【ZiDongHua之自動化學院派收錄關(guān)鍵詞：澳門大學 生命科學領(lǐng)域  機器人自動化 磁導(dǎo)航系統(tǒng)  】
 
　　用于自動化介入治療!澳門大學研發(fā)多機器人磁導(dǎo)航與多節(jié)磁控軟體機器人系統(tǒng)
 
　　在現(xiàn)代城市化和生活方式不斷改變的背景下，心血管疾病(如動脈硬化、腦血栓等)已成為全球范圍的主要健康威脅?，F(xiàn)有心血管微創(chuàng)介入手術(shù)主要依靠醫(yī)生手動操作導(dǎo)管來完成，該手術(shù)對醫(yī)生的操作經(jīng)驗要求較高，并且易受X-ray的輻射傷害。為克服該難題，澳門大學科技學院智能與微納系統(tǒng)實驗室的李政陽博士、徐青松教授研制出一種多機器人協(xié)作磁導(dǎo)航系統(tǒng)，并提出一種多節(jié)磁軟體機器人用于血管介入手術(shù)，有望以自動化的方式代替現(xiàn)有的手動介入方案。相關(guān)成果以Multi-Section Magnetic Soft Robot with Multirobot Navigation System for Vasculature Intervention為題發(fā)表在中國科技期刊卓越行動計劃梯隊期刊Cyborg and Bionic Systems上。
 
 
　　圖1.多機器人協(xié)作磁導(dǎo)航與多節(jié)磁軟體機器人系統(tǒng)
 
　　▍研究背景
 
　　近十年來，軟體機器人因其靈活性和快速響應(yīng)性得到長足發(fā)展，并促進了在微創(chuàng)手術(shù)中的廣泛應(yīng)用。尤其在心血管介入手術(shù)中，傳統(tǒng)方法采用手動操控的導(dǎo)管在X-ray造影成像的引導(dǎo)下將藥物/支架輸送到靶點（如血栓和動脈瘤等），然而該方法要求介入科醫(yī)生擁有很高的操作技巧，而且醫(yī)生與病人遭受輻射損傷。為解決上述手動介入方法的缺點，自動化的機器人輔助血管介入提供了一種新途徑。然而，現(xiàn)有的線驅(qū)動導(dǎo)管機器人具有一定局限性（如線驅(qū)動的遲滯特性和較粗的結(jié)構(gòu)尺寸），限制其應(yīng)用于更具挑戰(zhàn)性的體內(nèi)場景，例如微小血管的介入治療。
 
　　▍主要挑戰(zhàn)
 
　　磁控軟體機器人（Magnetic Soft Robots）具有優(yōu)于線驅(qū)動的小型化和非接觸式遙操作磁控制的特點，成為新的研究熱點。研究人員嘗試運用磁控軟體機器人進行自然腔道內(nèi)和血管內(nèi)手術(shù)，但是仍有若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)需要解決。
 
　?。?）由于人體血管的分布復(fù)雜，最近出現(xiàn)了關(guān)于磁控軟體機器人的設(shè)計研究，以滿足微創(chuàng)介入手術(shù)的要求。這些磁控軟體機器人試圖改變傳統(tǒng)磁軟體機器人的單管形狀結(jié)構(gòu)，采用多節(jié)/同心管、變剛度、螺旋形等，以提高臨床療效等相關(guān)功能，這些設(shè)計均需通過實驗以檢驗在復(fù)雜介入手術(shù)中的可行性；
 
　?。?）軟體機器人的逆運動學建?？梢圆捎梅侄纬Ｇ世碚摚≒CC）、歐拉-伯努利理論（E-B）等。當考慮外部載荷（例如磁力/力矩）時，PCC和E-B理論因其離散化而不適用于動態(tài)血管內(nèi)的應(yīng)用?？紤]到多節(jié)結(jié)構(gòu)的特點，所期望的復(fù)合曲率和工作空間應(yīng)在優(yōu)化過程中同時解決；
 
　?。?）固定式的磁導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于介入手術(shù)時存在工作空間有限、占地規(guī)模較大等缺點，而移動式磁導(dǎo)航系統(tǒng)具有遠距離傳輸?shù)膬?yōu)點，且具有高靈活性、可移動性等優(yōu)勢。然而，采用多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)來控制與追蹤在血管中的磁軟體機器人仍具有很大挑戰(zhàn)。另外，冗余的多自由度運動增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計難度。
 
　　因此，需要結(jié)合多節(jié)磁軟體機器人與多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)的特點，針對性地進行運動學建模與控制器設(shè)計，并通過在模擬介入環(huán)境中，驗證所提出方法的可行性。
 
　　▍主要發(fā)現(xiàn)
 
　?。?）提出一種由多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航的新型多節(jié)磁軟體機器人，用于超聲引導(dǎo)的自動化血管內(nèi)介入手術(shù)（圖1）。
 
　?。?）構(gòu)建了基于優(yōu)化的Cosserat Rod的多節(jié)磁軟體機器人運動學模型，分析了其在移動非均勻磁場驅(qū)動下動態(tài)模型的最優(yōu)規(guī)劃（圖2）。
 
　　（3）對于多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)了基于二次規(guī)劃（QP）優(yōu)化的分級運動控制器，以規(guī)劃各機器人與磁控軟體機器人的理想運動軌跡。
 
 
　　圖2.基于Cosserat Rod理論的多節(jié)磁軟體機器人在不同狀態(tài)下的運動學建模
 
　　▍核心技術(shù)亮點
 
　?。?）多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)與磁控軟體機器人設(shè)計與工作原理：多機器人輔助導(dǎo)管介入系統(tǒng)（CMNS）的設(shè)計旨在實現(xiàn)自動化的血管內(nèi)介入治療。該多機器人輔助導(dǎo)管介入系統(tǒng)由磁控軟體機器人（MS-MSR）、外部移動磁場機器人（MMAM）、體外移動超聲機器人（MUNM）、進給運動機器人（MLAM）等多個機器人組成(圖1)。磁控軟體機器人由兩段不同直徑的PDMS套管組成，每根軟管的末端集成一個永磁體，所產(chǎn)生的磁力/力矩使磁控軟體機器人彎曲。
 
　?。?）基于Cosserat Rod的磁控軟體機器人優(yōu)化建模：由于多節(jié)磁控軟體機器人在介入術(shù)中靶向應(yīng)用時，其運動學求解需要準確、快速、穩(wěn)定的數(shù)值化方法，并能夠解決大撓度、接觸和摩擦等問題。作者在考慮計算效率的同時，術(shù)中建?；贑osserat Rod提出了一種形狀特性模型，將磁控軟體機器人作為細長桿或梁，在優(yōu)化控制方面采用勢能最小化，以求得最優(yōu)解（圖2）。
 
 
　　圖3.考慮介入運動的移動磁源與磁軟體機器人的運動規(guī)劃
 
　　（3）移動非均勻磁場與磁控軟體機器人在血管環(huán)境中的作用：將永磁體集成于多自由度機械臂的末端，使其產(chǎn)生非均勻驅(qū)動磁場，同時磁控軟體機器人在人體的血管中運動，當運動到血管的分叉位置時，通過磁力/力矩與距離間的關(guān)系，對移動機械臂進行位移規(guī)劃，以使磁控軟體機器人選擇正確的血管分支，從而到達靶點（圖3）。
 
　?。?）基于二次規(guī)劃（QP）的多機器人控制系統(tǒng)設(shè)計：多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)由多個子機器人組成，需要協(xié)同運動才能完成介入手術(shù)。由于系統(tǒng)中存在多自由度的運動，而且各個子模塊間的運動相互耦合，因此需要一種高效的控制算法來實現(xiàn)協(xié)同運動，避免碰撞，以保持同步。為解決這一多機器人冗余系統(tǒng)的協(xié)同運動問題，研究團隊提出一種基于二次規(guī)劃的多機器人協(xié)作控制器，以解決多機器人系統(tǒng)中存在的協(xié)同運動、碰撞避免和同步保持的優(yōu)化問題（圖4）。
 
 
　　▍實驗驗證
 
　　為驗證及定量評價多節(jié)磁軟體機器人的運動學和動力學特性，作者通過力測試實驗確定撓度與近端固定的關(guān)系，以驗證基于優(yōu)化后的Cosserat Rod模型。結(jié)果表明，多節(jié)磁控軟體機器人能夠穩(wěn)定地跟蹤參考軌跡，其每個尖端軌跡的跟蹤誤差分別為1.32 mm和1.86 mm，標準差為0.45 mm（圖5）。
 
　　由于多節(jié)磁軟體機器人可以實現(xiàn)多曲率彎曲，研究團隊采用一系列3D環(huán)來模擬約束和復(fù)雜的環(huán)境運動，進一步驗證了其動態(tài)靈巧性。例如，進行了由非均勻旋轉(zhuǎn)磁場導(dǎo)航的血管內(nèi)環(huán)境測試實驗。結(jié)果表明，多節(jié)磁控軟體機器人可以在3D多環(huán)結(jié)構(gòu)中精確地進行導(dǎo)航，并到達目標位置（視頻1）。在10次實驗中，平均穿環(huán)完成時間為96.50±2.42 s。
 
　　視頻1.通過三維曲折路徑穿環(huán)實驗驗證多節(jié)磁軟體機器人的自主導(dǎo)航能力
 
　　視頻2.磁導(dǎo)航與超聲跟蹤下多節(jié)磁軟體機器人在的體外血管模型介入實驗
 
　　此外，為了驗證所提出的多節(jié)磁軟體機器人和多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)在血管內(nèi)的控制與介入效果，進行了體外磁導(dǎo)航和超聲術(shù)中跟蹤的實驗驗證。多節(jié)磁控軟體機器人在一個多分支血管模型中進行介入運動（視頻2）。通過移動磁源不斷調(diào)整其姿態(tài)，將多節(jié)磁控軟體機器人納入有效磁場范圍內(nèi)。采用所提出的優(yōu)化的Cosserat Rod模型對術(shù)中多節(jié)磁控軟體機器人形狀進行估計。與未優(yōu)化的方法相比，其計算時間為0.23 s，平均估計誤差為3.35?。結(jié)果表明，多節(jié)磁控軟體機器人能夠在多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下到達預(yù)定靶點。
 
　　▍未來展望
 
　　總結(jié)而言，本文主要貢獻在于提出了一種多機器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)與多節(jié)磁控軟體機器人系統(tǒng)，對其進行優(yōu)化建模與控制。通過實驗研究，研究團隊成功驗證了多機器人協(xié)作手術(shù)機器人系統(tǒng)在超聲引導(dǎo)下的高效操作。該系統(tǒng)憑借精確的控制和實時的監(jiān)測，能夠確保導(dǎo)管沿預(yù)定路徑精準移動，保障手術(shù)操作的安全性和成功率。該技術(shù)突破為自動化介入手術(shù)領(lǐng)域提供了一種可靠的導(dǎo)航和控制解決方案。
 
　　論文信息：Zhengyang Li,Qingsong Xu*.Multi-Section Magnetic Soft Robot with Multirobot Navigation System for Vasculature Intervention.Cyborg Bionic Syst.2024;5:0188.DOI:10.34133/cbsystems.0188
 
　　論文地址：https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0188
 
　　期刊簡介
 
　　Cyborg and Bionic Systems《類生命系統(tǒng)（英文）》期刊是由北京理工大學(BIT)和美國科學促進會(AAAS)/Science共同打造的綜合性高水平國際化英文科技期刊，主要涵蓋機器人、生物醫(yī)學工程及神經(jīng)工程三大交叉領(lǐng)域，主編為中國工程院院士王振常教授。文章于2021年1月正式上線，入選“中國科技期刊卓越行動計劃二期英文梯隊期刊”和“2024年度支持北京市高水平國際科技期刊建設(shè)儲備項目(強刊提升）”，已被SCIE、EI、Scopus、Pubmed、DOAJ、中國科技核心期刊等數(shù)據(jù)庫收錄，2024年6月公布的JCR報告中IF=10.5。