【ZiDongHua之自動(dòng)化學(xué)院派收錄關(guān)鍵詞：澳門大學(xué) 生命科學(xué)領(lǐng)域  機(jī)器人自動(dòng)化 磁導(dǎo)航系統(tǒng)  】
 
　　用于自動(dòng)化介入治療!澳門大學(xué)研發(fā)多機(jī)器人磁導(dǎo)航與多節(jié)磁控軟體機(jī)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(dòng)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(dòng)操作導(dǎo)管來完成，該手術(shù)對(duì)醫(yī)生的操作經(jīng)驗(yàn)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(xué)科技學(xué)院智能與微納系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的李政陽博士、徐青松教授研制出一種多機(jī)器人協(xié)作磁導(dǎo)航系統(tǒng)，并提出一種多節(jié)磁軟體機(jī)器人用于血管介入手術(shù)，有望以自動(dòng)化的方式代替現(xiàn)有的手動(dòng)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(dòng)計(jì)劃梯隊(duì)期刊Cyborg and Bionic Systems上。
 
 
　　圖1.多機(jī)器人協(xié)作磁導(dǎo)航與多節(jié)磁軟體機(jī)器人系統(tǒng)
 
　　▍研究背景
 
　　近十年來，軟體機(jī)器人因其靈活性和快速響應(yīng)性得到長足發(fā)展，并促進(jìn)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(dòng)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(diǎn)（如血栓和動(dòng)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(dòng)介入方法的缺點(diǎn)，自動(dòng)化的機(jī)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(dòng)導(dǎo)管機(jī)器人具有一定局限性（如線驅(qū)動(dòng)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(jī)器人（Magnetic Soft Robots）具有優(yōu)于線驅(qū)動(dòng)的小型化和非接觸式遙操作磁控制的特點(diǎn)，成為新的研究熱點(diǎn)。研究人員嘗試運(yùn)用磁控軟體機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人的設(shè)計(jì)研究，以滿足微創(chuàng)介入手術(shù)的要求。這些磁控軟體機(jī)器人試圖改變傳統(tǒng)磁軟體機(jī)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(jì)均需通過實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)在復(fù)雜介入手術(shù)中的可行性；
 
　?。?）軟體機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模可以采用分段常曲率理論（PCC）、歐拉-伯努利理論（E-B）等。當(dāng)考慮外部載荷（例如磁力/力矩）時(shí)，PCC和E-B理論因其離散化而不適用于動(dòng)態(tài)血管內(nèi)的應(yīng)用。考慮到多節(jié)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(shí)解決；
 
　?。?）固定式的磁導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于介入手術(shù)時(shí)存在工作空間有限、占地規(guī)模較大等缺點(diǎn)，而移動(dòng)式磁導(dǎo)航系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，且具有高靈活性、可移動(dòng)性等優(yōu)勢。然而，采用多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)來控制與追蹤在血管中的磁軟體機(jī)器人仍具有很大挑戰(zhàn)。另外，冗余的多自由度運(yùn)動(dòng)增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。
 
　　因此，需要結(jié)合多節(jié)磁軟體機(jī)器人與多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，針對(duì)性地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與控制器設(shè)計(jì)，并通過在模擬介入環(huán)境中，驗(yàn)證所提出方法的可行性。
 
　　▍主要發(fā)現(xiàn)
 
　?。?）提出一種由多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航的新型多節(jié)磁軟體機(jī)器人，用于超聲引導(dǎo)的自動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了其在移動(dòng)非均勻磁場驅(qū)動(dòng)下動(dòng)態(tài)模型的最優(yōu)規(guī)劃（圖2）。
 
　?。?）對(duì)于多機(jī)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(jí)運(yùn)動(dòng)控制器，以規(guī)劃各機(jī)器人與磁控軟體機(jī)器人的理想運(yùn)動(dòng)軌跡。
 
 
　　圖2.基于Cosserat Rod理論的多節(jié)磁軟體機(jī)器人在不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模
 
　　▍核心技術(shù)亮點(diǎn)
 
　?。?）多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)與磁控軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)與工作原理：多機(jī)器人輔助導(dǎo)管介入系統(tǒng)（CMNS）的設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的血管內(nèi)介入治療。該多機(jī)器人輔助導(dǎo)管介入系統(tǒng)由磁控軟體機(jī)器人（MS-MSR）、外部移動(dòng)磁場機(jī)器人（MMAM）、體外移動(dòng)超聲機(jī)器人（MUNM）、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)器人（MLAM）等多個(gè)機(jī)器人組成(圖1)。磁控軟體機(jī)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(gè)永磁體，所產(chǎn)生的磁力/力矩使磁控軟體機(jī)器人彎曲。
 
　　（2）基于Cosserat Rod的磁控軟體機(jī)器人優(yōu)化建模：由于多節(jié)磁控軟體機(jī)器人在介入術(shù)中靶向應(yīng)用時(shí)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)求解需要準(zhǔn)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(jì)算效率的同時(shí)，術(shù)中建?；贑osserat Rod提出了一種形狀特性模型，將磁控軟體機(jī)器人作為細(xì)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(yùn)動(dòng)的移動(dòng)磁源與磁軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃
 
　?。?）移動(dòng)非均勻磁場與磁控軟體機(jī)器人在血管環(huán)境中的作用：將永磁體集成于多自由度機(jī)械臂的末端，使其產(chǎn)生非均勻驅(qū)動(dòng)磁場，同時(shí)磁控軟體機(jī)器人在人體的血管中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到血管的分叉位置時(shí)，通過磁力/力矩與距離間的關(guān)系，對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行位移規(guī)劃，以使磁控軟體機(jī)器人選擇正確的血管分支，從而到達(dá)靶點(diǎn)（圖3）。
 
　　（4）基于二次規(guī)劃（QP）的多機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)由多個(gè)子機(jī)器人組成，需要協(xié)同運(yùn)動(dòng)才能完成介入手術(shù)。由于系統(tǒng)中存在多自由度的運(yùn)動(dòng)，而且各個(gè)子模塊間的運(yùn)動(dòng)相互耦合，因此需要一種高效的控制算法來實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，避免碰撞，以保持同步。為解決這一多機(jī)器人冗余系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)問題，研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于二次規(guī)劃的多機(jī)器人協(xié)作控制器，以解決多機(jī)器人系統(tǒng)中存在的協(xié)同運(yùn)動(dòng)、碰撞避免和同步保持的優(yōu)化問題（圖4）。
 
 
　　▍實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
 
　　為驗(yàn)證及定量評(píng)價(jià)多節(jié)磁軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，作者通過力測試實(shí)驗(yàn)確定撓度與近端固定的關(guān)系，以驗(yàn)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(jī)器人能夠穩(wěn)定地跟蹤參考軌跡，其每個(gè)尖端軌跡的跟蹤誤差分別為1.32 mm和1.86 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.45 mm（圖5）。
 
　　由于多節(jié)磁軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多曲率彎曲，研究團(tuán)隊(duì)采用一系列3D環(huán)來模擬約束和復(fù)雜的環(huán)境運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其動(dòng)態(tài)靈巧性。例如，進(jìn)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(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，多節(jié)磁控軟體機(jī)器人可以在3D多環(huán)結(jié)構(gòu)中精確地進(jìn)行導(dǎo)航，并到達(dá)目標(biāo)位置（視頻1）。在10次實(shí)驗(yàn)中，平均穿環(huán)完成時(shí)間為96.50±2.42 s。
 
　　視頻1.通過三維曲折路徑穿環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多節(jié)磁軟體機(jī)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(jī)器人在的體外血管模型介入實(shí)驗(yàn)
 
　　此外，為了驗(yàn)證所提出的多節(jié)磁軟體機(jī)器人和多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)在血管內(nèi)的控制與介入效果，進(jìn)行了體外磁導(dǎo)航和超聲術(shù)中跟蹤的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。多節(jié)磁控軟體機(jī)器人在一個(gè)多分支血管模型中進(jìn)行介入運(yùn)動(dòng)（視頻2）。通過移動(dòng)磁源不斷調(diào)整其姿態(tài)，將多節(jié)磁控軟體機(jī)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(duì)術(shù)中多節(jié)磁控軟體機(jī)器人形狀進(jìn)行估計(jì)。與未優(yōu)化的方法相比，其計(jì)算時(shí)間為0.23 s，平均估計(jì)誤差為3.35?。結(jié)果表明，多節(jié)磁控軟體機(jī)器人能夠在多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下到達(dá)預(yù)定靶點(diǎn)。
 
　　▍未來展望
 
　　總結(jié)而言，本文主要貢獻(xiàn)在于提出了一種多機(jī)器人磁導(dǎo)航系統(tǒng)與多節(jié)磁控軟體機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化建模與控制。通過實(shí)驗(yàn)研究，研究團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)證了多機(jī)器人協(xié)作手術(shù)機(jī)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(shí)時(shí)的監(jiān)測，能夠確保導(dǎo)管沿預(yù)定路徑精準(zhǔn)移動(dòng)，保障手術(shù)操作的安全性和成功率。該技術(shù)突破為自動(dòng)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(xué)(BIT)和美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(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(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)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(dòng)計(jì)劃二期英文梯隊(duì)期刊”和“2024年度支持北京市高水平國際科技期刊建設(shè)儲(chǔ)備項(xiàng)目(強(qiáng)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(bào)告中IF=10.5。