医生又没辙了 理工男再出手开发出经导管自折叠微创手术工具

——适合通过导管进行微创手术的自折叠手术工具

“骆驼不能穿过针眼”。但瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员现在已经取得了一些——从形象上来说——非常接近的成就。他们开发了一种微创手术器械的新方法，可以通过狭窄的导管将大型物体带入体内。他们的示范研究已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

其工作原理如下：研究人员将此类设备拆解成单独的部件，然后将它们像一串珍珠一样连续地滑过导管。在导管末端，由于内置磁铁，部件自行组装成预定义的形状。

在其研究中，由 ETH 博士生 Hongri Gu（谷红日，音译）领导的团队主要关注展示这种新方法的多种可能性，谷红日 博士现在是康斯坦茨大学（University of Konstanz）的博士后。以相对简单的方式并使用 3D 打印，科学家们还构建了一个内窥镜抓取器。此外，他们还表明，新方法可以组装由三部分组成的内窥镜头。

对于他们的原型，研究人员将柔软的弹性部分与刚性部分结合在一起，并在其中加入了微小的磁铁。这种设计方法还使内窥镜头能够以非常小的半径和角度进行运动，这对于当今的内窥镜来说是不可行的。这种增加的移动性拓宽了对器官(如肠道或胃)进行微创手术的设备设计的可能性。

原文图1:磁性软机器人链(MaSoChains)的概念和结构。

a 标准MIS工具和自折叠MaSoChain的示意图。MaSoChains可以在导管尖端自我折叠成具有多个功能域的大型组件。b MaSoChains的潜在应用场景。当被推出鞘状导管(蓝色标记)时，MaSoChain可以折叠成较大的功能结构(彩色星形)，位于人体相对开放的腔室中(例如，心室、结肠、胃、膀胱)。c MaSoChains的基本自折叠单元，由硬段(白色)与软段(黑色)连接而成。小钕铁硼磁体嵌入在与周围表面相同的高度。d (上)MaSoChains制备的示意图。在组装小磁铁后，MaSoChains被拉伸并放置在护套管中，那里储存了弹性和磁性能量。(下)MaSoChain的折叠过程是当一个新的片段从护套管推出时开始的。弹性能量(存储在软部分)折叠MaSoChain，磁能确保稳定的组件(标记为刚性域)。在固定管的引导下，将MaSoChain向后拉取即可拆卸。比例尺为5mm。

原文图2: 弹性能和磁能结合的平滑折叠过程。

原文图5: 自折叠MaSoChain的大型磁镊子。

原文图6: 柔性PCBs和LEDs集成到功能MaSochains中。

原文图9: 由三段MaSoChain制成的自折叠系绳胶囊内窥镜。

附原研究背景信息：

与传统的开放式手术相比，微创手术 (MIS) 通过最大限度地减少穿过皮肤和软组织的切口尺寸，为患者提供了许多好处（更少的疼痛、更快的恢复、更少的感染等）。这些手术通常涉及将小型手术工具推过支撑导管护套中的狭窄通道，在曲折的路径中行进，并在受限的体内环境中进行手术。机器人技术通过提供更高的精度和稳定性、高质量的成像和 3D 建模、自动导航、远程操作、精确给药以及潜在的全自动手术干预，正在改变 MIS 的几乎所有方面。设计智能微型手术工具是机器人革命的前沿。先进微制造（例如，多材料 3D 打印、微成型 ）和功能性软材料（例如，形状记忆聚合物、刺激响应水凝胶）的最新发展为下一代 MIS 工具创造了机会. 与拉线、液压和气动执行机构相比，磁力驱动的软体机器人不需要通过电缆传输动力；相反，它们是由柔软的可弯曲尖端上的一块磁性材料传输的。这种简化的设计有利于小型化的磁力驱动手术工具，有可能作为一个平台来集成多个功能组件（例如，力传感器、相机、激光器、药物载体等），以获得全功能和先进的显微手术工具。

尽管手术工具的复杂性和功能性越来越高，但整体尺寸仍然受到导管护套内腔尺寸以及人体切口端口和自然孔道尺寸的限制。这种尺寸限制可妨碍大型工具和功能结构进入目标位置，即使目标位置相对开放（例如，膀胱、心腔、腹腔等）。需要穿过这些小开口对手术工具的设计提出了挑战，特别是系统集成、组装和包装。在某些情况下，弹性折叠可以作为克服尺寸限制的一种方法来实现。例如，预弯曲的导管尖端可以协助在血管网络中导航和超弹性镍钛诺支架在从血管内导管中释放时可以扩张到更大的直径。然而，这些设备的形状变化仅限于非常简单的几何形状，缺乏构建不规则结构的通用策略。与现有手术工具相关的另一个限制是它们通常针对单一功能（例如，导航、抓取）进行优化。在血管内手术中，外科医生经常需要通过拔出和插入不同的导管、导丝和其他手术工具来多次更换工具。反复更换 MIS 工具会大大延长手术时间，从而增加血管夹层和远端栓塞的风险。

可重构软体机器人可以通过在原位主动改变其形状来潜在地克服这些限制。变形能力允许手术工具以狭窄的配置插入导管，然后它们可以在到达目标部位后转变为大型功能结构。此外，形状可以用不同的功能部分进行预编程，使软体机器人能够在不同功能之间快速切换，从而减少整体手术时间和感染风险。然而，在手术软体机器人中实现形状可重构性具有挑战性。形状变形软体机器人主要有两种类型。一种是沿软体使用带有分布式执行器（电动、气动、液压等）的刚性连杆，可以通过精确调整执行器的驱动信号来主动改变和保持形状。这样的机器人在变形方面有很大的自由度。不幸的是，在不损失驱动功率的情况下，这些结构不能轻易地小型化到 MIS 的相关尺度（几毫米或更小）。此外，访问单个执行器的并行控制架构会阻碍进一步的系统集成。另一种形状变形软体机器人使用具有精心设计的形状和结构的刺激响应软材料（水凝胶、液晶弹性体、形状记忆合金和聚合物、复合磁性材料）。在环境刺激（pH 值、温度、光、磁场等）下，软体机器人可以变形为各种复杂结构，固有的柔软性为它们提供了卓越的适应性，以应对体内环境的复杂性。然而，相同的特征使它们容易受到干扰，这不适合执行需要大力量和高精度的可靠外科手术。一种可能的解决方案是采用相变材料来改变结构的刚度。然而，复杂的形状重构尚未实现，因为它需要与多个可单独访问的控制模块集成。类似于第一种具有分布式执行器的变形软体机器人，它在体内应用的小型化、集成和封装方面提出了重大挑战。

在这里，研究团队介绍了一类磁性软机器人链 (MaSoChains)，可以通过将它们推出导引导管来重新配置为可编程形状。MaSoChains 由用 NdFeB 磁铁组装的 3D 打印软性和刚性部分组成。当被推出导管护套时，预拉伸的软弹性段将开始弯曲并允许相邻的刚性段连接在一起，因为 NdFeB 磁铁将吸引并锁定组件形状。这种坚固的折叠机构可以通过沿着管子来回拉动和推动 MaSoChain 来反转和重新组装。这种形状改变策略可以在比插入尺寸大得多的多种可编程形状中实施。这种策略为 MIS 工具设计开辟了新的机会，并允许一些无法预料的功能，包括连续软体机器人尖端的增强可达区域和大型夹具。结合柔性印刷电路板（柔性 PCB），研究团队可以进一步扩展 MaSoChain 作为集成现成和定制电子设备以进行传感、驱动和计算的平台的功能。最后，他们展示了一个基于 MaSoChain 的功能性系留胶囊内窥镜，带有一个机载摄像头、一个转向磁铁。