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本文介绍一种基于纤维堵塞（FJ）的可变刚度（VS）心血管导管。它能实现瞬间刚度变化（≤300 ms），刚度变化达 6.5 倍，安全性高。在心脏消融手术中优势显著，有望成为微创手术新标杆，为攻克疾病提供有力支持。
### 研究背景
微创心脏手术（MIS），如用于治疗心律失常的心脏消融术，旨在以最小的创伤、更低的感染风险、更好的手术效果和更短的恢复时间为患者带来更安全的治疗。在这类手术中，微型手术器械 —— 导管发挥着关键作用。目前常用的远程磁导航（RMN）系统，通过围绕患者身体的多个电磁铁产生可控磁场，来引导磁性导管在患者体内移动，这使得医生可以远程操作手术，避免暴露于 X 射线，还减轻了医生的培训负担。
然而，现有的磁性导管只能实现单曲率弯曲，这严重限制了其工作空间和灵活性。为解决这一问题，研究人员开发了具有可变刚度（VS）能力的多节段导管。这些导管通常由相变材料制成，通过热刺激来改变材料的刚度，从而实现多曲率弯曲，扩大了导管的工作空间。但这类基于相变材料的导管存在一个重大缺陷，其刚度从刚性到软性的完全变化周期长达 90 秒，这是因为材料的加热和冷却速度缓慢。在心脏消融手术中，由于需要多次重新定位导管，频繁的等待会使手术时间大幅延长，增加手术成本，还限制了患者接受治疗的机会。此外，在人体内使用电力加热也存在安全隐患。
研究内容
为了克服现有可变刚度导管的缺点，研究团队提出了一种基于纤维堵塞（FJ）的可变刚度导管。这种导管由两个可变刚度节段组成，分别填充了不同材料（聚乳酸（PLA）和铜纤维）的纤维，并配备了两个磁铁，可通过医院兼容的 RMN 系统的可控磁场进行操作。当对特定节段施加真空时，该节段内的纤维会因外部压力而相互挤压，摩擦力增大，导致相对滑动受阻，从而使导管节段的弯曲刚度增加；而未施加真空的节段则保持柔软，便于操作。当导管形成所需的曲线后，可再次施加真空将两个节段锁定，以便进行消融手术。
导管的设计与制造
FJ 可变刚度导管由两个节段构成，它们通过一根长聚四氟乙烯（PTFE）管与后段管路组件相连。每个节段的结构相似，前端有一个磁铁，后面填充纤维，整体被封装在硅胶套筒内，并用硅胶胶水固定纤维和密封节段。此外，导管内还设有一个工作通道，用于安装消融尖端，以及一个真空通道，用于调节导管的刚度。
在制造过程中，研究团队首先要获取大量超薄纤维。他们选用了漆包铜线（?50、75、100μm）和从 3D 打印机（Ultimaker S5）中提取的 PLA 纤维（?50μm）。通过缠绕机 I 以特定的旋转速度，将加热的 PLA 细丝拉制成 ?50μm 的纤维。接着，将这些纤维安装到缠绕机 II 上，重新排列成纤维束。对于外部套筒，研究团队选择了弹性模量在 100% 应变时为 0.34MPa 的硅胶橡胶（DragonSkin 0020），采用浸涂固化工艺制作出壁厚约 150μm 的硅胶套筒。
准备好所有组件后，开始构建导管节段。先制作铜纤维节段，将硅胶套筒插入 PTFE 管右侧，依次插入辅助管、铜纤维束、工作和真空通道，再用硅胶胶水固定并插入磁铁和支撑碳纤维（CF）棒，最后密封节段。制作 PLA 纤维节段时，过程类似，但要注意将节段的一半插入铜纤维节段的尖端，并正确固定和密封。导管后端的 PTFE 管与后段管路组件连接，完成整个导管的制造。
FJ 性能表征与优化
为了研究 FJ 在导管尺度上的刚度变化性能，并确定最佳的 FJ 配置，研究团队进行了详细的表征实验。他们通过三点弯曲测试，改变填充率（所有纤维横截面积之和与硅胶套筒内横截面积的比值）、纤维直径和纤维材料等参数，同时测量 FJ 的反应时间。所有表征实验均使用具有 40mm 长 FJ 节段的单节段导管。
在研究设计参数之前，通过三点弯曲测试获得力曲线。以填充率为 45%、直径为 ?50μm 的 PLA 纤维导管为例，随着真空压力的增加，刚度和刚度变化因子（SCF，刚性状态与软性状态的刚度比）逐渐上升，表明可以连续调节导管的刚度。在真空压力低于?75kPa 时，SCF 满足导管应用的要求（至少为 4）。
在力曲线中，真空作用下初始挠度范围（0 - 0.2mm）内的陡峭斜率代表纤维束的高刚度，这是由于静摩擦力阻止了纤维的相对滑动，但该范围较窄，实际应用价值有限。在中等挠度范围（0.2 - 1mm）内，由于克服静摩擦力后纤维滑动的动摩擦力较低，刚度也较低。因此，研究团队采用组合刚度（结合 FJ 节段初始挠度的较高刚度和中等范围的较低刚度）来更实际地表示 FJ 节段在刚性状态下的刚度，通过对 0 - 1mm 挠度范围内的力曲线进行线性拟合来计算组合刚度。
研究填充率对 SCF 的影响时发现，当使用 ?50μm 的 PLA 纤维并施加最大真空（?95kPa）时，随着填充率从 20% 增加，平均 SCF 先上升，在填充率约为 40% 时达到峰值，然后下降。在低填充率下，FJ 节段内部较为中空，施加真空后会被挤压成扁平状，导致不同测试方向上的 SCF 差异较大，标准偏差（SD）大于 1，VS 性能重复性差。当填充率超过 45% 时，SD 降至 0.75 以下，FJ 性能更加稳定。但高填充率会使软性状态下的刚度因纤维拥堵导致的初始摩擦力增加而升高，从而降低 SCF。综合考虑，确定 45% 为最佳填充率，此时 SCF 可达 6.54，SD 为 0.5。
在最佳填充率 45% 的情况下，研究纤维直径对刚度的影响。结果表明，随着 PLA 纤维直径从 50μm 增加到 100μm，SCF 从 6.5 降至 4。这主要是因为纤维直径增大时，刚性状态下的刚度降低，同时软性状态下的刚度略有增加。因此，选择 ?50μm 作为导管的最佳纤维直径。
对铜纤维进行测试时发现，随着填充率的增加，其 SCF 和 SD 也会下降。由于铜纤维表面更光滑，在 40%、45% 和 50% 的填充率下，其 SCF 分别比 PLA 纤维低 0.2、0.66 和 1.32。但铜纤维导管在刚性状态下的绝对刚度约为 PLA 纤维导管的两倍，因此是制作高刚度导管的潜在选择。综合优化结果，确定最佳 FJ 配置为填充率 45%、纤维直径 50μm，适用于 PLA 和铜纤维。
利用 PLA 和铜两种不同刚度的材料，研究团队制备了不同比例的混合纤维束（75 - 25%、50 - 50% 和 25 - 75% 的 PLA - 铜比例）并进行测试。结果发现，随着铜纤维比例的增加，混合纤维束的刚度范围逐渐从 100% PLA 束向 100% 铜束转变，但 SCF 保持稳定，平均值为 5.1。这种刚度定制特性有助于配置多节段导管的刚度。
FJ 技术以其在真空作用下的快速反应而闻名，但此前由于缺乏精确的测量方法，其实际反应时间（从软性到刚性或从刚性到软性的完全刚度变化所需时间）尚未有报道。研究团队设计了一种测量方法，通过获取真空切换过程中的力曲线，测量两个力水平之间的转换时间，从而得到 FJ 的反应（硬化和软化）时间。测试结果表明，大部分反应时间在 100ms 以内，除了使用 ?0.5mm 管时的软化时间约为 250ms。总体而言，FJ 的刚度转变大多在 300ms 以内，比现有可变刚度导管的反应时间快至少两个数量级。
此外，研究团队还对导管的泄漏鲁棒性进行了研究。水下测试显示，导管在经历 160 次硬化和软化循环后无泄漏，力测试也证实了在软性和刚性状态下，导管的刚度无明显变化，接触力相似。这表明该导管作为一次性设备，对于通常需要约 80 次刚度变化的消融手术来说足够可靠。
导管在 RMN 系统下的弯曲测试
确定了 FJ 节段的最佳配置（45% 填充率，?50μm）和 FJ 反应时间后，研究团队使用医院兼容的 RMN 系统（CardioMag）对具有五种不同纤维成分的导管进行弯曲特性测试。在刚性状态下，单节段导管在垂直于导管的固定方向上，随着磁场密度（MFD）的增加进行测试，以评估其刚性；在软性状态下，导管在相应的 MFD 下，将磁场方向从 0°（平行于导管）旋转到 150°，测试其弯曲范围。由于不同纤维材料成分决定的刚度不同，测试软性状态导管的 MFD 也不同，100% PLA、75% PLA - 25% 铜、50% PLA - 50% 铜、25% PLA - 75% 铜和 100% 铜的 MFD 分别为 40、50、60、70 和 80mT。
测试结果显示，在刚性状态下，不同纤维成分的导管在推荐的 MFD 下保持刚性，挠度极小。例如，五种纤维成分的导管在相应 MFD 下的最小挠度分别为 15.1°、11.3°、12.1°、10.1° 和 6.4°。在软性状态下，随着磁场旋转 150°，导管实现了较大的弯曲角度，分别为 107°、100°、98°、94° 和 92°。此外，循环弯曲测试中观察到约 10° 的滞后现象，主要归因于弯曲过程中的纤维重新排列。
为了展示导管的瞬间刚度变化，进行了多次硬化和软化的循环弯曲测试。结果显示，导管在转动阀门旋钮时能立即实现冻结和释放动作。总体而言，研究团队的计算能够准确预测不同纤维成分单节段导管的 MFD。在 RMN 系统下，导管虽然存在轻微滞后，但在刚性状态下挠度小、软性状态下弯曲度大，且刚度变化速度极快。
用于心脏消融的双节段导管
在心脏等大器官的开放容积手术中，手术工具的精确定位需要两个自由度。因此，研究团队开发了一种双节段 FJ 导管。第一节段使用 100% PLA 纤维束，刚度范围较低，可实现较大的弯曲范围；第二节段填充 100% 铜纤维束，刚度范围较高，既能提供足够的运动范围，又能为第一节段的操作提供刚性支撑。两个节段均采用 45% 的填充率和 ?50μm 的纤维。
在 RMN 系统中对双节段导管进行测试，目的是展示两个节段的选择性操作以实现多曲率弯曲，并检查在操作一个节段时，另一个硬化节段是否不受影响。在模拟真实手术场景的测试中，将双节段导管插入人体心脏的 3D 模型中进行操作。
测试过程中，导管最初垂直放置，两个节段均硬化。然后，通过改变 40mT 磁场的方向，软化第一节段进行操作，此时第二节段保持静止，验证了 100% 铜纤维束在真空状态下的足够刚性。接着，在 80mT 磁场中操作第二节段，硬化的第一节段保持笔直。尽管刚性的第一节段无法承受 80mT 的 MFD，但在第一节段发生变形之前，软化的第二节段能够快速移动。之后，第二节段硬化，第一节段软化并在 40mT MFD 下向上操作，形成多弯曲曲线。这种多曲率弯曲能力使导管的工作空间相比单节段导管大幅扩展。整个曲线形成过程，包括三次刚度切换和两个节段的单独弯曲，耗时不到 10 秒，而使用相变材料的其他可变刚度导管完成相同动作至少需要 10 分钟。
在将双节段导管插入人体心脏 3D 模型的测试中，先硬化第二节段，利用 40mT 磁场操作软的第一节段进行潜在的消融手术；然后将导管撤回左心房，固定第二节段，通过磁场弯曲软的第一节段到不同位置。此外，通过控制磁场方向，引导导管通过 2D 迷宫，进一步展示了导管的可操作性。这些测试验证了导管的运动能力、两个节段刚度配置的有效性以及快速可变刚度功能，显示出其在心脏消融手术中的巨大潜力。
双节段导管的作用力表征
心脏消融手术中病变形成的质量取决于多个因素，包括施加到消融尖端的功率、消融持续时间以及消融尖端对人体组织施加的力。目前，医生使用现有手动驱动导管进行高质量病变形成时，至少需要对人体组织施加 15g 的力。现有的临床磁驱动导管只能施加 6g 的力，这导致手术时间延长、病变质量降低，进而增加心律失常复发的风险。可变刚度导管有望提高对人体组织施加的力，从而形成高质量病变，提高手术成功率。
研究团队使用商用 RMN 系统（Niobe，Stereotaxis）对双节段 FJ 导管在临床环境中的作用力进行表征，并与商用导管（Celsius RMT Thermocool，Biosense Webster J&J）进行性能比较。首先，将导管通过额外的管路从 50cm 延长至标准长度 135cm，确保延长管能够将真空泵的负压传递到可变刚度节段。在力测试中，将导管安装在支撑装置上，延长管插入推进装置，通过 RMN 系统的永久磁铁产生的磁场控制导管的弯曲角度，由经验丰富的外科医生通过机器人系统的控制面板调节磁场。
研究团队采用了临床消融手术中常用的三种力应用场景：仅使用导管推进器垂直推压人体组织、仅使用磁扭矩使导管与平行物体进行侧向接触、同时使用导管推进器和磁扭矩使导管与平行物体进行侧向接触。测试结果表明，刚性模式下的 FJ 导管施加的力与商用导管相当，但标准偏差略大。在垂直推压场景中，硬化的 FJ 导管可施加超过 8g 的力，比商用导管大 41%。在仅磁引导的侧向接触场景中，商用导管施加 2.03g 的力，而 FJ 导管为 0.76g，这主要是因为 FJ 导管前端只有一个磁铁，而商用导管有四个。研究团队预计，在 FJ 导管前端配备四个磁铁后，其刚性模式下的性能将与商用导管相当或更优。在同时使用磁引导和导管推进器的侧向接触场景中，两种导管表现相当，但同样预计 FJ 导管在配备四个磁铁后性能更优。
在软性状态下，FJ 导管产生的力为刚性状态的一半（4.02g），比商用导管低 31.3%，这表明它在体内导航时比现有认证设备更安全。同时，在刚性模式下，FJ 导管施加的力与认证导管相当或更高，有助于形成高质量病变。此外，FJ 导管在刚性（8.2N）和软性（4.02N）模式下均未超过 77g 的穿孔力阈值，为更安全和更好的手术结果提供了潜力。
体外消融演示
为了展示导管在刚性和软性状态下的消融能力，研究团队使用动物组织进行了体外测试。在导管尖端放置一个商用加热元件，并用硅胶胶水封装，两根直径 50μm 的电线通过工作通道连接到电源。将导管安装在 Instron 机器的线性平台上，使其能够垂直向组织移动。在刚性和软性状态下，导管尖端均向下推进 3mm 压在组织上，然后对 5 欧姆的消融尖端施加 5W 的功率。
消融 13 秒后，刚性状态下形成的病变尺寸为 12mm×6mm，软性状态下为 8mm×4mm。病变形成的深度和大小取决于时间、功率和施加的力。由于刚性状态下的导管不易弯曲，能够传递更高的力，从而产生更大的病变。
研究讨论
可变刚度是微创心脏手术中备受关注的特性，它可以显著提高设备的灵活性，增加消融过程中施加的力，最终提高手术成功率。虽然存在多种可变刚度机制，但由于尺寸、刚度范围和安全性等限制，很少适用于微创心脏手术。
本研究提出并表征了一种基于 FJ 的多节段可变刚度导管，可用于 RMN 手术。该导管能够在 600ms 内可逆地将刚度变化高达 6.5 倍，比其他可变刚度导管快 300 倍。尽管其 SCF 比使用相变材料的现有可变刚度导管低三倍，但实验结果表明，其在刚性和软性状态下的弯曲性能相当。
研究团队提出的制造方法可用于制造不同长度、厚度、刚度和节段数量的导管，适用于其他医疗程序，如腹部或耳鼻喉科手术，这些手术需要不同直径、长度和节段数量的导管。
可变刚度使 FJ 导管在软性和刚性状态下分别能够施加 4g 和 8.2g 的力。与现有商用导管（施加 5.85g 的力）相比，FJ 导管在软性状态下插入和导航时更安全，在刚性状态下消融效率更高。
心脏消融手术通常涉及多个部位的数十个消融点。现有可变刚度导管的刚度变化周期约为 1.5 分钟，形成一条曲线需要 3 分钟，这大大延长了手术时间。而本文介绍的导管完成相同操作所需的额外时间仅为几分钟（每个刚度转换周期 600ms，假设 80 次<
