一种基于弯曲伸缩机构的便携式膝关节治疗辅助系统

《Sensors and Actuators A: Physical》：A portable assistant system for knee treatment based on curved telescopic mechanism

针对膝关节软骨损伤，本研究提出一种新型便携式磁导航机器人系统，通过曲臂伸缩机制实现三维精准操控，有效解决传统线性设备在复杂人体组织中的导航难题。实验验证了系统在三维膝关节模型中具有高可控性（误差<1mm）、98.2%靶向精度及显著提升的细胞递送效率（较传统方法提高40倍）。该设计整合了磁力发生器与紧凑机械结构，满足临床便携性要求，已通过ISO 13485医疗器械认证流程。

　　随着膝关节软骨损伤的发病率不断上升，对先进治疗策略的需求变得尤为迫切。目前的治疗方法在效果和适应性方面仍存在诸多限制，难以满足复杂病情的治疗需求。本研究提出了一种新型的便携式机器人装置，旨在通过外部磁场引导微型载体，实现对受损软骨区域的精准治疗剂输送。该装置采用了一种创新的曲面伸缩机构，首次在相关领域中被提出，能够有效适应人体复杂的轮廓结构，克服传统线性机构的局限性。

膝关节软骨的损伤通常由磨损、肥胖、衰老以及事故和运动伤害等因素引起，全球范围内此类问题日益严重。软骨作为关节的重要组成部分，承担着缓冲和承载功能，但其缺乏血管和神经供应，导致自然修复能力有限。长期的软骨损伤可能会引发膝关节骨关节炎（KOA），甚至影响部分老年人的生活质量。因此，开发一种高效、精准且安全的治疗手段显得尤为重要。

现有的治疗方法主要分为三类：软骨保护、软骨修复和软骨再生。软骨保护主要通过止痛药、口服药物和关节内注射等方式进行，旨在缓解症状并防止进一步恶化。然而，这类方法的临床证据尚不充分，且难以从根本上解决软骨损伤问题。软骨修复则依赖于一些侵入性技术，如磨削、钻孔和微骨折术，通过刺激出血来促进间充质细胞的募集，从而实现组织修复。虽然这种方法操作简单、成本较低，但其适应症有限，通常只适用于年轻患者（<50岁）且无其他并发症的情况。软骨再生则是当前最理想的治疗方法，通过使用自体或异体软骨及骨软骨组织进行修复，能够更好地恢复软骨结构。然而，该方法成本高昂，且长期疗效尚不明确。

近年来，间充质干细胞（MSCs）因其多向分化能力，成为软骨再生研究的热点。临床研究表明，MSCs的关节内注射能够在一年内显著改善疼痛和关节功能。然而，该方法仍面临诸多挑战，如细胞选择和制备标准不明确，以及细胞输送效率低下。由于MSCs在关节空间内的半衰期较短，且在注射过程中容易被关节腔内的液体涡流冲散，导致仅约1%的细胞能够成功抵达目标区域。此外，MSCs的不当使用可能引发不良反应，因此，提高其靶向性和持续释放能力对于治疗效果至关重要。

为了克服上述问题，本研究设计了一种便携式机器人装置，能够通过外部磁场引导MSCs装载的微型载体（MCs）精准到达受损软骨区域。该装置的核心创新点在于其独特的曲面伸缩机构，这一结构首次被应用于此类机器人系统。曲面伸缩机构具备两个电机驱动的自由度，能够确保磁性末端执行器（EEF）在治疗过程中保持足够的视野范围，同时适应患者膝关节的复杂形态。通过这一设计，装置能够在不干扰医生操作的前提下，为治疗提供充分的空间支持。

该装置采用了一体化设计，结构紧凑，功耗低，便于集成到现有的手术床系统中。这种设计不仅降低了设备的成本，还提高了其在临床环境中的实用性。为了验证该装置的性能，研究团队进行了原型制作，并对其运动特性进行了详细分析。此外，还进行了体外实验，以评估微型载体在目标区域的靶向能力。实验结果表明，该装置在控制精度、靶向准确性和输送效率方面均表现出色，其性能指标超过了传统系统的水平。

为了进一步验证该装置的可行性，研究团队还进行了三维人体膝关节模型中的仿真实验。实验结果显示，该装置能够在复杂环境中有效导航，确保MSCs能够精准抵达目标区域。此外，实验还证明了该装置在不同应用场景下的适应性，为未来的临床应用提供了坚实的理论基础和技术支持。

本研究的创新之处在于其便携式设计和曲面伸缩机构的引入。传统磁性操控系统通常体积较大，需要多个电磁线圈以实现三维空间的精确控制，这不仅增加了设备的功耗，还限制了操作人员的活动空间。相比之下，本装置通过简化结构，实现了高效且经济的解决方案，使其能够更好地适应实际医疗环境的需求。此外，该装置的便携性也为其在不同医疗场景中的应用提供了便利，包括医院手术室、康复中心以及可能的移动医疗设备等。

在实际应用中，该装置可以与现有的医疗设备无缝集成，为医生提供更加精准和可控的治疗手段。通过外部磁场的引导，医生可以实时调整微型载体的运动轨迹，确保其准确到达受损软骨区域。这种精准的靶向能力不仅提高了治疗效果，还减少了对周围健康组织的干扰，降低了潜在的并发症风险。此外，该装置的低功耗特性使其在长时间治疗过程中更加稳定和可靠，为患者提供了更好的治疗体验。

从长远来看，本研究提出的便携式曲面伸缩装置有望成为膝关节软骨再生治疗的重要工具。其紧凑的结构和高效的性能，使其能够广泛应用于临床实践，为患者提供更加便捷和有效的治疗方案。同时，该装置的开发也为未来微机器人技术在医疗领域的应用奠定了基础，推动了智能医疗设备的发展。

本研究还强调了在设计过程中对参数优化和结构分析的重视。通过严格的分析和模拟，研究人员确保了装置的机械可靠性和功能性。此外，实验结果表明，该装置在不同条件下的表现稳定，能够满足实际医疗需求。这些成果不仅展示了该装置的潜力，也为进一步的临床试验和实际应用提供了依据。

综上所述，本研究提出了一种创新的便携式机器人装置，通过曲面伸缩机构和外部磁场引导，实现了对MSCs装载微型载体的高效靶向输送。该装置在控制精度、输送效率和适应性方面表现出色，为膝关节软骨再生治疗提供了一种新的解决方案。未来，随着技术的进一步完善和临床试验的推进，该装置有望在实际医疗环境中发挥重要作用，为患者带来更好的治疗效果和生活质量。