磁控毫米级旋转机器人（Magnetic Milli-Spinner）：突破血流限制的血管内手术新平台

本刊推荐：本研究创新性提出一种磁控毫米级旋转机器人（Magnetic Milli-Spinner），其以每秒73体长的惊人速度（23 cm·s?1）实现在高血流血管环境中的快速稳定导航。该机器人凭借中空圆柱结构、螺旋鳍片与狭缝的一体化设计，通过旋转诱导流场增强推进效率，并集成抽吸剪切、靶向给药与动脉瘤栓塞等多功能治疗能力，为新一代无线血管内介入手术提供了突破性技术平台。

　　

磁控毫米级旋转机器人用于机器人血管内手术

摘要

导航人类血管系统中复杂且高血流动力学环境对传统血管内工具和外部驱动的系留系统仍构成重大挑战。尽管基于导管的方法是临床标准，但其有限的可操纵性和力传递能力阻碍了对迂曲或远端血管（特别是大脑血管）的进入。无绳机器人系统作为一种提高灵活性和可达性的有前景的替代方案已经出现。然而，大多数设计难以应对人类动脉中高脉动性血流的挑战。本研究提出了一种磁驱动的毫米级旋转机器人，克服了在复杂和高血流血管系统中导航的现有局限性。该机器人能够以23 cm·s^?1（每秒73个体长）的速度游动，实现快速、稳定的复杂血管导航。这一性能得益于其具有集成螺旋鳍片和狭缝的中空圆柱结构，共同产生旋转诱导的流场，增强推进效率，并使机器人即使在动态、脉动的血流环境中也能保持稳定和控制。除了导航能力外，毫米级旋转机器人还能够进行多功能治疗，包括局部抽吸和剪切以高效清除血栓、靶向药物输送以及用于动脉瘤治疗的原位栓塞。这些特点使毫米级旋转机器人成为下一代无绳血管内介入的通用且强大的平台。

1 引言

血管内设备，包括支架和栓塞设备，设计用于微创手术，依赖X射线或其他成像模式导航血管，以诊断和治疗血管疾病，如动脉粥样硬化、血栓形成和动脉瘤。这些设备通常通过导丝和导管输送到疾病部位。然而，在许多情况下，导航导管通过高度迂曲的区域，如大脑中的脑动脉，仍然非常具有挑战性。在具有急转弯或大导管与血管直径比的血管中，血管穿孔或剥离的风险增加。尽管最近在磁场引导或其他驱动的导丝和导管方面的进展旨在提高可操纵性，但基于导管的手术仍然面临在远端解剖结构中推进系留设备的局限性，因为向导管尖端的力传递较低。

为了解决这些挑战，无线血管内机器人，特别是毫米级机器人，最近成为机器人血管内手术的一种有前景的解决方案。这些机器人在可行性、易于跟踪和可控性方面提供了与其微型对应物相比的实用平衡。在这些系统中，螺旋形机器人通常用于通过旋转运动在管状环境中导航。尽管研究证明了它们的潜在应用，如药物输送和血凝块 disruption，但它们的临床转化仍然受到显著限制。一个关键限制是它们无法在人类血管系统的高脉动性血流中有效操作。当前的螺旋游泳器通常仅达到0.5–16 cm·s^?1的速度，这显著慢于动脉血流速率。作为参考，腿部静脉血流的平均速度约为10–20 cm·s^?1，而颈内动脉（ICA）的流速约为20–30 cm·s^?1，峰值速度可达约60 cm·s^?1。由于其低游泳速度，现有的螺旋机器人难以在高血流条件下保持稳定导航，使它们难以到达疾病部位并有效执行治疗功能。一些研究试图通过设计机器人与血管壁产生大摩擦来克服高血流，从而实现上游或下游运动。然而，这种方法在速度上效率低下，并且有损坏血管壁或触发痉挛的风险，这可能 obstruct 血流。

鉴于这些限制，一个真正功能的无线血管内设备必须整合两个关键能力：长距离无线导航和在动态血流条件下有效治疗疾病。在这项工作中，我们介绍了一种多功能磁毫米级旋转器，通过其新颖的结构设计和旋转诱导的流体动力学实现这两个目标。如图1a所示，毫米级旋转器具有独特的中空圆柱结构，带有螺旋鳍片和狭缝，共同在旋转磁场下最大化推进效率以实现有效导航（图1b）。这种独特设计实现了前所未有的23 cm·s^?1的游泳速度，对应于每秒73个体长，使其成为报道的用于管状环境的最快无绳磁机器人（图1c）。值得注意的是，它是第一个报道的实现与生理动脉流速率相当的游泳速度的设计，这可能解锁无线血管内机器人的新能力。

除了其高推进速度外，毫米级旋转器还设计有专门机制，实现多功能性和靶向疾病治疗。当由外部磁场驱动时，毫米级旋转器可以精确导航到目标血管区域，以执行一系列治疗功能，包括剪切诱导的血凝块减容和清除、药物输送和动脉瘤治疗（图1d）。特别是在凝块治疗期间，毫米级旋转器产生旋转诱导的局部抽吸和剪切力，显著压缩凝块的纤维 microstructure。这导致快速有效的凝块减容，在大约一分钟内实现凝块体积减少90–95%，从而实现高效凝块提取（图1d(i)）。此外，毫米级旋转器可以精确输送治疗剂到疾病区域（图1d(ii)）或诱导局部凝块用于原位栓塞，为治疗血管病变（如动脉瘤）提供微创策略（图1d(iii)）。

2 结果

2.1 磁毫米级旋转器游泳和导航

如图2a(i)所示，磁毫米级旋转器是一个圆柱结构，具有三个关键设计元素：一个通孔（黄色虚线）、三个螺旋鳍片（蓝色突出显示）和螺旋狭缝（绿色区域）。这些组件对于最大化推进以增强毫米级旋转器的游泳性能并启用附加功能至关重要。为了研究其高游泳速度和治疗潜力的潜在机制，对一个外径（OD）为2.5 mm的毫米级旋转器在3.5 mm直径管内操作的旋转诱导流体动力学进行了数值和实验分析。如图2a(ii)中的计算流体动力学（CFD）模拟所示，通孔和侧狭缝的集成诱导了一个独特的流场：流通过前开口进入，并通过后出口或侧狭缝退出。这在毫米级旋转器腔内产生显著的压力下降（图2a(iii)），减少了推进阻力并增加了游泳速度。通孔和狭缝的组合在增强推进中起着至关重要的作用。具体来说，通孔实现前侧抽吸，而狭缝放大这种抽吸效应并抑制后涡旋形成以最小化不利的能量损失。与仅具有螺旋鳍片的设计相比，添加通孔在相同旋转频率下将游泳速度提高1.9倍，而同时加入通孔和狭缝将其提高3.7倍。实验验证进一步证实，包含通孔和狭缝的设计在所有测试的三个设计中实现最高的游泳速度。此外，这种内部压力下降还产生有效的抽吸力，可用于物体捕获和运输以及与血凝块交互的功能（详见磁毫米级旋转器用于机械取栓部分）。独特的旋转诱导流场通过微粒子图像测速（PIV）测量进一步验证（图2b）。为了最佳可视化和清晰度，微PIV在降低的旋转频率2k rpm下进行。在此频率下，CFD预测移动速度为2.6 cm·s^?1，与微PIV测量的2.2 cm·s^?1速度密切匹配。毫米级旋转器前部的最大流速达到6.0 cm·s^?1。

2.5 mm OD毫米级旋转器在更宽频率范围（1.2k–12k rpm）的游泳性能通过CFD模拟和实验评估（图2c）。使用亥姆霍兹线圈产生均匀旋转磁场。结果显示旋转频率和游泳速度之间存在线性关系，模拟和测量之间良好一致。CFD预测在30k rpm时速度为58.6 cm·s^?1，而更大的3.5 mm OD毫米级旋转器在仅9.6k rpm旋转频率下可以实现模拟速度56.4 cm·s^?1。实验上，2.5 mm OD毫米级旋转器在8.4k rpm时可以达到14.5 cm·s^?1的游泳速度，这足以在峰值流速30 cm·s^?1（平均10 cm·s^?1或1 mL·s^?1）的脉动流中游泳，如图2d所示。在12k rpm时，它达到测量的23 cm·s^?1速度。注意，由于所使用亥姆霍兹线圈系统的旋转频率范围限制，未报告最大实验速度。

虽然毫米级旋转器在直管中具有高游泳速度（图2a–d），但评估毫米级旋转器在临床相关血管系统中的性能很重要。这里，利用移动旋转磁铁实现的敏捷运动控制（见支持信息中的磁驱动设置），毫米级旋转器在实时荧光镜引导下导航通过肺动脉流动模型（图2e）。该流动模型提供了一个相对简单的环境，可以通过其评估毫米级旋转器的转向能力，如支持信息中的Movie S3所示。遵循磁场的旋转轴，毫米级旋转器可以转向并导航到目标分支在血管分叉点。如图2f所示，磁毫米级旋转器在2秒内到达分支(iv)。毫米级旋转器可以通过简单地反转旋转方向沿相同路径返回。最后，毫米级旋转器被引导在6.3秒到达分支(v)，并最终在11.6秒到达(ii)和(iii)的分叉点。注意，磁铁（密度7.6 g·cm^?3）允许跟踪毫米级旋转器，因为它们在X射线成像下具有良好的可见性，即使被人类头骨（密度1.6至1.9 g·cm^?3）遮挡。如图2g所示，毫米级旋转器位置从磁铁明显，这些是X射线下毫米级旋转器两端的黑点。

更复杂血管系统（如高度迂曲的3D脑动脉）的导航需要更精确和复杂的毫米级旋转器运动动态控制。对于这些场景，带有附加旋转磁铁的六轴机器人手臂可以提供多方向控制（图2h），增强毫米级旋转器运动的精度。该机器人系统使毫米级旋转器能够通过脑动脉的复杂和曲折路径导航（图2i），通过实时调整毫米级旋转器的方向（支持信息中的Movie S4）。结合毫米级旋转器固有的导航能力和机器人手臂提供的先进控制，实现复杂血管内手术所需的精度。如图2j所示，毫米级旋转器首先通过鞘管输送到脑动脉，并在脉动流1 mL·s^?1（沿路径平均5至10 cm·s^?1）中向下游（流向）导航到迂曲血管。注意，当毫米级旋转器不旋转时，它移动非常快，几乎跟随流速率。为了在向下游移动时保持毫米级旋转器在可控速度，它以5.4k rpm频率旋转，推进方向与流向相反。当返回时，毫米级旋转器可以在7.2k rpm的更高旋转频率下控制向上游（逆流向）游泳，以有效克服流动。当毫米级旋转器接近鞘管时，可以应用抽吸将毫米级旋转器抽吸回鞘管（支持信息中的Movie S4）。这种方法可能提高传统微创介入在高度迂曲血管系统中的安全性。毫米级旋转器通过脑动脉流动模型的导航，向前和向后，重复20次，以证明毫米级旋转器使用两种控制方法的可靠性：机器人手臂控制的旋转磁铁和手动控制的旋转磁铁。在机器人系统中，手臂遵循预定义轨迹，而手动系统依赖训练有素的操作员引导毫米级旋转器。成功标准定义为在1分钟内完成导航。两个系统都实现100%成功率，证明毫米级旋转器在机器人和手动控制下的可靠性和可重复性。额外演示展示毫米级旋转器在严重迂曲脑动脉流动模型（具有两个360°转弯和多个180°转弯）中通过手动控制导航，呈现在支持信息中的图S9。支持信息中提供的额外模拟和离体实验（图S10和S11，以及Movie S5）证明毫米级旋转器的高旋转频率不会引起血管损伤，包括破裂或剥离。

2.2 磁毫米级旋转器用于机械取栓

机械取栓是一种微创手术，涉及机械方法，如使用抽吸真空凝块和支架取栓器机械切割并通过凝块从血管中拉出以恢复流动。由于凝块可以阻塞血液流向重要器官，如大脑、心脏和肺，因此快速执行凝块清除以减轻永久性组织损伤和细胞死亡很重要。毫米级旋转器显示出作为一种执行快速有效凝块清除的设备的前景，通过直接修改凝块的微观结构，这是一种与现有机械取栓技术根本不同的机制。血凝块主要由保持在纤维蛋白网络内的红细胞（RBC）组成。磁毫米级旋转器通过利用其磁场驱动的旋转运动（图3a）机械交互并移除凝块。为了演示概念，使用OD为3.5 mm的毫米级旋转器设计在5 mm直径血管分支中操作凝块，在1:1人类肺动脉流动模型中。类似于此的血管大小也存在于ICA、中浅股静脉和肾动脉/静脉中。为了驱动毫米级旋转器取栓，使用单个环形磁铁，因为它提供相对大的磁扭矩。

毫米级旋转器取栓机制示意图如图3b所示。当毫米级旋转器旋转时，它产生抽吸并将凝块拉向其腔。局部抽吸力确保凝块被压缩 against 毫米级旋转器。同时，旋转运动持续对凝块施加剪切力，并且剪切可以通过更大的抽吸增强。施加到凝块上的耦合压缩和剪切导致纤维蛋白网络的剧烈致密化和收缩，同时释放RBC（图3b）。应注意，而不是将凝块破碎成小片，这导致远端栓子并可能导致严重并发症，毫米级旋转器修改凝块结构以实现显著的凝块体积减少（称为凝块减容）。磁毫米级旋转器的机械取栓通过减容全血形成的凝块在肺动脉流动模型中演示，如图3c所示。毫米级旋转器导航到有凝块的分支，并在0.5秒内成功与凝块接合。当以9.6k rpm旋转时，毫米级旋转器在仅50秒内将凝块减容到小于其初始体积的5%。剩余的致密化纤维蛋白网络牢固地缠结在毫米级旋转器上，并与其一起移除。图3d显示治疗前红色全血形成的凝块与治疗后致密化纤维蛋白残留物的大小比较。见支持信息中的Movie S6用于实验体外凝块减容。据我们所知，演示的毫米级旋转器凝块减容技术实现了约150 mm³·min^?1的最快凝块大小减少速率 among 报道的无绳磁机器人。更重要的是，与现有的基于将凝块破碎成小片并可能引起远端栓子的无绳磁机器人不同，毫米级旋转器防止凝块碎片和远端栓子。工作机制通过扫描电子显微镜（SEM）进一步验证，如图3e所示。SEM图像提供了凝块微观结构在减容前后的详细视图。治疗前，纤维蛋白网络显得松散和 spread out，大部分凝块体积被RBC占据。然而，在毫米级旋转器治疗后，网络高度压缩和致密化，验证了凝块减容机制。这种微观结构转变对于减少凝块的整体大小、 facilitating 其移除和最小化远端栓子风险至关重要。毫米级旋转器取栓也证明有效治疗纤维蛋白凝块（支持信息中的图S12），这些凝块难以通过现有技术解决。

为了定量理解允许凝块减容的毫米级旋转器产生的流场和抽吸，进行了CFD模拟，结果如图3f所示。等高线（图3f(i)）可视化毫米级旋转器周围的流场，当它以9.6k rpm频率旋转 against 一个物体（代表血凝块）在5 mm直径管内。流线表明存在向毫米级旋转器腔的抽吸，并且这种局部抽吸行为通过沿管中心线的压力下降定量测量，如图3f(ii)所示。在毫米级旋转器和物体界面处的有效抽吸力关于不同旋转频率计算，通过积分毫米级旋转器前部的压力，证明更高的旋转速度导致物体上更 substantial 抽吸力（图3f(iii)）。这种抽吸有助于将凝块固定 against 毫米级旋转器表面，并增强凝块致密化的摩擦，促进高效减容。

2.3 磁毫米级旋转器用于靶向药物输送

在本节中，我们探索毫米级旋转器的旋转模式以及如何通过切换其旋转轴来控制药物释放速率用于靶向药物输送。基于旋转磁场的频率和幅度，毫米级旋转器可以实现两种不同的运动模式，即旋转和翻转（图4a），磁场围绕示意图中的黑色虚线旋转。当毫米级旋转器围绕其纵轴（毫米级旋转器圆柱结构的轴）旋转时，它经历旋转运动。另一方面，对于翻转运动，磁场的旋转轴垂直于毫米级旋转器的纵轴（支持信息中的Movie S7）。如图4b的等高线图所示，两种运动模式，旋转和翻转，可以通过调整磁场幅度和频率来切换。例如，在15 mT时，毫米级旋转器在旋转磁场频率相对较低（ below ≈3.6k rpm）时倾向于翻转。当频率增加到4.8k rpm时，毫米级旋转器过渡到旋转模式。然而，如果频率变得太高（ above ≈7.2k rpm），毫米级旋转器在原位振动，无法稳定跟随旋转磁场移动。为了在更高频率下实现稳定旋转，需要更强的磁场（例如，20 mT用于8.4k rpm旋转）。

毫米级旋转器的不同运动模式可以用于功能，如受控药物输送。如图4c所示，磁毫米级旋转器的中空结构允许药物存储，药物由可溶性覆盖物密封 inside。然后毫米级旋转器可以根据其在不同磁场条件下的运动模式以不同速率释放药物。药物释放开始于密封的溶解，然后是药物的扩散。模拟（支持信息中的图S13）表明翻转模式导致更快的密封溶解和药物扩散，归因于更高的局部流体速度（≈0.87 m·s^?1） near 毫米级旋转器末端和更大的有效开口面积（3.73 mm²）。相反，旋转模式产生较低的流体速度（≈0.66 m·s^?1） near 侧狭缝，具有较小的开口面积（2.53 mm²），导致较慢释放。使用毫米级旋转器进行受控药物释放的概念证明如图4d,e所示（支持信息中的Movie S7），其中蓝色粉末作为药物模型加载并密封到毫米级旋转器中。随着旋转运动，毫米级旋转器在来回移动时逐渐释放药物，蓝色随时间缓慢增强（图4d）。或者，当毫米级旋转器翻转时，加载的药物在仅5–10秒内快速释放，如突然爆发的蓝色所示（图4e）。磁毫米级旋转器的靶向药物释放能力也在1:1脑动脉流动模型中演示（图4f；支持信息中的Movie S8）。密集粉末（铜，40 μm）加载并密封到毫米级旋转器中以说明荧光镜引导的靶向药物释放过程。最初，毫米级旋转器主体由于其中空腔中的密集粉末而可见，如图4f所示。遵循编程的导航路径，毫米级旋转器在9秒内到达目标大脑中动脉（MCA），之后密封逐渐溶解并释放粉末（支持信息中的Movie S8）。药物释放过程也通过荧光图像中加载粉末在毫米级旋转器腔中的逐渐 fading 指示，一旦药物完全分配，只有磁铁保持可见（图4f）。

2.4 磁毫米级旋转器用于动脉瘤治疗

动脉瘤是动脉壁的弱化、隆起区域，具有破裂的显著风险，导致严重的医疗并发症，例如，如果发生在脑动脉中则导致出血性中风。当前用于动脉瘤的微创手术依赖介入程序，使用导丝和导管导航到病变并执行治疗。这些程序，如动脉瘤流动分流器放置或血管内线圈，旨在实现选择性栓塞（原位凝块）并减少/防止血液流入弱化区域。然而，当前治疗方法可能具有挑战性， due to 导管/导丝导航在复杂和迂曲血管解剖结构中的困难。

在这项研究中，我们演示了一种使用磁毫米级旋转器在荧光镜成像引导下进行动脉瘤治疗的创新方法（图5a）。该程序开始于通过数字减影血管造影识别动脉瘤位置，这是一种使用X射线通过注射对比染料获得血管地图的技术。一旦动脉瘤被识别，毫米级旋转器通过鞘管引入，并游泳通过迂曲和远端血管到达动脉瘤部位进行栓塞。探索了两种不同的原位栓塞机制。第一种机制使用毫米级旋转器引入栓塞剂（图5b中的凝血剂）到目标病变。在此演示中，脑动脉流动模型填充有抗凝血剂猪血（图5c）。注射对比染料后，治疗前血管造影显示一个囊结构连接到常规血管，轮廓由黑色虚线表示，指示动脉瘤位置，如图5d和支持信息中的Movie S9所示。在荧光镜引导下，毫米级旋转器然后导航到目标动脉瘤，其密封溶解，释放凝血剂（图5e）以对抗血液中的抗凝血剂，触发模型动脉瘤内围绕磁毫米级旋转器的凝块形成。治疗后成像（图5f）显示动脉瘤成功填充，没有对比染料进入由黑色虚线表示的动脉瘤，确认有效栓塞。尽管毫米级旋转器保持在动脉瘤内，但治疗后不会引起安全问题， due to 其小磁铁和弱磁力施加在凝块和周围血管系统上，即使暴露于强外部磁场。第二种机制利用毫米级旋转器输送可膨胀聚合物材料用于动脉瘤治疗的能力（图5g）。如图5h和支持信息中的Movie S10所示，携带可膨胀材料的毫米级旋转器导航到动脉瘤。到达目标位置后，可膨胀材料逐渐吸收液体，显著增加体积（白色虚线）以填充动脉瘤（黑色虚线），如图5i所示。在材料完全膨胀后，毫米级旋转器保持在动脉瘤中，蓝色流体流过（图5j），其中看到蓝色流体不与动脉瘤中的红色材料混合，指示进入动脉瘤的流动减少。两种提出的栓塞技术可以作为强大快速的方法用于迂曲血管系统中的靶向动脉瘤治疗。

3 结论

本研究提出了一种磁毫米级旋转器，迄今为止游泳速度最快的血管内机器人，能够在复杂血管系统中敏捷导航并克服高血流条件，实现一系列机器人血管内介入：机械取栓、靶向药物输送和动脉瘤治疗。毫米级旋转器的独特中空结构带有螺旋鳍片和狭缝允许在旋转时推进， resulting in 在远程驱动下快速游泳而不阻塞血流。引入了一种前所未有的毫米级旋转器机械取栓技术，其与现有最先进的凝块治疗方法根本不同。而不是依赖由抽吸导管和支架取栓器提供的拉力，毫米级旋转器对凝块施加压缩和剪切。耦合载荷直接致密化纤维蛋白网络并从凝块中排出RBC，实现有效减容和完全移除凝块，最小化远端栓子风险。此外，毫米级旋转器可以作为靶向药物输送的容器，通过控制其运动模式——旋转或翻转——适应各种药物释放速率。最后，毫米级旋转器显示出在复杂和迂曲血管解剖结构中有效治疗动脉瘤的前景，这些解剖结构难以通过导丝和导管导航。

随着磁毫米级旋转器在复杂血管系统和血管内手术中的有前景的导航能力，有一些方面应进一步研究以改进其能力。首先，CFD模拟可用于优化毫米级旋转器的设计。由于存在广泛的设计空间，包括毫米级旋转器的众多几何特征以及不同的流动条件和血管几何形状，毫米级旋转器可以进一步优化以在不同操作环境中获得更好性能。毫米级旋转器的进一步小型化将允许进入更小的血管，如MCA的远端段（M2和M3段）。其次，在高度迂曲的3D血管中，机器人需要更精确的控制策略。目前，X射线成像告知毫米级旋转器的位置，这决定移动旋转磁铁的位置用于体外流动模型。然而，在现实中，实时X射线成像将用于机器人手臂及其旋转磁铁的闭环控制，以跟踪毫米级旋转器的位置并指导其方向用于未来移动。因此，可以开发算法，利用2D X射线图像并将毫米级旋转器的位置映射到其 within 3D血管系统中的位置，告知旋转磁铁的必要位置以使毫米级旋转器到达期望位置或遍历特定路径。这一进展需要高度集成的多学科努力，但它在技术上是可行的。通过利用机器学习，可以训练一个控制模型，链接血管几何（从CT扫描获得）、毫米级旋转器的位置和方向以及机器人手臂的运动，最终允许实时、图像引导的毫米级旋转器靶向介入控制。此外，深度学习和