《Advanced Science》：A Soft Robotic Model for Simulating Heart Valve Disease and Cardiac Interventions
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本综述介绍了一种完全合成的仿生软体机器人左心模拟器，它能够复现心脏复杂运动，其可编程的先进制造工艺可定制患者和疾病特异性心脏几何结构与瓣膜。该模拟器不仅兼容临床超声心动图成像，可用于识别瓣膜病变，还作为评估新型软体机器人导管等介入设备的稳健平台。其可控的人工肌肉结构和可定制的内部结构，为研究心脏疾病和评估新兴治疗技术提供了有力工具。
1 引言
人类心脏是一个动态、多系统的器官，其运动由复杂但有组织的肌肉结构所决定。其中，瓣膜对于确保泵血效率尤为关键，但也最常发生病变。微创手术正成为心脏病治疗的重要方式，以改善患者预后和体验。然而，开发新的手术工具和术式亟需一个能够精确复制心脏生物力学和血液动力学特征的、稳定、可控且具有生物拟真性的模拟平台，但目前尚缺乏此类系统。
本文介绍了一种完全合成的软体机器人左心模拟器，能够复现天然心脏的复杂运动。其可编程的先进制造工艺使得模拟器能够容纳患者和疾病特异性的心脏几何结构、内部构造和瓣膜。该模拟器与临床超声心动图成像兼容，使其能够基于临床诊断标准识别各种瓣膜病变。此外，研究还通过评估一种新型的、具备原位接触力传感和前馈数据驱动控制系统的软体机器人心脏导管，进一步展示了该模拟器的实用性。
2 结果
2.1 左心模拟器的设计、制造与控制
模拟器设计受到左心几何结构和内部关键部件（如主动脉瓣、二尖瓣、腱索和乳头肌）的启发。其内部心脏膜结构（呈蓝色）由硅胶铸成，模具基于简化的心脏几何结构3D打印而成。人工肌肉系统的设计和制造采用了先前研究中验证过的方法。通过前馈轨迹控制液压活塞泵，为液压人工肌肉提供动力。心肌的三个层次和两个乳头肌均由独立的活塞泵驱动。模拟器的左心房入口和主动脉出口连接至一个具有可变顺应性和阻力元件的模拟循环回路（MCL），以模拟人体循环。利用模拟器肌肉（包括两个乳头肌）的可控性，可以模拟多种疾病状态。该软体左心模拟器可作为在搏动心脏内部开发手术器械及其控制系统的平台。
2.2 整体血液动力学与瓣膜功能
评估显示，模拟器在每分钟60次搏动（60 bpm）下运行，表现出明显的心室缩短和径向收缩，符合生理预期。通过B型超声成像观察到二尖瓣环平面收缩期位移（MAPSE）约为10 mm，与临床典型范围（12-15 mm）相符。二尖瓣功能正常，舒张期瓣叶清晰分离，收缩期对合良好。使用内窥镜进一步验证了这一行为，可见收缩期乳头肌和腱索处于紧张状态。压力波形显示，左心室收缩压峰值接近110 mmHg，主动脉压峰值约为100 mmHg，脉压约为40 mmHg。心室与主动脉之间的压力差表明存在主动脉瓣狭窄或结构性硬化，这模拟了常见的病理状态。模拟器还表现出生理性的血流波形，二尖瓣和主动脉流量交替正向流动，峰流量分别约为5 L/min和7 L-1。
2.3 二尖瓣脱垂对心脏压力和血流的影响
利用可控的人工乳头肌来诱导二尖瓣功能障碍，并评估其对模拟器心内压力和血流的影响。当人工乳头肌长度增加时，二尖瓣瓣叶在收缩期脱垂进入左心房，阻碍了正常的对合，导致反流。实验中，通过操作员输入以超声成像为反馈参数的人机交互控制，调整了乳头肌长度。
超声和内窥镜图像显示，在乳头肌长度足够短时，二尖瓣对合良好；当乳头肌被拉长时，瓣叶在收缩期明显脱垂。在长乳头肌情况下，由于二尖瓣在收缩期反流，峰值左心室压力（LVP）仅达到约100 mmHg，反流分数约为0.4（属于中重度）。当缩短乳头肌以提高二尖瓣闭合能力后，峰值LVP恢复到约120 mmHg的健康水平，主动脉血流增加，二尖瓣反流分数降至轻度（约0.25）。值得注意的是，模拟的主动脉瓣在两种情况下都表现出中度反流。在压力-容量环（PV环）中，当乳头肌缩短时，可以看到充盈线明显上移且梯度增加，这表明由于主动脉瓣反流导致充盈压增加。
2.4 M型超声二尖瓣成像与诱发功能障碍
研究采用临床常用的M型超声成像技术来评估瓣膜在各种条件下的运动。通过调整人工乳头肌的长度，可以产生适当的收缩期关闭和完全脱垂（双叶连枷）。成像显示，在舒张期，瓣叶明显分离；在收缩期，当乳头肌被拉长时，瓣叶向心房内偏移，表明存在脱垂。在两种情况下，瓣叶运动的EF斜率约为17 mm s-1，二尖瓣瓣叶分离指数小于0.5 cm，提示存在重度狭窄。
2.5 彩色多普勒二尖瓣与主动脉瓣成像
研究使用二维彩色多普勒超声成像来检查二尖瓣和主动脉瓣的功能。在舒张期，两种瓣膜功能状态下均观察到经二尖瓣的血流，峰值粒子速度在瓣环处达到约10 cm/s。在收缩期，乳头肌长度适当且瓣膜功能良好时，观察到关闭时仅有轻微反流；而在乳头肌拉长导致的脱垂情况下，则观察到明显的反流束流经脱垂的瓣叶回流。对主动脉瓣的观察显示，收缩期有明显的湍流流出，舒张期反流相对较少，但有限的开口面积进一步证实了其狭窄行为。
2.6 左心模拟器作为新型软体机器人导管的测试平台
研究展示了该模拟器作为软体机器人心脏导管（具备自感应接触力能力）的体外测试平台的用途。这种导管由流体驱动的人工肌肉提供动力，具有全向运动能力。研究开发了一个简单的逆运动学模型，可将用户期望的导管尖端三维位置映射为导管三个肌肉的正确液压输入量。为增强直观控制，使用了Touch触觉设备（3D Systems）来捕获用户期望的尖端位置，并通过触觉力场约束光标的移动范围。
导管通过房间隔壁插入模拟器并定位于左心房内，这是左心经导管手术的常见入路。在模拟器搏动的情况下，用户可以操作导管使其尖端到达心房壁上的目标点。此外，导管通过监测在用户输入恒定时其软体人工肌肉内部流体压力的变化，能够感知与心脏结构接触的环境变化。实验展示了导管区分三种不同接触状态（无接触、部分接触、完全接触）的能力。在“无接触”情况下，压力读数仅显示轻微振荡；“部分接触”时，当导管与心脏短暂接触会出现明显的压力峰值；“完全接触”则产生放大的近正弦波模式。
3 讨论
本文提出的完全合成、仿生软体机器人左心模拟器，具有可调的二尖瓣装置。其3D打印模具允许设计患者或疾病特异性的心脏膜结构。该模拟器与临床成像模式兼容，可用于详细研究瓣膜疾病的生物力学和血液动力学。其仿生结构和运动为评估和开发新的手术工具及其控制系统、以及培训现有心脏设备提供了稳定可控的平台。
研究证明了模拟器能够复制生理性心室泵血，其特征是收缩期心室缩短和径向收缩。这种仿生收缩支持了正常的内部瓣膜功能，产生了接近真实心脏的压力和血流波形。通过控制乳头肌长度，可以调节二尖瓣的闭合能力。当乳头肌长度增加时，会诱发瓣叶脱垂进入左心房。使用B型、M型和彩色多普勒超声成像等标准临床诊断技术评估了二尖瓣性能。由于所选材料和铸造厚度，生成的主动脉瓣和二尖瓣瓣叶比健康人体心脏的瓣叶更硬，这无意中产生了主动脉瓣和二尖瓣狭窄的临床表现，研究成功地利用模拟器和临床标准进行了诊断。
当前工作的局限性包括缺少心房肌肉的收缩，这影响了模拟二尖瓣的生物力学（目前缺乏A波运动）。此外，模拟乳头肌的起端位置可能比平均人体心脏更靠近心尖，这限制了可模拟的二尖瓣功能障碍范围。未来工作需纳入患者特异性几何结构，并针对患者数据进行验证。当前硅胶膜对于超声穿透来说可能过厚，未来迭代需使用更薄的膜或不同材料以获得更好的成像效果。模拟器的心内膜表面摩擦特性也需要优化，以更真实地模拟原生心肌的交互作用。
未来的改进方向包括实现闭环控制算法以调节前负荷/后负荷敏感性，以及实现对心肌的节段性控制以模拟局部壁运动异常。制造工艺的改进也至关重要，包括利用硬/软多材料3D打印技术实现自动化生产，并考虑与临床成像的兼容性，例如将当前人工肌肉中的金属线圈替换为聚合物约束以减少图像伪影。
4 结论
本文介绍了一种制造完全合成、仿生左心模拟器的新方法。模拟器的内部膜和心脏结构（包括瓣膜）使用3D打印模具铸造而成，其几何形状可根据患者或疾病特异性形式进行编程。人工心肌由细丝状液压驱动的人工肌肉以仿生的三层结构排列提供动力，能够复制心脏周期的复杂运动。模拟器还配备可控的人工乳头肌，能够诱导正常和病变的二尖瓣功能。其与超声心动图成像的兼容性允许应用临床诊断标准来评估心脏性能和疾病状态。因此，该平台可用于研究各种心脏病变的血液动力学和生物力学。此外，在模拟疾病条件下，该模型为开发新的手术器械和应对这些疾病的控制策略提供了稳健且可控的平台。
5 方法
5.1 模拟器的设计与制造
心室肌肉采用与先前工作相同的方法论设计和制造，但为了达到60 bpm的驱动速度，对每一层肌肉进行了分段处理，增加了每层的液压输入数量。乳头肌的构造与人工心肌类似，但使用了褶皱织物护套而非金属弹簧来约束其内部的橡胶管。模拟器的硅胶膜均使用Smooth-Sil 960铸造，并使用未固化的同种硅胶作为粘合剂固定在一起。二尖瓣和主动脉瓣瓣叶通过浸涂3D打印模具制成。
5.2 模拟器的控制与驱动
心肌的三个层次由独立的活塞泵驱动。活塞泵由直流电机和控制电机运动的RoboClaw电机控制器构成。使用MATLAB Simulink生成前馈轨迹作为模拟控制信号，通过QPIDe数据采集设备输出至电机控制器。第四个活塞泵为两个乳头肌提供液压输入，输入量的大小由操作员在操作过程中控制，以产生所需的瓣膜性能。
5.3 模拟循环回路
使用的模拟循环回路构造方法与先前工作相同。由于新原型产生的流量增加，原有小口径流量计阻力过大，因此将其与大直径管道并联安装，并使用达西-魏斯巴赫方程计算总流量。模拟循环回路中的可变顺应性和阻力元件经过手动调整，以产生适当的生理血液动力学。通过商业压力传感器监测左心室和主动脉的压力，流量计和压力数据通过QPIDe数据采集设备和MATLAB Simulink实时记录并显示给用户。
5.4 模拟器成像
使用迈瑞TE7超声系统对模拟器进行超声心动图成像。根据所需的视野和成像类型，在C5-1s和P4-2s探头之间选择。利用机器的B型成像研究模拟器的结构行为，使用M型评估二尖瓣瓣叶运动，并使用彩色多普勒模式研究模拟器内的流体流动。成像测量结果与临床标准进行比较以确定各种疾病的严重程度。还使用Olympus EVIS X1 CV-1500视频系统中心和Olympus BF-H1100视频支气管镜对二尖瓣和在左心房内操作的软体机器人导管进行成像。
5.5 软体机器人导管的设计、制造与控制
软体机器人导管的设计和制造方式与先前工作相同，由三个平行的液压细丝人工肌肉提供全向自由度（弯曲和伸长），外部包裹热缩管段以将肌肉粘合在一起。三个肌肉的液压驱动由三个线性平台提供，这些平台充当3 mL鲁尔锁注射器的注射泵。通过Python代码控制这些线性平台的运动。采用数据驱动的逆运动学模型（训练方法如下所述）将用户指令映射到肌肉输入量，用户指令从Touch触觉设备的光标位置提取。通过初始化起始光标位置并将其映射到导管的中立位置，可以获取用户相对于该初始位置的指令来移动导管。为了增强用户体验，基于导管的最大工作空间对光标实施了触觉边界约束。
