基于多段变刚度导管的增强柔顺性与稳定性的支气管镜机器人

《Advanced Intelligent Systems》：Bronchoscopy Robot with Enhanced Flexibility and Stability via Multi-Segment Variable Stiffness Catheter

　　

摘要：支气管镜机器人在提升早期肺癌诊断的准确性与效率方面具有关键作用。然而，现有系统的刚度固定，限制了机器人精准导航至远端外周结节并执行稳定操作的能力。本文介绍了一种新型支气管镜机器人，其配备磁驱动多段变刚度导管（Variable Stiffness Catheter, VSC），可实现刚度的实时精确调节。导管的软态可增强运动灵活性，而刚态可提供稳定支撑。导管纤细的外形与无线磁驱动转向能力有助于深入远端终末支气管进行检查。导管在软态下最大弯曲角度达49.07°，刚态下为1.11°。通过独立控制各段刚度，导管可贴合多种复杂形状。体外实验表明，该支气管镜机器人能够到达肺深部分支并与激光等工具协同操作。活体猪实验证实，该机器人可导航至支气管目标位置进行检测。通过进入商用系统无法触及的远端支气管，本研究提出的机器人为早期肺癌支气管镜检查提供了更优的解决方案。

论文解读：基于多段变刚度导管的增强柔顺性与稳定性的支气管镜机器人

研究背景与意义

肺癌是全球发病率第二、死亡率第一的恶性肿瘤，早期常表现为肺外周小结节。支气管活检是早期微创诊断的重要方式，但现有FDA批准的 Monarch、Ion、Galaxy等系统外径通常大于3.5 mm，难以进入直径迅速减小的外周支气管；同时其刚度固定，在动态肺环境中要么柔性不足易损伤组织，要么过软无法稳定传力定位。纯软体机器人虽灵活但缺乏支撑稳定性，低熔点合金（LMPA）变刚度方案存在毒性泄漏风险，肌腱驱动则占用内部空间限制微型化。为同时满足远端复杂气道的灵活导航与靶点的稳定介入操作，研究人员在《Advanced Intelligent Systems》发表了此项研究，提出一种磁驱动多段变刚度导管（VSC）的支气管镜机器人系统。

主要关键技术方法

研究人员采用UV固化形状记忆聚合物（SMP, NOA86）作为变刚度单元基体，嵌入聚四氟乙烯（PTFE）内管与双螺旋铜加热丝，表面布置热电偶并涂覆水凝胶层；导管由两段独立控温的VSC单元和一段PEBAX刚性单元组成。系统采用6自由度机械臂端持永磁体提供非接触磁驱动，近端驱动模块控制导管轴向进退与旋转，并通过微控制器PID算法实现基于表面温度反馈的闭环刚度控制。活体验证采用15月龄健康雄性猪（63.5 kg）作为大动物气道模型，辅以C臂透视定位。

研究结果

3.1 变刚度单元表征

研究人员通过动态热机械分析测定NOA86的玻璃化转变温度（T_g）为42°C，tanδ峰值达0.92。杨氏模量从室温约1.25 GPa降至50°C约1.01 MPa，刚度对比度近三个数量级。弯曲刚度从刚态约1.2×10^?2N·m²降至软态约1.5×10^?5N·m²，在40–45°C区间急剧下降。在模拟体温37°C环境中，铜丝焦耳加热至51°C耗时10.8–28 s（功率2.5–1.0 W），自然冷却至48°C需63.8–70.6 s，较高功率缩短加热但略延长冷却。扫描电镜确认水凝胶涂层形成连续多孔层。磁驱动测试显示单段VSC在软态平均弯曲35.14°（最大49.07°），刚态仅0.56°（最大1.11°）。

3.2 多段VSC性能

研究人员通过独立切换两段的软/硬状态，在均匀磁场（60 mT）与永磁体场中实现了可编程偏转与多种复杂形貌。两段全软时偏转最大，单段软时呈差异化弯曲。在负载20 g下，刚态偏转极小，软态易弯曲。导航实验中，导管以软态在二维迷宫与透明/不透明肺模型中顺滑贴壁通过大角度分支，往返迷宫用时24 s，并可抵达多向曲率分支。在不透明肺模型中介入1 mm微相机实时视野下，导管抵达靶点后切换刚态，可协同超细激光光纤操作。活体猪实验中，导管经口插入，在C臂与专家指导下结合磁导向与驱动模块推进至右上叶第5级支气管预置标记处，全程表面温控≤51°C，水凝胶缓冲，历时<1 h，确认远端定位与稳定操作可行性。

讨论部分总结

研究人员指出，NOA86的T_g（42°C）低于内镜安全上限（51°C），确保体温下高刚度与快速软化。高tanδ反映强粘弹过渡，利于导航软化。近三个数量级的弯曲刚度跨度少见，且40–45°C快速调控区适配闭环控制。水凝胶提升亲水润滑与生物相容。较高加热功率缩短软化至~10 s但延长冷却至~70 s，源于残余热升，需在控制中留安全裕度，未来可通过复合材料优化。多段分布柔顺控制比单段更适配胸腔内非均匀场，当前两段的简约配置已满足支气管导航，架构可扩展。迷宫与模型实验显示软态贴壁低应力、可逆往返快；活体实验证明专家指导加C臂/磁驱动可适应生理动态，未来可探索磁同时用于导航与定位以减少辐射。对比Monarch（4.2 mm）、Ion（3.5 mm）等，本系统外径仅2.0 mm，磁驱动取消肌腱通道更利微型化，SMP比LMPA更安全，多段变刚度兼顾导航柔顺与靶点刚性支撑，可触及更小外周气道，拓展早期肺癌介入人群。相比既往学术软体机器人，本工作系统级集成了磁转向、分段可编程刚度与细径工作通道，并在大动物模型复现临床导航流程，是少数具活体验证的变刚度支气管镜平台之一。

结论部分翻译

本文提出了一种新型机器人支气管镜系统，其特点在于采用了基于形状记忆聚合物（SMP）的多段磁驱动变刚度导管（VSC）。系统集成了磁驱动模块、多段VSC及导管驱动模块，并开发了闭环控制策略以精确管理导管刚度。实验验证表明，导管在软态下可通过磁驱动实现低阻力顺滑前进与受控弯曲，适应复杂支气管路径；抵达靶点后可快速刚化以保障介入操作的位姿稳定。这些发现凸显了该设计通过兼具支气管树高自适应导航与刚性稳定介入的能力，提升支气管镜检查安全性与有效性的潜力。