧鋼作為材料近似值，其值如下:密度為mathematical equation泊松比為0.29，楊氏模量為210 GPa。梁的一端被置于固定約束下，而相對面在壓縮方向上被給予10 mm的規(guī)定位移。對于這種位移，最初定義了1 cm的全局位移參數(shù)。在研究中，輔助掃描擴展與一系列mathematical equation，這對應(yīng)于在100步內(nèi)從0到10 mm的掃描。根據(jù)從初步網(wǎng)格細化研究(S4部分)中獲得的數(shù)據(jù)，在沿幾何圖形的12個不同點上觀察到馮米塞斯應(yīng)力，正常分辨率的網(wǎng)格被認為是足夠的。正常分辨率網(wǎng)格包含1800–2400個域元素，具體取決于所研究的幾何形狀，使求解器在3分鐘內(nèi)收斂。

從每個模擬中收集的數(shù)據(jù)包括壓縮方向和屈曲方向的位移，以及von Mises應(yīng)力。在12個點和全10 mm位移下評估每個度量。還記錄了位移端的合力。在MATLAB中對結(jié)果進行分析和比較，以確定四種梁側(cè)寬度中哪一種在彎曲過程中產(chǎn)生最平坦的中心區(qū)域，具有最低的應(yīng)力集中和最低的合力(圖4c–e).

4.2帶有模擬循環(huán)流動回路的生物機器人心臟模型

清洗移植的豬心，用10%福爾馬林溶液固定，并用mathematical equation磷酸鹽緩沖鹽水。使用公開的方法，這些固定的心臟被用于制造生物機器人混合心臟[72, 73, 80].這一過程包括化學(xué)處理心內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，以匹配天然組織特性，并部分移除天然心肌，然后用專門為每個心臟設(shè)計的合成軟機器人心肌替換。

柔軟的機器人心肌由放置在硅樹脂基質(zhì)(Ecoflex 00-35 Fast)中的六到八塊氣動人造肌肉組成，肌肉的確切數(shù)量和方向由計算建模確定[62, 63].使用定制的粘合劑將軟致動器基質(zhì)附著到心內(nèi)膜組織上[81]沿著右心室自由壁和室間隔，最終實現(xiàn)心臟右側(cè)壁的生理運動。循環(huán)流動回路單獨模擬了Windkessel效應(yīng)，使用定制的丙烯酸室模擬靜脈和肺血管的順應(yīng)性，使用球閥(McMaster-Carr，4796K71)模擬肺血管的阻力。生物機器人心臟和流動回路與定制控制箱連接并以60 bpm的頻率啟動62, 63].可以對致動速度、血管阻力和血管順應(yīng)性進行調(diào)整，以實現(xiàn)期望的右側(cè)血液動力學(xué)范圍，這是基于在健康人類受試者中典型觀察到的值[82, 83].

一種光學(xué)透明的血液模擬物被用作循環(huán)回路中的工作流體。該流體由以下成分組成mathematical equation去離子水中的丙二醇，產(chǎn)生的動態(tài)粘度為mathematical equation。壓力傳感器(PRESS-S-000，PendoTECH)放置在RA、RV和PA處，包括機器人的上游和下游位置。一個超聲波流量傳感器(ME 13 PXN，跨音速)放置在PA處，以記錄下游流量。內(nèi)窺鏡攝像機(1080P HD，NIDAGE)以30 fps的速度記錄視頻，以可視化心房內(nèi)部。

軟機器人通過上腔靜脈(SVC)插入到生物機器人心臟跳動模型中。一個Y型連接器被集成到流動回路中，一側(cè)允許流體通過SVC流入心臟，而另一側(cè)用于機器人插入。末端連接了一個定制的適配器，以確保柔軟機器人周圍的流體密封。

4.3體內(nèi)研究設(shè)置

利用體內(nèi)平臺來執(zhí)行介入機器人的可行性測試。使用豬動物模型，因為它們的心血管系統(tǒng)在解剖尺寸(脈管系統(tǒng)和心腔)和血液動力學(xué)方面與人類非常相似。實驗期間的生命體征監(jiān)測包括全身血壓(動脈導(dǎo)管)、中心靜脈壓(中心靜脈導(dǎo)管)、氧飽和度(脈搏血氧測定)、核心溫度(直腸溫度計)和心律(心電圖)。這項研究是根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院的動物護理和使用指南進行的，并得到了波士頓兒童醫(yī)院動物護理和使用委員會的批準(方案00001887)。所有動物都按照《實驗動物護理和使用指南》接受人道護理。

雌性約克夏豬(65-70公斤，n= 5)通過肌肉注射給予泰拉唑(4.4毫克/千克)、甲苯噻嗪(2.2毫克/千克)和阿托品(0.04毫克/千克)鎮(zhèn)靜，并置于吸入異氟醚(3%誘導(dǎo)，0.5%-2.0%維持)。將外周靜脈導(dǎo)管插入耳靜脈，以250 cc/h的速度輸注等滲液體。將豬插管并仰臥在手術(shù)臺上。右股總靜脈中心線(7-Fr三腔；用于監(jiān)測中心靜脈壓和給藥)和右股總動脈導(dǎo)管(9-Fr；用于監(jiān)測全身血壓),并開始靜脈(IV)輸注利多卡因(25微克/千克/分鐘),以預(yù)防性降低裝置操作期間的心律失常風(fēng)險，特別是心室纖顫。

通過沿著胸鎖乳突肌前緣的切口在右頸部進行切開。通過鈍性和尖銳的解剖暴露右頸外靜脈(EJV ),用血管環(huán)環(huán)繞靜脈的近端和遠端以建立血管控制。血管通路采用直接針刺法，然后放置導(dǎo)絲，并使用系列血管擴張器(12、16和20 Fr)擴張靜脈。將帶有閉塞器和充氣閥的24 Fr護套(GORE DRYSEAL Flex導(dǎo)管鞘，Gore Medical，Newark，DE)穿過導(dǎo)絲并固定到位，在熒光鏡下確定護套的遠端在腔室連接處上方4 cm處。靜脈注射肝素(200 u/kg ),目標活化凝血時間超過350 s，在整個實驗過程中每30分鐘檢查一次。

或者，如果EJV不能充分擴張以允許鞘管插入，則通過從胸骨切跡至劍突的標準中線切口進行胸骨切開術(shù)。在用振蕩骨鋸分開胸骨后，放置胸骨牽開器并加寬以提供足夠的暴露。打開心包，從頭臂靜脈匯合處向右心房(RA)暴露上腔靜脈。在近端上腔靜脈放置一個側(cè)咬式血管夾，然后用4–0聚丙烯縫線將一個10 mm的滌綸管移植物端側(cè)吻合到上腔靜脈。

4.4體內(nèi)研究程序

這些動物試驗的目的是:( 1)證明裝置在脈動流體工作空間中有效工作的能力;( 2)評估裝置促進CS插管的能力;( 3)通過進行雙心室心臟起搏評估裝置的起搏器導(dǎo)線定位。

為了證明這些目標，列舉了幾個指標，包括(1)在成功插入cs之前導(dǎo)絲探測嘗試的次數(shù)；(2)CS插管時間，定義為在SVC中穩(wěn)定裝置、使用熒光鏡引導(dǎo)導(dǎo)航至CS口以及使用7 Fr引導(dǎo)導(dǎo)管插入CS所需的時間長度；(3)造影輔助驗證的時間，定義為CS插管的時間加上通過造影劑注射確認位置所需的額外時間；以及(4)熒光透視暴露的持續(xù)時間，定義為從通過已經(jīng)定位的護套插入軟機器人平臺到對比輔助驗證所使用的熒光透視的總持續(xù)時間。次要目標包括建立電捕獲和演示動物心室起搏的能力。

由于機器人的一次性使用性質(zhì)，每個動物研究都制作了新的原型，避免了消毒的需要。通過鞘管或移植管插入柔軟的機器人裝置，并在熒光鏡引導(dǎo)下向右心房推進。穩(wěn)定機構(gòu)部署在遠端上腔靜脈，軟機器人的基座位于右心房內(nèi)。機器人平臺的正確初始定位對于在RA內(nèi)最大化軟機械手的可操作性是至關(guān)重要的。例如，如果機器人在SVC中穩(wěn)定得太好，那么操縱器將在成角度的腔室連接處接觸組織。此外，考慮到其曲率半徑，將操縱器的底座進一步伸入右心房阻礙了操作者成功進行CS插管。進行熒光透視靜止幀圖像和血管造影片以確保適當?shù)亩ㄎ?。一旦確認，該裝置由任天堂Wii Classic控制器操縱，并導(dǎo)向CS口的典型解剖位置(沿著下后房室溝)。一根0.035英寸的導(dǎo)絲穿過機器人的中央通道。通過機器人中央通道結(jié)合使用熒光鏡檢查、導(dǎo)線探測和ioversol對比劑注射，以促進右心房內(nèi)的導(dǎo)航和冠狀動脈竇口的識別。

一旦確定，操縱器的尖端靠近竇口，使用導(dǎo)絲插入CS。一個7 Fr發(fā)射器引導(dǎo)導(dǎo)管(明尼蘇達州明尼阿波利斯的美敦力公司)通過機器人的中央通道放置在導(dǎo)絲上，并推進到CS中。移除導(dǎo)線，通過導(dǎo)管注射ioversol對比劑，確認在血管造影下成功插入CS。4 Fr起搏導(dǎo)線穿過導(dǎo)管進入CS，用于實現(xiàn)電捕獲。這完成了實驗，通過放血對動物實施安樂死。

作為對照，使用標準9 Fr Worley冠狀竇導(dǎo)管(猶他州南喬丹市Merit Medical公司)作為對照。同樣，主要指標是導(dǎo)絲探針嘗試次數(shù)、cs插管時間、造影輔助驗證時間和熒光鏡檢查總持續(xù)時間。在放置用于機器人部署的24 Fr插入鞘之前，如上所述通過直接針刺將9 Fr CS引導(dǎo)鞘放置在右EJV。在機器人研究之前，將CS導(dǎo)管鞘插入24 Fr導(dǎo)管鞘預(yù)期位置的正上方，并在遠端結(jié)扎EJV。在熒光鏡的引導(dǎo)下，CS導(dǎo)管鞘進入右心房。熒光鏡檢查、通過CS導(dǎo)管鞘和/或?qū)Ч艿闹醒胪ǖ雷⑸湓煊皠┮约皩?dǎo)線探測的組合用于在右心房內(nèi)導(dǎo)航和識別CS竇口。一旦確定后，將CS導(dǎo)管鞘推進至竇口附近，使用0.035”導(dǎo)絲插入CS。將7 Fr冠狀動脈導(dǎo)管置于導(dǎo)絲上，并推進至冠狀動脈內(nèi)。移除導(dǎo)絲，通過導(dǎo)管注射造影劑，在血管造影術(shù)下確認CS成功插管。

在多次體內(nèi)會話之間，臨床醫(yī)生進行了四次初始CS插管嘗試:一次使用標準設(shè)備，兩次使用鹽水溶液驅(qū)動的機器人，一次使用造影劑-鹽水混合物驅(qū)動的機器人。后續(xù)插管嘗試的次數(shù)是根據(jù)每次插管的剩余時間確定的。最終，用標準工具進行了五次后續(xù)插管，而用機器人進行了四次后續(xù)插管。試驗的順序(即從標準工具還是機器人開始)是隨機選擇的，因為這個順序不會影響操作員的表現(xiàn)。

感謝

我們感謝T. Shingade、A. Shi和M. Neduncheliyan(波士頓大學(xué))在臨床試驗前的組件制造和原型準備方面所做的不懈努力。我們感謝s·李、陸虎·蓋塔和a·卡梅隆(波士頓大學(xué))對這項工作的反饋。這項工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所(NIBIB)的支持，獎勵R21EB028363。內(nèi)容完全由作者負責，并不代表NIH的官方觀點。這項工作還得到了DoE GAANN Award P200A210041和美國國立衛(wèi)生研究院NCATS波斯頓大學(xué)CTSI分校1UL1TR001430的資助。j . r . d . r . l . z . d . h .和T.R .是波士頓大學(xué)提交的一項專利的發(fā)明人，該專利涉及“導(dǎo)管操縱裝置及其用途”。

利益沖突

作者聲明沒有利益沖突。