《Cyborg and Bionic Systems》：A Novel Multishaped Variable Stiffness Magnetic Catheter for Minimally Invasive Surgery
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磁控连续体机器人能够在紧凑尺寸内实现灵巧操作。然而，其变形通常仅限于C形构型，这限制了其实际应用，如避障、稳定尖端定向以及以最小组织创伤通过解剖通道导航。此外，这些机器人的固定刚度限制了其适应性。为解决这些限制，连续导管必须同时具备多形状变形能力和变刚度能力。
磁控连续体机器人能够在紧凑尺寸内实现灵巧操作。然而，其变形通常仅限于C形构型，这限制了其实际应用，如避障、稳定尖端定向以及以最小组织创伤通过解剖通道导航。此外，这些机器人的固定刚度限制了其适应性。为解决这些限制，连续导管必须同时具备多形状变形能力和变刚度能力。在这项工作中，研究人员提出了一种结合两个径向磁化磁体和热固性形状记忆聚合物的磁导向导管。两个变刚度段通过形状记忆聚合物驱动，在紧凑设计中实现了20.8倍的刚度变化（从30到70 °C）。远端磁体可轴向旋转，而单一均匀磁场对两个磁体产生差动力矩，实现包括C形、J形和S形构型在内的多形状变形。在15 mT均匀磁场下实现了大的C形变形，最大远端弯曲角度为127°。在高度逼真的胃肠道体模和离体胃模型上的实验验证证明了其临床应用潜力。与现有磁导管相比，所提出的设计表现出增强的变形多样性和操作灵活性，使其适用于更广泛的医疗程序。
微创手术（minimally invasive surgery, MIS）因创伤小、恢复快和手术风险低等优势，已成为传统手术的重要替代方案。柔性连续导管凭借其柔顺性和适应性在MIS中应用广泛，但现有腱/电缆驱动和多骨架电动配置需要内部机械部件，阻碍了微型化，且传输机构引入摩擦损失和滞后。磁驱动方式通过外部磁场实现弯曲控制，无需复杂传动系统，然而现有磁导管变形模式通常局限于C形构型，且刚度固定，难以适应复杂解剖路径和手术操作需求。因此，研发兼具多形状变形能力和变刚度能力的连续导管具有重要意义。
针对上述问题，研究人员设计并制备了一种基于形状记忆聚合物（shape memory polymer, SMP）的变刚度（variable stiffness, VS）磁导管，论文发表于《Cyborg and Bionic Systems》。该导管包含两个径向磁化永磁体和两个独立VS段，通过两个加热元件调节柔性轴刚度。两个磁体在均匀磁场中产生差动力矩，实现C形、J形和S形等多形状变形，并可在特定状态下进入待机模式，消除磁干扰，从而支持多导管协同操作。与现有磁导管相比，该设计在保持微型化的同时增强了变形多样性和操作灵活性，有望扩大磁导管在微创手术中的应用范围。
关键技术方法方面，研究采用热固性SMP作为变刚度材料，通过漆包铜线圈焦耳加热实现刚度调节；导管基于3D打印模具注射成型，包含两个径向磁化环形磁体，远端磁体通过扭矩管（TC-tube）轴向旋转；采用三轴方形亥姆霍兹线圈产生15 mT均匀磁场，通过电流精确控制磁场方向与大小；结合COMSOL有限元仿真验证变形模型；实验验证包括三点弯曲试验、单轴压缩试验、悬臂梁负载测试、障碍物规避实验、体模实验和离体猪胃实验。样本来源为胃肠道体模和离体猪胃模型。
基础力学与热机械验证
多形状变形：实验证明，当两磁体磁偶极矩同向时，在15 mT均匀磁场下产生C形变形；反向时产生S形和J形变形。导管还具备待机模式，通过相互抵消的磁扭矩保持形状稳定。通过调节VS段的柔性（flexible, F）、部分柔性（partially flexible, PF）和刚性（rigid, R）状态，可实现近端主导的S形、波状、S形和支架状等多种可编程变形。
弯曲表征：在15 mT磁场下，远端最大弯曲角在柔性态为127°，部分柔性态为93°，刚性态为80°；近端磁体偏转角分别为85°、47°和21°。同向磁化时，偏转角随磁场角度循环表现出低滞后；反向磁化时，在-90°至0°场角范围形成S形，在0°至90°范围形成J形。导管表现出高重复性（柔性态最大角度误差3.9°）和各向同性弯曲性能。
热机械表征：三点弯曲试验测得SMP管在30°C至70°C的弯曲刚度变化因子（stiffness change factor, SCF）为33.53，集成TC-tube后导管的实际SCF为20.78。单轴压缩试验显示，临界压缩力随温度升高而降低（30°C时为2.51 N，70°C时为0.03 N）。加热响应测试中，0.3、0.4、0.5 A电流下从25°C加热至60°C分别需要20、10、6秒；自然冷却从60°C降至30°C需36秒。组装导管表面温度在0.3 A加热20秒后约为41°C，冷却至30°C需54秒。悬臂梁负载测试验证了分段刚度调制能力，非加热段保持结构稳定。
系统级功能验证
灵巧性：障碍物规避实验中，导管通过C形、S形和J形变形成功绕过障碍物并穿过分支路径到达目标区域，表明多形状变形可减少与组织壁的接触和摩擦，有助于降低血管痉挛和损伤风险。
体模实验：在塑料胃模型中进行了黏膜下注射演示，导管以柔性态导航至靶点，转为刚性态以提供结构支撑完成穿刺和注射。多导管协同操作演示利用待机模式消除磁干扰，实现顺序控制。集成微型摄像头（直径0.65 mm）的导管在胃体模中成功定位胃底溃疡和胃十二指肠交界处息肉，并在胆胰管体模中经十二指肠乳头进入模拟胆胰管。离体猪胃实验中，导管经内镜工作通道进入胃内，在实时内镜引导下对靶病变完成定点给药，未损伤周围组织。两项体模实验（黏膜下注射和病灶检测）的操作时间分别为76秒和38秒，均小于2分钟，进一步证实了临床适用性。
讨论部分总结了该导管的优势：与现有VS磁导管相比，本设计可在柔性态实现多种变形，且两个磁体的相对位置和磁场方向可调，增强了变形控制能力。待机模式允许同一磁场系统内多导管协同工作，克服了传统设计残留磁干扰的问题。刚度调节范围（SCF 20.8）优于部分现有研究。结构上的间隙设计有利于制造，但会略微降低刚度调节效率，可通过缩小扭矩管直径、润滑涂层和改善导线布线等方式优化。热机械测试表明，SMP在60°C以上刚度趋于稳定，生理温度（36°C）下导管集成体仍可实现9.3倍的刚度变化，足以支持胃肠道或支气管介入。冷却时间（54秒）在典型临床手术时长（30至120分钟）中占比很小，可接受。运动精度误差主要来源于磁场方向偏差，可通过改进电流控制减小。未来工作将集成主动冷却、力传感和时间分辨测量，并建立逆映射框架以实现精确控制。
研究结论翻译：总之，该导管将紧凑尺寸与优越的柔韧性、柔性态下的多形状变形能力以及宽刚度调节（SCF 20.8）相结合。导管的远端轴向旋转，使均匀磁场下产生差动力矩，从而实现多形状变形（C形、J形、S形）。J形构型有助于内镜逆行胰胆管造影术，实现胆总管的锐利弯曲插管。S形构型有助于肺支气管镜介入，导航双弯曲气道（例如从主支气管到段支气管）。这些例子突显了该设计如何在真实临床应用中提高手术效率并减少组织创伤。与现有磁导管相比，该设计提供了更大的变形多样性和操作灵活性，使其适用于更广泛的医疗程序。在胃和胆胰管中的实验验证强调了其在管腔内导航和介入中的临床潜力。未来工作将集成主动冷却和力传感，以及时间分辨测量，以进一步量化切换动态和操作效率，从而提升性能和临床适用性。
