多功能磁驱动导管机器人：三轴力传感技术在微创手术中的突破性应用

为解决微创手术(MIS)中导管缺乏主动转向和力反馈能力的难题，研究人员开发了集成多段磁体、FBG三轴力传感器和多功能器械的磁控导管机器人。该研究通过传感器校准证实其高灵敏度(轴向灵敏度494.86 pm/N)，并在离体猪肾(检测力值0.08-0.41 N差异)和支气管体模(识别0.24-0.31 N结节)实验中验证了其异常组织检测能力。这项发表于《Research》的工作为智能手术机器人提供了环境感知新范式。

　　

在微创手术领域，传统导管面临两大技术瓶颈：一是缺乏主动转向能力导致操作灵活性不足，二是无法感知导管尖端与组织的接触力，易引发组织穿孔风险。尽管磁控连续体机器人(MCRs)凭借磁场驱动的灵活性展现出临床潜力，但现有设备多局限于单一转向功能，且缺乏力反馈模块，严重制约其在肿瘤触诊等需要力感知的关键诊断中的应用。

针对这些挑战，来自中国的研究团队创新性地开发了集成磁驱动转向和三轴力感知的多功能导管机器人。该研究通过将多段NdFeB磁体(N52级)、微型光纤布拉格光栅(FBG)力传感器(直径仅1mm)和功能性器械(活检钳/内镜)集成于5mm直径的导管尖端，实现了"感知-操作"一体化。研究证实该设备不仅能完成90°主动偏转，还可检测0.08N级微小力差异，相关成果发表在《Research》期刊。

关键技术包括：采用单光纤三FBG传感器设计(中心波长1545/1550/1555nm)，通过特殊弹性体结构实现三轴力解耦；建立磁偶极子模型控制UR10机械臂搭载的圆柱磁体(Φ60×60mm)产生0-650mT磁场；使用ATI六维力传感器(Nano17 SI-12-0.12)进行传感器校准；在离体猪肾中植入3D打印硬块(硅胶/PLA/钢，Φ8-12mm)模拟病变；采用支气管体模(硅胶材质，管径3-20mm)验证肺结节识别能力。

工作原理解析
导管尖端采用三通道设计：磁体通道含多段Φ1×2mm磁体实现磁响应，传感器通道集成FBG力传感器，工作通道可搭载活检钳(Φ1.8mm)或磁环内镜。通过外部磁场控制，导管可在支气管分叉处实现精准转向，同时FBG传感器实时监测接触力，形成"视觉-触觉"双模态反馈。

导管制备与功能集成
采用Ecoflex-0030硅胶复合材料铸造三通道导管尖端，通过5光纤5FBG的弹性体结构实现三轴力测量。装配平台确保光纤预张力(0.2N)避免啁啾效应，最终传感器尺寸仅Φ1×18mm。两种功能导管(内镜型/活检型)尖端尺寸均为Φ5×46mm，主体外径3mm。

传感器校准与转向表征
FBG传感器校准显示三轴灵敏度分别为K_Z=494.86 pm/N、K_X=1338.99 pm/N、K_Y=623.35 pm/N，均方根误差<5%。SOFA平台仿真表明，56mm长导管尖端在100mm工作距离下可实现90°偏转，实验测得三轴合力随距离缩短而增大。

离体肾肿瘤触诊
在植入不同硬度硬块的猪肾中，离散触诊测得正常组织力值0.08-0.09N，而PLA/钢硬块区域达0.17-0.25N。连续触诊路径显示，含硬块区域的力值显著高于正常组织，45°斜向触诊同样有效识别12mm硅胶硬块(0.41N)。

支气管镜辅助肺结节触诊
在定制支气管体模中，导管通过磁驱动精准转向目标分支，内镜成像确认结节位置后，FBG传感器检测到0.24-0.31N的异常力峰值，完成三个路径结节识别(操作时间40-61秒)。

胃息肉活检验证
导管集成活检钳在胃体模中完成三个路径触诊(力峰值0.13-0.17N)，并成功钳取息肉样本，证实"触诊-活检"联用可行性。

这项研究的突破性在于：首次在MCRs中实现三轴力感知与多功能器械的微型化集成，FBG传感器灵敏度较同类提高30%；通过磁-力混合控制解决了导管"盲操作"风险；离体实验证实其可识别0.08N级硬度差异，为肺癌早期诊断提供新工具。未来通过优化导管尺寸和闭环控制算法，该技术有望拓展至TAVR(经导管主动脉瓣置换)等更复杂术式，推动微创手术向智能化方向发展。