高級(jí)機(jī)器人研究

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軟機(jī)器人引導(dǎo)下的心臟跳動(dòng)程序

雅各布·羅加金斯基, 多米尼克·雷科, 馬尼沙·辛格, 萊昂納多·薩莫拉·亞涅斯, 格蕾絲·馬修斯, 布萊恩·艾爾斯, 愛德華·奧利里, 埃倫·羅氏, 大衛(wèi)·霍根森, 托馬索·蘭扎尼

首次發(fā)布:2025年3月20日 https:///10.1002/adrr.202400023

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摘要

介入心臟病學(xué)中的微創(chuàng)手術(shù)通常使用缺乏遠(yuǎn)端控制的工具和引入噪聲和不確定性的可視化方法來進(jìn)行。這項(xiàng)工作在心臟再同步治療的背景下解決了這些并發(fā)癥，用于治療某些類型的心力衰竭。我們介紹了一種軟機(jī)器人，它可以在跳動(dòng)的心臟內(nèi)主動(dòng)引導(dǎo)現(xiàn)有的介入工具。該機(jī)器人通過軟操縱器提供可控的遠(yuǎn)端靈活性，并通過支架狀的可擴(kuò)展穩(wěn)定機(jī)構(gòu)提供被動(dòng)穩(wěn)定性。使用這個(gè)平臺(tái)，通常被動(dòng)的現(xiàn)有工具可以被引導(dǎo)向具有高空間分辨率和穩(wěn)定性的目標(biāo)。因此，與單獨(dú)使用傳統(tǒng)設(shè)備相比，手術(shù)臨床醫(yī)生可以更有條理地探查心臟的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，從而減少手術(shù)時(shí)間。事實(shí)上，來自體外和體內(nèi)研究的結(jié)果顯示減少了總的手術(shù)時(shí)間，減少了來自X射線透視的輻射暴露，并且減少了來自解剖探查的不利影響。五項(xiàng)動(dòng)物研究進(jìn)一步證明，解剖探測(cè)和目標(biāo)定位是心臟再同步治療最耗時(shí)的方面，機(jī)器人增強(qiáng)的靈活性緩解了這一主要困難。

1導(dǎo)言

在21世紀(jì)初，全世界大約有300萬人安裝了心臟起搏器，每年大約有60萬個(gè)新裝置被植入[1].不到十年后，每年有超過一百萬個(gè)心臟起搏器被植入2]，僅在美國就有大約20萬人[3].起搏器的一種用途是心臟再同步治療(CRT ),也稱為雙心室起搏4, 5].CRT用于治療某些患有充血性心力衰竭的患者，充血性心力衰竭在mathematical equation美國成年人的[6].為了實(shí)現(xiàn)心臟再同步，起搏器的傳導(dǎo)起搏導(dǎo)線被放置在冠狀竇(CS)的分支中，冠狀竇是心臟的主要靜脈引流系統(tǒng)。CS沿著心臟的房室溝延伸，通向右心房(RA ),使臨床醫(yī)生能夠從心臟的低壓靜脈側(cè)進(jìn)入7].由于有大量關(guān)于其治療充血性心力衰竭的療效和安全性的數(shù)據(jù)，尤其是在特定類型心律失?；颊咧?，該程序是一種常見的一線治療方法[7, 8].它以微創(chuàng)的方式進(jìn)行，由介入醫(yī)生引導(dǎo)導(dǎo)管通過上腔靜脈(SVC ),上腔靜脈是流入RA的兩個(gè)主要靜脈之一。一旦進(jìn)入右心房，臨床醫(yī)生使用導(dǎo)向鞘、導(dǎo)管和導(dǎo)線的組合來定位冠狀動(dòng)脈并探測(cè)其分支，此時(shí)可插入起搏導(dǎo)線。然而，據(jù)報(bào)道，多達(dá)四分之一的患者在導(dǎo)線推進(jìn)和CS插管方面存在困難，總失敗率高達(dá) [9-12–13].

CS引線放置的困難取決于多種因素。具有挑戰(zhàn)性的解剖特征，如阻塞性主動(dòng)脈瓣或位置異常的竇口，會(huì)使插管所需的軌跡難以實(shí)現(xiàn)[12, 13].解剖差異也存在于病人之間，不同的病人給定工具的效力不同。視頻S1說明了心臟的相關(guān)解剖和特點(diǎn)，使CS插管的挑戰(zhàn)。此外，像引導(dǎo)鞘和血管造影導(dǎo)管這樣的傳統(tǒng)器械具有固定的尖端曲率，具有最小的遠(yuǎn)端扭矩控制。因此，用傳統(tǒng)工具插管可能很麻煩，大約需要最少幾個(gè)小時(shí)[14].因?yàn)榻槿脶t(yī)生依靠X射線透視來進(jìn)行工具定位，所以患者和工作人員在此期間會(huì)暴露在大量輻射中[15, 16].更大的遠(yuǎn)端尖端靈活性也可以減少進(jìn)一步的并發(fā)癥，如心臟穿孔。

鑒于心力衰竭和心血管疾病的普遍存在，各公司越來越重視機(jī)器人輔助解決方案。事實(shí)上，自從直覺外科公司在2000年獲得FDA對(duì)達(dá)芬奇系統(tǒng)的批準(zhǔn)后，機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)已經(jīng)成為各種外科領(lǐng)域的目標(biāo)實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)17, 18].在心血管領(lǐng)域，機(jī)器人平臺(tái)傾向于用于外周和冠狀脈管系統(tǒng)中的導(dǎo)航，或者用于心臟標(biāo)測(cè)和消融[19-21–22].例如，Hansen Medical開發(fā)的Sensei和Magellan平臺(tái)使用腱驅(qū)動(dòng)護(hù)套來增加工具的可實(shí)現(xiàn)任務(wù)空間，同時(shí)符合小血管規(guī)模。Sensei特別用于心內(nèi)標(biāo)測(cè)和消融[23]，而Magellan用于外周血管修復(fù)，如支架移植和動(dòng)脈瘤修復(fù)[24].與Sensei系統(tǒng)類似，Amigo(導(dǎo)管精密公司)直接驅(qū)動(dòng)電纜驅(qū)動(dòng)的心臟標(biāo)測(cè)導(dǎo)管[25]，而CorPath系統(tǒng)(Corindus Vascular Robotics)用于血管支架和球囊放置[26].Niobe機(jī)器人系統(tǒng)(立體定位公司)與其他機(jī)器人系統(tǒng)的不同之處在于它使用兩個(gè)外部永磁體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。外部驅(qū)動(dòng)允許小型機(jī)器人導(dǎo)管具有高度靈活性，從而獲得批準(zhǔn)用于外周和冠狀血管介入以及標(biāo)測(cè)和消融[27, 28].盡管這些系統(tǒng)已經(jīng)證明是成功的，但是仍然沒有商用或其他類型的機(jī)器人來完成像CS定位和引線放置這樣具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

這項(xiàng)工作旨在填補(bǔ)機(jī)器人技術(shù)的空白，利用由柔性材料制成的機(jī)器人的靈活性和安全性29-32–33].軟機(jī)器人長期以來一直是外科領(lǐng)域的研究主題，尤其是在內(nèi)窺鏡檢查領(lǐng)域的應(yīng)用34-37–38]，神經(jīng)學(xué)[39-42–43]，肺病學(xué)[44-46–47]，和心臟病學(xué)[48-56–57].在這些列出的作品中，Gopesh等人的研究代表了迄今為止最小的流體致動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)管[43].其在外周脈管系統(tǒng)中的體內(nèi)驗(yàn)證強(qiáng)調(diào)了流體驅(qū)動(dòng)的有效性，即使在小規(guī)模下。此外，流體驅(qū)動(dòng)的使用使其能夠最大限度地減少磁驅(qū)動(dòng)方法所需的昂貴而龐大的外部設(shè)備[19, 50]并克服電纜驅(qū)動(dòng)致動(dòng)中經(jīng)歷的傳輸損耗和不穩(wěn)定性[58, 59].由于快速的彈性能量耗散，同心管的驅(qū)動(dòng)同樣面臨著突然運(yùn)動(dòng)形式的不穩(wěn)定性挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)機(jī)器人的無支撐長度增加時(shí)60].為了克服這些挑戰(zhàn)，本文介紹的工作利用了流體軟驅(qū)動(dòng)在心血管系統(tǒng)中有效運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。與Gopesh等人的工作不同，我們專注于心內(nèi)工作空間內(nèi)的操作，克服與跳動(dòng)的心臟相關(guān)的挑戰(zhàn)[61].

作者之前的工作表明，可展開的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)與可折疊的軟機(jī)械臂相結(jié)合，能夠在模擬的心臟跳動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端靈活性、穩(wěn)定操作和有效的力傳遞[61].在這里，我們利用這些初步結(jié)果來開發(fā)一個(gè)用于CS導(dǎo)聯(lián)放置的軟機(jī)器人平臺(tái)，這是一個(gè)需要在固有的動(dòng)態(tài)工作空間中穩(wěn)定操作的過程。該機(jī)器人承擔(dān)傳統(tǒng)引導(dǎo)護(hù)套的角色，以符合導(dǎo)管插入實(shí)驗(yàn)室(導(dǎo)管室)中的現(xiàn)有臨床工作流程。然而，與傳統(tǒng)的護(hù)套不同，該裝置對(duì)臨床醫(yī)生已經(jīng)習(xí)慣的現(xiàn)有介入工具提供了穩(wěn)定和主動(dòng)的控制。這樣做，機(jī)器人減少了程序時(shí)間和X射線透視暴露。

該機(jī)器人在體外和體內(nèi)研究中都得到了驗(yàn)證。體外研究使用了一種混合生物機(jī)器人心臟跳動(dòng)模型，該模型能夠精確模擬右側(cè)心臟功能和血液動(dòng)力學(xué)，從而能夠進(jìn)行頻繁且方便的臨床測(cè)試[62].混合生物機(jī)器人模型使用從移植的豬組織中取出的化學(xué)處理的心內(nèi)膜支架來復(fù)制心臟解剖和生物力學(xué)，以提供正確的心內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)。軟機(jī)器人心肌的添加捕捉了心臟的生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)和功能。然后將其集成到模擬循環(huán)流動(dòng)回路中，以模擬生理血液動(dòng)力學(xué)條件[63].通過利用跳動(dòng)心臟模型的現(xiàn)實(shí)生理模擬，我們?cè)谶^渡到臨床前動(dòng)物研究之前，在受控和可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完善了軟機(jī)器人的功能和可靠性。然后，我們使用機(jī)器人裝置和傳統(tǒng)導(dǎo)管作為對(duì)照，在活體豬模型中進(jìn)行熒光透視引導(dǎo)下的CS導(dǎo)線放置。這些動(dòng)物研究使我們能夠在其預(yù)期環(huán)境中使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)CS導(dǎo)線放置，其主要貢獻(xiàn)是減少了手術(shù)時(shí)間、X射線透視持續(xù)時(shí)間和不良生理事件。成功的心臟起搏最終通過內(nèi)置導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)，且生理壓力值在每次手術(shù)過程中均得以保持。此外，體內(nèi)研究突出了機(jī)器人適應(yīng)傳統(tǒng)導(dǎo)管室和臨床工作流程限制的能力(圖1).

圖1

導(dǎo)管插入實(shí)驗(yàn)室中的軟機(jī)器人系統(tǒng)的表示。(a)常規(guī)導(dǎo)管插入術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備包括C型臂X射線透視機(jī)和可視化屏幕。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)硬件包括控制箱和定制注射泵，兩者都安裝在單個(gè)梅奧托盤支架(mathematical equation).(b)與第(a)部分中的表示相對(duì)應(yīng)，驅(qū)動(dòng)硬件(I)位于靠近患者的Mayo托盤上。這使得臨床醫(yī)生可以方便地使用Wii遙控器和切口部位(ii)。穿過房間，X射線熒光透視捕捉(iii)被記錄并呈現(xiàn)在屏幕上用于指導(dǎo)。在此處顯示的示例圖像中，取自圖1中的結(jié)果7c為了便于演示，冠狀竇用紅色突出顯示。

2個(gè)結(jié)果

2.1程序和系統(tǒng)概述

本研究介紹了一種用于介入心臟病學(xué)經(jīng)導(dǎo)管手術(shù)的機(jī)器人，特別關(guān)注用于雙心室起搏的CS中起搏器導(dǎo)線的放置(圖2).在此過程中，介入醫(yī)生必須結(jié)合使用導(dǎo)向?qū)Ч芎蛯?dǎo)線以及用于視覺反饋的X射線熒光成像來定位CS(參見材料和方法)。CS插管的常用方法是伸縮支撐導(dǎo)管技術(shù)，其中9 Fr引導(dǎo)鞘定位CS口，血管造影導(dǎo)管用于對(duì)比輔助驗(yàn)證，導(dǎo)絲輔助正確的導(dǎo)線定位14].顧名思義，這些器械同心地安裝在另一個(gè)器械內(nèi)，因此，連續(xù)較小的器械可以相對(duì)于較大的鞘平移和旋轉(zhuǎn)。然而，鞘引導(dǎo)的CS定位階段可能是該過程中最耗時(shí)和輻射最密集的部分[15, 16]，由于導(dǎo)航的挑戰(zhàn)和CS口的物理障礙(圖2a).這些物理障礙包括突出的主動(dòng)脈瓣和不同患者之間CS自身的可變位置12, 13].因此，硬的和預(yù)成形的引導(dǎo)鞘可能很難遵循CS插管所需的軌跡。我們的機(jī)器人(圖2b)起到了主動(dòng)引導(dǎo)鞘的作用，將這些現(xiàn)有的介入工具轉(zhuǎn)變成能夠遵循與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)一致的任何軌跡的機(jī)器人致動(dòng)器械。主動(dòng)控制的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是能夠在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)CS進(jìn)行插管，并減少X射線透視的有害輻射，使該操作對(duì)患者和臨床醫(yī)生都更安全。

圖2

利用現(xiàn)有介入工具進(jìn)行軟機(jī)器人設(shè)備操作。(a)機(jī)器人裝置通過上腔靜脈(SVC)輸送到右心房(RA ),并導(dǎo)向冠狀竇(CS)。到達(dá)目標(biāo)后，它將導(dǎo)絲送入CS。(b)機(jī)器人由一個(gè)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)和軟操縱器以及一個(gè)用于部件驅(qū)動(dòng)和進(jìn)入心臟的用戶界面組成。機(jī)器人的柔性體長度(長度不按比例)。(c)該裝置通過經(jīng)靜脈進(jìn)入右心房的Fr導(dǎo)管鞘。一旦就位，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)展開，軟操縱器的標(biāo)稱直徑展開，以利用更大的工作空間。內(nèi)徑襯有Fr管，臨床醫(yī)生可通過該管輸送高達(dá)血管造影導(dǎo)管。(d)臨床醫(yī)生通過一個(gè)帶有硅膠止血閥的終端集線器進(jìn)入機(jī)器人的中心通道，該閥門可防止失血。定制的終端集線器還用作穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的鮑登線纜的終端，以及柔性操縱器的流體管道可以通過的路線。

機(jī)器人的工具側(cè)(圖2c)包括以下內(nèi)容:(1)將直徑達(dá)8 Fr的工具引導(dǎo)至CS的三自由度軟操縱器，(2)在機(jī)器人末端促進(jìn)工具和操縱器軌跡平行性的工具引導(dǎo)器，以及(3)增加軟操縱器操作穩(wěn)定性的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。在用戶端，設(shè)備的終端集線器(圖2d)包括(1)硅樹脂單向閥，用于防止血液通過機(jī)器人的中央工作通道流失，(2)沖洗端口，用于潤滑中央工作通道，(3)致動(dòng)注射器，用于擴(kuò)張穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，以及(4)流體管道，用于連接軟操縱器和其致動(dòng)硬件。整個(gè)裝置可通過靜脈經(jīng)24 Fr輸送至右心房，或、導(dǎo)管鞘。導(dǎo)引鞘通常放置在外周脈管系統(tǒng)中，以引導(dǎo)器械朝向更中心的脈管或心內(nèi)目標(biāo)。在這種情況下，鞘管放置在頸靜脈或鎖骨下靜脈中，終止于上腔靜脈。此外，該裝置的中央工作通道提供了一個(gè)連續(xù)的路徑，通過該路徑將介入工具輸送至心內(nèi)工作區(qū)。該通道從用戶端的止血閥通向軟操縱器的尖端，為臨床醫(yī)生提供了直接進(jìn)入心臟內(nèi)部的工具。

該機(jī)器人首先在混合生物機(jī)器人跳動(dòng)的心臟中進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)證指標(biāo)包括機(jī)器人部署的血液動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、跳動(dòng)心臟內(nèi)過程的清晰內(nèi)窺鏡可視化以及3D機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤。外科住院醫(yī)生和工程師也進(jìn)行了用戶試驗(yàn)，包括專家和新手機(jī)器人操作員?；铙w動(dòng)物研究由之前接受過機(jī)器人操作培訓(xùn)的外科住院醫(yī)師、根據(jù)熒光捕捉提供指導(dǎo)的專業(yè)電生理學(xué)家和監(jiān)督手術(shù)過程的專業(yè)心臟外科醫(yī)生進(jìn)行。這些測(cè)試在有和沒有機(jī)器人的情況下進(jìn)行，以便與標(biāo)準(zhǔn)介入工具(對(duì)照)進(jìn)行直接比較。驗(yàn)證指標(biāo)包括利用熒光鏡反饋進(jìn)行操作的能力、成功完成手術(shù)的時(shí)間、X射線熒光鏡檢查的持續(xù)時(shí)間以及心臟起搏的能力。以下小節(jié)描述了機(jī)器人系統(tǒng)的子組件，隨后是生物機(jī)器人心臟和活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

2.2軟機(jī)械手設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)柔軟的機(jī)器人操縱器來引導(dǎo)起搏導(dǎo)線進(jìn)入CS。由于本研究中使用的標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)導(dǎo)管和起搏導(dǎo)線分別為7fr和4 Fr(參見材料和方法),操縱器需要至少9 Fr或3 mm的工作通道直徑。操縱器采用2D工藝制造，在該工藝中，熱塑性塑料和聚四氟乙烯的交替層受到壓力和熱量的作用，產(chǎn)生可膨脹的氣球狀結(jié)構(gòu)[64].在這項(xiàng)研究中，機(jī)械手有三個(gè)橢圓形流體腔(S1截面)，每個(gè)腔中的體積構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)空間變量。隨著三個(gè)氣室不斷膨脹，操縱器可以沿兩個(gè)軸彎曲，并延伸到大約40毫米長(圖3a).根據(jù)RA的網(wǎng)狀CT掃描，SVC到CS的距離約為36 mm，因此40 mm的行程長度足以引導(dǎo)器械朝向CS。總的來說，操縱器的標(biāo)稱外徑為15毫米，內(nèi)徑為4毫米。由于其柔軟性，它可以向內(nèi)彎曲，以適合通過24英尺或8毫米的導(dǎo)管鞘將血管輸送到心臟。一旦進(jìn)入心臟，它可以重新膨脹，恢復(fù)正常的縱向折疊模式(圖3a).

圖3

軟機(jī)械手設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和控制。(a)軟操縱器設(shè)計(jì)有一個(gè)3 mm或9 Fr的中心通道，以適應(yīng)各種血管造影導(dǎo)管尺寸。它可以向內(nèi)收縮至直徑小于8 mm，以穿過24 Fr導(dǎo)管鞘。(b)操縱器的中心管道由交替的剛性和柔性部分組成，允許管道跟隨操縱器的生長模式。(c)中心管道在2D建模，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。(d)將代表沒有內(nèi)部管道的軟操縱器的全部任務(wù)空間(藍(lán)色)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)云與管道的允許任務(wù)空間(黑色)的2D切片進(jìn)行比較。還顯示了半圓(橙色),其半徑代表從上腔靜脈到冠狀竇的平均距離。(e)記錄軟操縱器對(duì)步進(jìn)控制輸入的響應(yīng)，這里表示為最快的電機(jī)速度，以找到理想的致動(dòng)速度。

通過機(jī)器人輸送介入工具需要一個(gè)連續(xù)的中心通道來連接其終端中樞和軟機(jī)械手的尖端。實(shí)現(xiàn)這種連續(xù)性需要一個(gè)中心通道，它可以與軟操縱器平行增長，保持心臟內(nèi)部的靈活性。我們通過沿柔性熱塑性擠壓件以預(yù)定的增量放置單腔熱塑性擠壓件的剛性套環(huán)來制造這種可延伸的管道(圖3b).施加熱量和同心壓力使兩個(gè)熱塑性擠出物結(jié)合，產(chǎn)生一段具有交替的柔性和剛性部分的管(S2部分)。大約0.5 mm的管壁厚度將軟操縱器的內(nèi)徑減小至3 mm或9 Fr，這仍足以容納本研究和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐中使用的7–8fr導(dǎo)管。生長中的管可以沿兩個(gè)軸彎曲，并在長度上延伸和收縮，而不會(huì)損害其內(nèi)徑。這種行為使其能夠遵循軟操縱器的固有運(yùn)動(dòng)學(xué)(如下節(jié)所述),并到達(dá)cs進(jìn)行工具定位。

2.3中心渠道設(shè)計(jì)優(yōu)化

在設(shè)計(jì)生長管時(shí)，關(guān)鍵是要確保它允許軟機(jī)械手到達(dá)其任務(wù)空間的臨床相關(guān)部分。因此，推導(dǎo)出一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)框架，并用于優(yōu)化一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。CS相對(duì)于軟機(jī)械手任務(wù)空間的位置引導(dǎo)優(yōu)化問題的條件。

增長油管模型基于圖1中的圖表3c，顯示其局部分段運(yùn)動(dòng)學(xué)。從全球來看mathematical equation幀處分段mathematical equation由以下關(guān)系給出。

mathematical equation是的方向mathematical equation段，mathematical equation是的位置mathematical equation幀處分段mathematical equation，以及mathematical equation是的位置mathematical equation幀處分段mathematical equation。這些由局部運(yùn)動(dòng)學(xué)變量參數(shù)化mathematical equation和mathematical equation，這是從S2部分的幾何論點(diǎn)?？梢允褂眠@些關(guān)系遞歸計(jì)算2D油管的整體尖端姿態(tài)，其中mathematical equation給出頂部的位置mathematical equation硬領(lǐng)和mathematical equation給出它的方向。

使用這個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，我們?cè)噲D優(yōu)化一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)mathematical equation，在哪里mathematical equation和mathematical equation是柔性部分的邊長，mathematical equation是硬領(lǐng)的寬度，和mathematical equation是硬領(lǐng)段的數(shù)量。優(yōu)化問題僅涉及管道延伸至機(jī)械手最大行程長度的能力mathematical equation并將可觀的量壓縮到mathematical equation。下限被選擇為給予操縱器的尖端距離CS至少10 mm的空間，以在不接觸心臟壁的情況下調(diào)整其位置。彎曲不被認(rèn)為是一個(gè)限制，因?yàn)閺挠^察來看，各種設(shè)計(jì)參數(shù)組合允許大曲率角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過mathematical equation。相比之下，隨著這些設(shè)計(jì)參數(shù)的微小變化，膨脹能力顯示出很大的變化。問題是這樣設(shè)置的。

這個(gè)公式最小化標(biāo)量值目標(biāo)函數(shù)mathematical equation，它返回從全局原點(diǎn)到尖端的距離mathematical equation硬領(lǐng)。對(duì)于設(shè)計(jì)參數(shù)界限，我們采用下限mathematical equation和上限mathematical equation。最后，最大和最小沖程長度fub和f鎊作為目標(biāo)函數(shù)的兩個(gè)非線性不等式約束。目標(biāo)函數(shù)必須返回小于的值mathematical equation當(dāng)...的時(shí)候mathematical equation，以及大于的值mathematical equation當(dāng)...的時(shí)候mathematical equation和mathematical equation等于它們的上限值。MATLAB的fmincon函數(shù)與初始設(shè)計(jì)參數(shù)一起使用mathematical equation，它收斂于一個(gè)最優(yōu)解mathematical equation.

這種生長的管道通過軟操縱器的中心通道放置，并固定在兩端以適應(yīng)操縱器的生長。軟操縱器的基座與設(shè)備主中心通道的終端同心對(duì)齊，確保介入工具從機(jī)器人的用戶端無縫到達(dá)軟操縱器的頂端。

此外，圖三維（three dimension的縮寫）將管道的運(yùn)動(dòng)學(xué)表示為2D切片，覆蓋在操縱器任務(wù)空間的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出的點(diǎn)云上，沒有增長的管道。通過計(jì)算任務(wù)空間的界限并將它們包含在平面邊界內(nèi)，直接從油管運(yùn)動(dòng)學(xué)生成2D切片。通過給三個(gè)室充氣并使用電磁位置跟蹤系統(tǒng)(NDI，奧羅拉)收集空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)性地確定了機(jī)械手在沒有生長管道的情況下的任務(wù)空間。如管道的2D切片和3D點(diǎn)云之間的重疊所示，集成管道僅減少了接近其基部的操縱器的任務(wù)空間，這與臨床應(yīng)用無關(guān)。它仍然可以不受阻礙地在本地任務(wù)空間的外部自由運(yùn)行。覆蓋在點(diǎn)云上的橙色半圓弧顯示了基于右心房網(wǎng)狀CT掃描的SVC到CS的距離。因?yàn)閹挥邳c(diǎn)云和管道的2D運(yùn)動(dòng)學(xué)切片內(nèi)，所以操縱器可以充分地定位和導(dǎo)航到像cs這樣的目標(biāo)。重要的是，修改管道設(shè)計(jì)參數(shù)可以在不重新設(shè)計(jì)軟操縱器的情況下實(shí)現(xiàn)各種可實(shí)現(xiàn)的任務(wù)空間限制，使其有可能推廣到多種任務(wù)。

2.4軟機(jī)械手操作

在臨床研究中，CS的定位分為粗略移動(dòng)階段和精細(xì)調(diào)整階段。使用機(jī)械手的大動(dòng)作來定位尖端位移較大的CS的大致區(qū)域，同時(shí)使用精細(xì)的尖端調(diào)整來用導(dǎo)絲有系統(tǒng)地探測(cè)該區(qū)域。這些運(yùn)動(dòng)在S2視頻的自由空間中得以展示。為了在這些階段簡化機(jī)械手的操作，我們使用定制的三注射器-泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了開環(huán)、關(guān)節(jié)級(jí)控制。三臺(tái)NEMA 17步進(jìn)電機(jī)由任天堂Wii遙控器的用戶輸入獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，依次，絲杠支架將推拉注射器柱塞來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的流體通道。有關(guān)相關(guān)硬件和電子設(shè)備的詳細(xì)信息可在S3章節(jié)中找到。

為響應(yīng)遠(yuǎn)程用戶輸入，每個(gè)電機(jī)接收一個(gè)二進(jìn)制開關(guān)信號(hào)，以漸變到恒定速度或從恒定速度漸變mathematical equation。每個(gè)電機(jī)的加速度設(shè)置為值的10倍mathematical equation，因此我們將斜坡周期近似為可以忽略不計(jì)。為選擇單個(gè)值mathematical equation，我們使用階躍函數(shù)控制輸入，以各種預(yù)定義的電機(jī)速度驅(qū)動(dòng)電機(jī)。響應(yīng)控制步驟，我們可以直接測(cè)量系統(tǒng)輸出mathematical equation關(guān)于mathematical equation。這里，mathematical equation是軟操縱器尖端的位置，用3D電磁(EM)跟蹤探頭測(cè)量。的標(biāo)準(zhǔn)mathematical equation用于階躍響應(yīng)評(píng)估(圖3e).

使用這些參數(shù)，我們尋找單個(gè)值mathematical equation這將使軟操縱器能夠進(jìn)行快速的粗略驅(qū)動(dòng)以及精細(xì)調(diào)節(jié)。機(jī)械手的上升時(shí)間首先是在6毫米的階躍響應(yīng)下測(cè)量的mathematical equation步驟/秒(圖3e).我們將機(jī)械手的大動(dòng)作定義為厘米級(jí)的尖端運(yùn)動(dòng)，微調(diào)定義為毫米級(jí)的尖端運(yùn)動(dòng)?；谂R床反饋，總動(dòng)作(即，mathematical equation用于定位CS一般區(qū)域的筆畫)應(yīng)該要求的順序?yàn)閙athematical equation。相反，約0.15 s的控制器脈沖會(huì)導(dǎo)致微調(diào)(即CS探針的約1 mm尖端位移)?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，并通過對(duì)每一個(gè)15 mm步長的電機(jī)速度的上升時(shí)間進(jìn)行插值，我們選擇了電機(jī)速度mathematical equation這是可以在2秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)總驅(qū)動(dòng)的最慢電機(jī)速度，同時(shí)允許從控制器脈沖僅1.2 mm的尖端位移。

2.5穩(wěn)定機(jī)制設(shè)計(jì)

數(shù)字4a說明了穩(wěn)定機(jī)制，其目的是通過改變?cè)O(shè)備的機(jī)械杠桿作用為軟機(jī)械手提供更高的操作穩(wěn)定性。該裝置的彈性梁允許其以類似支架的方式擴(kuò)張，并鎖定右心房近端的上腔靜脈部分。在此過程中，它將裝置的支點(diǎn)從外周接入部位移至心內(nèi)手術(shù)位置。鎳鈦諾被用于構(gòu)造該機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗軌虺惺艽蟮淖冃味磺?5, 66].此外，它在幾年的時(shí)間尺度上保持血液相容性的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了手術(shù)所需的幾分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間尺度67, 68].

圖4

穩(wěn)定設(shè)計(jì)參數(shù)和光束形狀模擬。(a)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)由具有非恒定寬度輪廓的彈性梁組成。(b)為了確定理想的光束側(cè)面寬度，在COMSOL中用四個(gè)光束寬度值模擬光束彎曲。為了進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化研究(S4章節(jié)),對(duì)寬度擴(kuò)展附近的三個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行了評(píng)估。(c)通過沿橫梁的三個(gè)點(diǎn)擬合一個(gè)圓來計(jì)算每個(gè)橫梁寬度的曲率半徑。(d)作為曲率半徑和梁厚度的函數(shù)，計(jì)算相應(yīng)的最小允許梁寬。(e)對(duì)于每個(gè)梁寬，顯示了將一個(gè)梁端平移10 mm所需的力。

該機(jī)構(gòu)的輪廓最初是在5 W紫外激光器上從單層超彈性鎳鈦諾上切割下來的。在附著到直徑為5 mm的3D打印骨架結(jié)構(gòu)(S4切片)之前，將釋放的層包裹成圓柱體并熱處理以固定其形狀。所得到的組件由一組平行的波頓線纜致動(dòng)。當(dāng)拉緊線纜時(shí)，該機(jī)構(gòu)擴(kuò)展成外徑為22毫米的非實(shí)心籃子形狀。當(dāng)釋放線纜時(shí)，鎳鈦諾中存儲(chǔ)的彈性能量使其恢復(fù)到7毫米的標(biāo)稱直徑。擴(kuò)展機(jī)構(gòu)的支架狀籃子形狀允許其將裝置的支點(diǎn)移向軟操縱器，而不會(huì)阻塞血流。

與鉸接設(shè)計(jì)不同，組成穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的連續(xù)彈性梁消除了關(guān)節(jié)在非預(yù)期方向上移動(dòng)的可能性，這種移動(dòng)可能導(dǎo)致與脈管系統(tǒng)的點(diǎn)接觸和高應(yīng)力集中(S4部分)。然而，由于彎曲過程中的均勻曲率，梁的彎曲曲率也存在小面積靜脈接觸的可能性，也增加了應(yīng)力集中。為了解決這一問題，我們通過增加每個(gè)梁中心的寬度、展平中心截面的輪廓來增加靜脈接觸面積(圖4b).這種幾何變化增加了中心部分的第二慣性矩，從而增加了抗彎性。

COMSOL用于數(shù)值模擬光束形狀，以響應(yīng)一端10 mm的規(guī)定位移和另一端的固定邊界條件。梁的中心部分設(shè)置為3 mm，以符合整體空間限制，模擬掃描每個(gè)梁側(cè)面的四個(gè)寬度值，mathematical equation。應(yīng)力和位移在梁寬度擴(kuò)展的三個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行評(píng)估:根部點(diǎn)、中點(diǎn)和拱點(diǎn)(圖4b).網(wǎng)格細(xì)化研究表明，結(jié)果收斂于1800–2400個(gè)元素的正常網(wǎng)格尺寸(S4剖面)。關(guān)于材料模型和幾何參數(shù)的更多細(xì)節(jié)可以在材料和方法部分找到。選擇這些參數(shù)以產(chǎn)生最平坦的中心部分，同時(shí)最小化最大曲率區(qū)域的應(yīng)力。

結(jié)果如圖所示4c–e支持使用中心寬度為3 mm、側(cè)邊寬度為1.25 mm的梁。為了使這一設(shè)計(jì)選擇趨于一致，我們首先從每根梁的一端偏移10 mm時(shí)的曲率半徑開始。通過觀察，人們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)中心寬度與側(cè)邊寬度之間的比值越大，曲率半徑越大(即中心越平)。事實(shí)上，我們看到了這種情況，因?yàn)槟M顯示了曲率半徑隨著側(cè)面寬度的增加而減小的趨勢(shì)(圖4c).這一結(jié)果將使較小的側(cè)面寬度成為最理想的。

然而，在某些載荷條件和幾何形狀下，梁在彎曲時(shí)可能會(huì)經(jīng)歷反彈性曲率。這種現(xiàn)象在圖1的圖形鑲嵌中有所說明4d，其中彎曲的梁經(jīng)歷鞍狀曲率[69, 70].避免反彈性彎曲在這個(gè)設(shè)計(jì)問題中是至關(guān)重要的，因?yàn)榉€(wěn)定梁的無意向上彎曲會(huì)在脆弱的血管組織上產(chǎn)生大的應(yīng)力集中。為了避免這種情況，我們研究了抗彈性彎曲的臨界梁寬，低于這個(gè)寬度時(shí)，這種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。這種關(guān)系是在十九世紀(jì)提出的，在給定的載荷條件下，它僅僅是梁厚度和曲率半徑的函數(shù):mathematical equation，在哪里mathematical equation是臨界波束寬度，mathematical equation是曲率半徑，和mathematical equation是厚度[71].數(shù)字4d顯示的價(jià)值mathematical equation10 mm規(guī)定位移處的每側(cè)寬度。盡管最小的梁邊寬度提供了最有利的曲率半徑，但它低于臨界梁寬度，因此不予考慮。

最后，我們看到對(duì)于較大的梁側(cè)寬度，驅(qū)動(dòng)力有增加的趨勢(shì)，使得較寬的梁不受歡迎(圖4e).在1和1.25 mm這兩個(gè)中間值之間，較窄的側(cè)寬度產(chǎn)生更理想的曲率半徑和致動(dòng)力。然而，我們?cè)趯?shí)踐中也注意到，在激光切割過程中，較小的特征會(huì)因過熱而退化。因此，我們選擇了1.25 mm的側(cè)邊寬度，為平坦的靜脈接觸提供了中間基礎(chǔ)，沒有預(yù)期的抗彈性彎曲、低致動(dòng)力和低激光誘導(dǎo)降解。

在移植的豬SVC中評(píng)估所得穩(wěn)定機(jī)構(gòu)為軟操縱器提供機(jī)械杠桿作用的能力。該機(jī)構(gòu)被展開以支撐SVC，并且Instron機(jī)器沿著該機(jī)構(gòu)的主軸線并垂直于其主軸線按壓其尖端。在兩個(gè)方向上超過1 N的力的作用下，穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的尖端僅移動(dòng)了5mm(S5部分)。在臨床場(chǎng)景中，在導(dǎo)航和CS定位期間，流體流動(dòng)將支配機(jī)器人所經(jīng)受的外力。假設(shè)RA中的最大流量為mathematical equation，這相當(dāng)于一個(gè)力mathematical equation，導(dǎo)致機(jī)器人位移可以忽略不計(jì)。

2.6機(jī)器人裝配和功能

柔軟的機(jī)械手被連接到穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的主干頂端，以最小化機(jī)器人操作側(cè)的杠桿臂。中心通道、用于軟操縱器的流體管道和用于穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的鮑登線纜穿過包括機(jī)器人主體的熱塑性護(hù)套。機(jī)器人的身體長60厘米，長到足以穿過33厘米長的導(dǎo)管鞘，短到足以容納100厘米或更長的導(dǎo)絲和導(dǎo)管(圖5a).由于軟操縱器中心的管子越來越長，它的底部長度為25毫米(圖5b).在三個(gè)流體腔室可變充氣時(shí)，操縱器延伸并彎曲以將工具引導(dǎo)至不同的方向(圖5c，d).由于穩(wěn)定機(jī)制在SVC中的部署，操縱器受益于穩(wěn)定的基礎(chǔ)位置，允許其在用導(dǎo)絲探測(cè)時(shí)將其尖端位置保持在給定位置。

圖5

機(jī)器人工具側(cè)的不同操作狀態(tài)(機(jī)械手和穩(wěn)定)。(a)軟操縱器連接在穩(wěn)定機(jī)構(gòu)脊柱的遠(yuǎn)端。它的主體有60厘米長，符合標(biāo)準(zhǔn)介入工具的長度。(b)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)展開以支撐硅膠管，同時(shí)軟操縱器停留在其25 mm的基礎(chǔ)長度。(c)操縱器可以引導(dǎo)工具如導(dǎo)絲和引導(dǎo)導(dǎo)管通過其中心通道。(d)機(jī)械手還能夠mathematical equation彎曲。

2.7體外混合生物機(jī)器人心臟跳動(dòng)研究

介入機(jī)器人在離體生物機(jī)器人心臟跳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試(參見材料和方法)。為了開發(fā)混合生物機(jī)器人測(cè)試裝置，我們利用化學(xué)固定，然后進(jìn)行去細(xì)胞化處理，以保持移植豬心的心臟解剖和組織特性[72].這些心臟的天然心肌被部分替換為柔軟的機(jī)器人心肌，以在臺(tái)式電腦上復(fù)制其功能。此外，心臟被整合在模擬流動(dòng)回路中，促進(jìn)生理血液動(dòng)力學(xué)和組織力學(xué)[63, 73].這種設(shè)置能夠在生理上準(zhǔn)確的RA工作空間中進(jìn)行頻繁且可訪問的臨床測(cè)試(圖6a).它還允許訓(xùn)練有素和未經(jīng)訓(xùn)練的機(jī)器人操作員進(jìn)行多用戶試驗(yàn)(圖6b).

圖6

來自體外混合生物機(jī)器人臺(tái)式模擬器的測(cè)試結(jié)果。(a)心臟跳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)由纏繞在心室周圍的軟氣動(dòng)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部可視化由右心房附件中的內(nèi)窺鏡端口實(shí)現(xiàn)。(b)在機(jī)器人上受過訓(xùn)練的兩個(gè)用戶和四個(gè)未受過訓(xùn)練的用戶，在他們各自執(zhí)行冠狀竇插管任務(wù)三次時(shí)被計(jì)時(shí)。(c)即使機(jī)器人部署在心臟中，代表性的右心壓力值仍保持在生理范圍內(nèi)。(d)用內(nèi)窺鏡觀察手術(shù)過程。(e)跟蹤機(jī)器人末端的3D位置。藍(lán)點(diǎn)是尖端起點(diǎn)，紅點(diǎn)代表插管成功后的終點(diǎn)位置。

混合生物機(jī)器人心臟為數(shù)據(jù)收集提供了大量機(jī)會(huì)，包括右心房、右心室(RV)和肺動(dòng)脈(PA)的壓力值。在體內(nèi)跟蹤這些壓力將需要更復(fù)雜和侵入性的導(dǎo)管，并且對(duì)動(dòng)物造成創(chuàng)傷的可能性更高，而離體生物機(jī)器人心臟允許在整個(gè)測(cè)試中進(jìn)行不引人注目的數(shù)據(jù)收集。數(shù)字6c顯示了沒有機(jī)器人時(shí)的五次心跳(即基線情況)和機(jī)器人部署在心臟內(nèi)時(shí)的五次心跳。從基線情況到裝置情況，任何記錄的壓力都沒有明顯變化。這表明機(jī)器人在展開時(shí)不影響生理血流。

離體生物機(jī)器人心臟還提供了直接可視化工作空間的能力。我們使用甘油混合物作為工作流體，它模擬血液的粘度，同時(shí)保持光學(xué)透明。為了能夠在機(jī)器人操作期間無障礙地觀察CS，將內(nèi)窺鏡端口縫合到右心耳(RAA)中。如圖所示6d該過程包括三個(gè)主要階段:(1)初始機(jī)器人定位，(2)導(dǎo)絲導(dǎo)航，和(3) CS插管。這些階段中的每一個(gè)都如圖所示2a也是。

在整個(gè)過程中，機(jī)器人的3D尖端位置由密封在5 Fr導(dǎo)管中的EM探針跟蹤，以使其防水。雖然在體內(nèi)使用X射線熒光檢查會(huì)干擾電磁跟蹤，但離體生物機(jī)器人心臟允許其無限制使用。在兩次有代表性的試驗(yàn)中，將一根導(dǎo)絲與電磁探頭進(jìn)行了交換，使我們能夠以三維方式可視化機(jī)器人的導(dǎo)向(圖6e).首先，用戶確定與每個(gè)關(guān)節(jié)級(jí)控制輸入相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人軌跡。因此，這個(gè)階段對(duì)應(yīng)于機(jī)器人軌跡中噪音最大的部分，由圖中的黑線表示6e。在主動(dòng)工具引導(dǎo)階段，機(jī)器人相對(duì)于心臟的1 Hz(即60 bpm)頻率快速移動(dòng)，產(chǎn)生曲線的圓圈部分所示的平滑軌跡。一旦EM探針插入CS，其運(yùn)動(dòng)與心臟的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，表現(xiàn)為EM探針的小的、規(guī)則的振蕩。機(jī)器人軌跡跟蹤在視頻S4中得到了進(jìn)一步的展示。

我們測(cè)試了兩個(gè)專家用戶，他們都受過訓(xùn)練并熟悉機(jī)器人及其控制器，以及四個(gè)從未使用過機(jī)器人的新手用戶。每個(gè)用戶的任務(wù)是給CS插管三次。在每次試驗(yàn)之間，用戶旋轉(zhuǎn)和平移機(jī)器人，以隨機(jī)調(diào)整機(jī)械手的基座。插管時(shí)間被定義為重新定位機(jī)器人和內(nèi)窺鏡確認(rèn)導(dǎo)絲在CS中的位置之間的持續(xù)時(shí)間。此外，允許新手用戶在自由空間中用軟操縱器練習(xí)2分鐘來學(xué)習(xí)控制。

專家用戶往往比新手用戶更快、更穩(wěn)定，表現(xiàn)在平均插管時(shí)間更短、標(biāo)準(zhǔn)偏差更小(圖6b).例如，專家2在2004年實(shí)現(xiàn)了CS插管mathematical equation在三次試驗(yàn)中，新手3在mathematical equation。然而，所有的使用者都在3.5分鐘內(nèi)完成了CS插管。視頻S3中顯示了專家2的代表性內(nèi)窺鏡視頻。

2.8豬模型中的體內(nèi)雙心室起搏

圖7

代表性結(jié)果來自n= 5次體內(nèi)試驗(yàn)。(a)當(dāng)機(jī)械手用鹽水驅(qū)動(dòng)時(shí)，在x光透視下無法看到。(b)通過導(dǎo)絲形狀的視覺反饋實(shí)現(xiàn)冠狀竇定位，以及(c)使用對(duì)比溶液驗(yàn)證插管。(d)當(dāng)操縱器被造影劑-鹽水混合物驅(qū)動(dòng)時(shí)，它在X射線透視下變得可見。(e)當(dāng)操縱器接近冠狀竇時(shí)，跟蹤操縱器的方向，(f)導(dǎo)致更快的插管，(g)隨后進(jìn)行對(duì)比輔助驗(yàn)證。(h)在冠狀竇成功插管后，(I)使用起搏導(dǎo)線將心率提高至140 bpm以上。(j)在定位冠狀竇時(shí)，錯(cuò)誤的導(dǎo)絲在心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)周圍戳動(dòng)，導(dǎo)致短暫的異位搏動(dòng)。

機(jī)器人系統(tǒng)用于在活豬模型中實(shí)現(xiàn)心臟的雙心室起搏(見材料和方法)。在這一系列的五項(xiàng)體內(nèi)研究中，機(jī)器人通過mathematical equationFr鞘，用穩(wěn)定裝置固定在上腔靜脈，并在X射線熒光鏡引導(dǎo)下遠(yuǎn)程操縱至竇口(圖7a–g).到達(dá)竇口的大致位置后，通過機(jī)器人插入一根導(dǎo)絲以實(shí)現(xiàn)初始插管(圖7b,f).在最初的插管步驟中，機(jī)器人輔助方法的主要優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。機(jī)器人給介入者提供了保持給定位置的穩(wěn)定性，同時(shí)用導(dǎo)絲探測(cè)該位置。如果初始位置不正確(即，導(dǎo)絲沒有成功進(jìn)入CS)，機(jī)器人可以在相同的大致區(qū)域進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)有條不紊的探測(cè)過程。這與傳統(tǒng)導(dǎo)管形成對(duì)比，傳統(tǒng)導(dǎo)管缺乏穩(wěn)定的基座，并且由于偏轉(zhuǎn)和扭曲而不能在探測(cè)階段保持其位置。因此，這些體內(nèi)研究的第一個(gè)指標(biāo)是確定CS插管所需的探測(cè)次數(shù)?？紤]到機(jī)器人的穩(wěn)定性，我們預(yù)計(jì)機(jī)器人輔助試驗(yàn)比控制試驗(yàn)需要更少的探針。

將導(dǎo)絲插入冠狀動(dòng)脈后，將血管造影引導(dǎo)導(dǎo)管穿過導(dǎo)絲進(jìn)行造影劑注射。如果成功，造影劑將在透視下突出CS的自然形狀。因此，第二個(gè)指標(biāo)是CS插管和造影輔助驗(yàn)證的總時(shí)間(圖7c,g).第三個(gè)指標(biāo)是每次試驗(yàn)的X射線透視總持續(xù)時(shí)間，從裝置插入到對(duì)比輔助驗(yàn)證。我們期望在機(jī)器人的幫助下，插管時(shí)間、驗(yàn)證時(shí)間和透視暴露時(shí)間會(huì)減少。

在所有機(jī)器人試驗(yàn)中，機(jī)器人由之前接受過培訓(xùn)的外科住院醫(yī)生操作，而專業(yè)的電生理學(xué)家則提供來自X射線透視的空間反饋。用戶保持一致，以隔離機(jī)器人輔助相對(duì)于傳統(tǒng)工具的影響。同樣，使用標(biāo)準(zhǔn)介入工具的對(duì)照試驗(yàn)也由同一名電生理學(xué)家進(jìn)行，以消除操作員的可變性并隔離機(jī)器人對(duì)上述三個(gè)指標(biāo)的影響:導(dǎo)絲探針、手術(shù)持續(xù)時(shí)間和熒光透視持續(xù)時(shí)間。

如圖所示7h成功的CS插管術(shù)是使用機(jī)器人以及采用伸縮支撐導(dǎo)管技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)的(見材料和方法)。機(jī)器人試驗(yàn)根據(jù)用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的流體進(jìn)一步劃分，如視頻S5所示。一組試驗(yàn)使用生理鹽水進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此在X射線透視下無法看到操縱器，其形狀是根據(jù)穿過中心通道放置的不透射線的導(dǎo)絲推斷出來的(圖7a–c).另一組試驗(yàn)使用體積比為40%-60%的碘佛醇造影劑和生理鹽水的混合物，使操縱器在X射線透視下直接可見(圖7d–g).

在一次機(jī)器人輔助試驗(yàn)后，通過導(dǎo)管插入起搏導(dǎo)線以模擬雙心室起搏。在圖中的圖中7I，心率從90–100增加至140–150 BPM，表明在選定的起搏頻率下成功放置了導(dǎo)線并成功進(jìn)行了電捕獲。圖上的圖像標(biāo)注還顯示了程序的生理和起搏部分的代表性ECG軌跡。值得注意的是，導(dǎo)絲與心內(nèi)膜的意外接觸會(huì)產(chǎn)生異位搏動(dòng)(圖7j).這些錯(cuò)誤的線探針可能會(huì)導(dǎo)致醫(yī)源性損傷，因此減少過度探測(cè)的需要是患者的安全問題。

三個(gè)主要指標(biāo)的結(jié)果如圖所示8用于機(jī)器人試驗(yàn)和對(duì)照試驗(yàn)之間的直接比較。結(jié)果在初始插管嘗試之間被分開(圖8a–c)和隨后的插管嘗試(圖8d–f).在最初的嘗試中，臨床醫(yī)生不知道CS的位置，這是真實(shí)臨床介入的情況。正因?yàn)槿绱?，勘探和探測(cè)構(gòu)成了整個(gè)程序的一大部分。事實(shí)上，在60分鐘的對(duì)照試驗(yàn)中，至少需要100根導(dǎo)絲探針(圖8a,b)，并且需要超過30分鐘的X射線透視檢查(圖8c).這些控制指標(biāo)與文獻(xiàn)一致，文獻(xiàn)指出cs插管可持續(xù)數(shù)小時(shí)，熒光透視暴露約30分鐘[14, 15–16].然而，機(jī)器人試驗(yàn)顯示，所有指標(biāo)都有顯著下降。當(dāng)只用生理鹽水驅(qū)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人平均需要mathematical equation導(dǎo)絲探針(圖8a)，在僅持續(xù)22分鐘和8分鐘的透視曝光試驗(yàn)期間(圖8b,c).造影劑激活被證明特別有益，在到達(dá)CS之前只需要四次線探針嘗試，整個(gè)過程僅用時(shí)8分鐘多一點(diǎn)，X射線曝光時(shí)間為3.5分鐘(圖8a–c).在這種情況下，機(jī)器人使有害X射線的使用時(shí)間減少了近十分之一，其他兩項(xiàng)指標(biāo)也有類似幅度的改善。

圖8

初始(a–c)和后續(xù)(d–f)插管嘗試期間的體內(nèi)研究結(jié)果。(a)在冠狀竇插管術(shù)的最初嘗試中，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的對(duì)照試驗(yàn)比機(jī)器人試驗(yàn)需要更多的導(dǎo)線探測(cè)嘗試，這增加了醫(yī)源性創(chuàng)傷(如組織穿孔)的可能性。(b)控制試驗(yàn)也比機(jī)器人試驗(yàn)持續(xù)更長時(shí)間，其中“機(jī)器人+對(duì)比”試驗(yàn)需要的時(shí)間最少。(c)與標(biāo)準(zhǔn)控制相比，兩種類型的機(jī)器人試驗(yàn)需要較少的X射線熒光透視使用。(d)在隨后的插管嘗試中，一旦目標(biāo)位置已知，對(duì)照試驗(yàn)比機(jī)器人試驗(yàn)需要更多的導(dǎo)線探測(cè)嘗試。(e)總的來說,“機(jī)器人+對(duì)照”試驗(yàn)是最短的，但是機(jī)器人和對(duì)照之間的總持續(xù)時(shí)間沒有顯著變化。(f)“機(jī)器人+對(duì)比”試驗(yàn)需要最少的熒光透視曝光，但機(jī)器人和對(duì)照之間的持續(xù)時(shí)間沒有顯著變化。

隨后的嘗試包括在首次嘗試后進(jìn)行的試驗(yàn)，沒有從心臟中取出機(jī)器人或?qū)Ч?。重要的是，這讓臨床醫(yī)生對(duì)CS的位置有了大致的了解。盡管有這些先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)照試驗(yàn)仍然需要mathematical equation和mathematical equation導(dǎo)絲探針嘗試，除了一個(gè)真正的統(tǒng)計(jì)異常試驗(yàn)需要三個(gè)(圖8d).相比之下，在所有機(jī)器人試驗(yàn)中，無論是用鹽水還是用造影劑驅(qū)動(dòng)，都只有三個(gè)或更少的探針。然而，手術(shù)和熒光鏡檢查的總持續(xù)時(shí)間在所有后續(xù)嘗試中變得相等，無論它們是由機(jī)器人導(dǎo)管還是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管執(zhí)行。對(duì)照試驗(yàn)平均持續(xù)5分鐘，相比之下mathematical equation鹽水驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人最少4分鐘，對(duì)比驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人最少4分鐘(圖8e).對(duì)照試驗(yàn)平均需要大約3分鐘的熒光透視暴露，而鹽水驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人平均需要大約4分鐘，對(duì)比驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人平均需要大約2分鐘(圖8f).總的來說，稀釋對(duì)比染料激活允許在最短的時(shí)間和最短的熒光透視曝光時(shí)間內(nèi)進(jìn)行后續(xù)嘗試試驗(yàn)(圖8e，f)，但不是一個(gè)可觀的數(shù)量。

這些結(jié)果表明CS插管的主要困難是CS的初始位置。一旦CS被定位，就像在隨后的插管試驗(yàn)中的情況一樣，機(jī)器人輔助程序具有與使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的對(duì)照試驗(yàn)相似的持續(xù)時(shí)間。然而，機(jī)器人確實(shí)將初始和后續(xù)嘗試中所需的導(dǎo)絲探針數(shù)量減少了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而降低了醫(yī)源性創(chuàng)傷的可能性。在最初的插管嘗試中，機(jī)器人通過以下方式縮短了插管時(shí)間mathematical equation和熒光透視曝光的持續(xù)時(shí)間mathematical equation。該初始插管數(shù)據(jù)比隨后的插管更恰當(dāng)?shù)胤从沉苏鎸?shí)的臨床情況，因?yàn)榕R床醫(yī)生在手術(shù)開始之前不知道CS的位置。通過為臨床實(shí)踐中常規(guī)使用的儀器提供穩(wěn)定的定位，而不是引入新的儀器，機(jī)器人增強(qiáng)了現(xiàn)有的方法，這通過更短的程序和熒光鏡檢查持續(xù)時(shí)間以及減少的探針嘗試次數(shù)得以證明。

3個(gè)結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，一個(gè)柔軟的機(jī)器人被用來完成人體最困難的工作空間之一的手術(shù)，即跳動(dòng)的心臟。這種軟機(jī)器人專為復(fù)雜的引導(dǎo)任務(wù)(如CS導(dǎo)聯(lián)放置)而設(shè)計(jì)，利用了柔順機(jī)構(gòu)和軟材料的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了靈巧而穩(wěn)定的操作。通過容納高達(dá)8 Fr的介入器械，機(jī)器人進(jìn)一步與現(xiàn)有的臨床工作流程集成，或mathematical equation直徑。軟操縱器的中心通道由定制管道組成，可以模仿其自然生長模式，而不會(huì)損害9 Fr，或mathematical equation，直徑。該操縱器連接到柔性鎳鈦諾穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的尖端，該機(jī)構(gòu)從mathematical equation到結(jié)束mathematical equation直徑。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可以支撐在靠近目標(biāo)位置的SVC部分上，允許機(jī)械手僅通過幾毫米的基座位移就能承受牛頓級(jí)的負(fù)載。在機(jī)器人的用戶端，一個(gè)帶有單向硅膠閥的終端集線器使操作者能夠進(jìn)入機(jī)器人的中心通道，以便插入工具。使用用戶界面的標(biāo)準(zhǔn)組件，如硅膠止血閥、工作通道的沖洗端口和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的注射器驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步提高了臨床醫(yī)生對(duì)裝置的熟悉程度。此外，定制的三注射泵系統(tǒng)用于控制機(jī)械手，并通過單一電機(jī)速度實(shí)現(xiàn)粗略運(yùn)動(dòng)和精細(xì)調(diào)節(jié)。注射泵硬件安裝在單個(gè)Mayo托盤支架上，在導(dǎo)管室中占據(jù)最小空間。

一項(xiàng)體外研究介紹了一種混合生物機(jī)器人臺(tái)式測(cè)試裝置，專門用于捕捉類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的血液動(dòng)力學(xué)。在這里，一種透明的血液模擬物被用于允許機(jī)器人在生理?xiàng)l件下的直接可視化。除了能夠看到跳動(dòng)的心臟內(nèi)部之外，這項(xiàng)研究還允許在接近RA的位置進(jìn)行連續(xù)的壓力監(jiān)測(cè)，表明機(jī)器人的部署沒有引起異常壓力。這是一個(gè)重要的安全考慮，因?yàn)殪o脈阻塞會(huì)導(dǎo)致血液停滯和上游壓力增加，從而增加血栓的風(fēng)險(xiǎn)74].此外，受過訓(xùn)練和沒有受過訓(xùn)練的用戶都能夠在幾分鐘內(nèi)完成CS插管。這是一個(gè)與隨后在體內(nèi)進(jìn)行的插管試驗(yàn)相似的時(shí)間尺度，支持了這樣的結(jié)論:當(dāng)嘗試插管時(shí)，最初的CS定位是主要的困難。

該機(jī)器人隨后在豬模型上的五項(xiàng)體內(nèi)研究中進(jìn)行了測(cè)試，在操作過程中使用X射線熒光鏡檢查進(jìn)行位置反饋。這些研究與標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)絲和引導(dǎo)導(dǎo)管進(jìn)行了直接比較，顯示了提高效率和安全性的總體趨勢(shì)。在最初的插管嘗試中，與標(biāo)準(zhǔn)介入設(shè)備相比，機(jī)器人完成手術(shù)所需的時(shí)間更短，X射線透視曝光更少。有害輻射使用量的這種數(shù)量級(jí)減少使得該過程對(duì)于患者和在x光機(jī)附近工作的臨床醫(yī)生來說都更加安全。在最初和隨后的插管嘗試中，機(jī)器人也比對(duì)照試驗(yàn)需要更少的導(dǎo)絲探測(cè)嘗試。這在圖中得到了證明7j心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)附近的錯(cuò)誤導(dǎo)線探針會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管誘發(fā)的異位，表現(xiàn)為心率跳增。通過減少CS插管所需的探針數(shù)量，也可以降低醫(yī)源性損傷的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，在控制試驗(yàn)期間，更多的探測(cè)嘗試表明CS定位階段的位置不確定性。

最后，動(dòng)物研究提供了使臨床醫(yī)生難以放置起搏器導(dǎo)線的因素。通過將最初的插管與隨后的嘗試分開，我們發(fā)現(xiàn)解剖意識(shí)對(duì)操作和透視持續(xù)時(shí)間以及探查嘗試的次數(shù)有顯著影響。也就是說，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和機(jī)器人大約同時(shí)需要CS插管，但是僅在定位CS后。然而，在最初的插管嘗試中，如果沒有這種解剖意識(shí)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在所有指標(biāo)上都表現(xiàn)較差。相比之下，機(jī)器人提供了位置穩(wěn)定性和空間分辨率，改善了所有指標(biāo)，即使沒有最初的解剖意識(shí)。

雖然這項(xiàng)工作在五項(xiàng)動(dòng)物研究和一項(xiàng)混合生物機(jī)器人心臟跳動(dòng)研究中證明了安全性和效率增加的趨勢(shì)，但未來的工作將集中在廣泛的體內(nèi)研究上。由具有不同專業(yè)水平的臨床醫(yī)生進(jìn)行的進(jìn)一步試驗(yàn)可能揭示這些結(jié)果如何受到電生理學(xué)家和機(jī)器人操作員的技能水平的影響。專門的多用戶研究也將有助于確定操作員的可變性是否可能由訓(xùn)練影響之外的其他因素引起。此外，即使機(jī)器人部署時(shí)間很短，在血流中插入外來設(shè)備也會(huì)帶來血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)。未來的試驗(yàn)可能會(huì)尋求減輕機(jī)器人任何可能發(fā)生血液停滯的部位周圍形成血凝塊的可能性。對(duì)于穩(wěn)定機(jī)制，額外的表面處理可能就足夠了[75]，而對(duì)于軟操縱器，可以考慮用光滑的塑料套管覆蓋波紋管。另一個(gè)研究方向是最大限度地利用機(jī)器人在不同程序之間可以重復(fù)使用的部件。目前，機(jī)器人的一次性使用性質(zhì)意味著在研究之間丟棄所有組件，這與大多數(shù)介入工具一致[76].取而代之的是，通過使軟操縱器模塊化和可拆卸，從穩(wěn)定到用戶端的一切都可以用化學(xué)消毒劑和高壓滅菌器消毒77, 78].通過這種方式，制造成本僅為100美元的軟機(jī)械手[64]，將是唯一的一次性部件，導(dǎo)致在低資源環(huán)境和大醫(yī)院中的潛在采用。此外，具有不同運(yùn)動(dòng)學(xué)的軟機(jī)械手甚至可以在操作過程中互換，從而能夠針對(duì)一系列解剖學(xué)差異進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定制。鑒于鎳鈦諾的高抗疲勞性，最壞的情況是mathematical equation循環(huán)將仍然允許機(jī)器人的其余部分持續(xù)數(shù)百個(gè)程序[79].此外，機(jī)器人目前安裝在24 Fr或8 mm的導(dǎo)管鞘中。未來的研究途徑將繼續(xù)縮小機(jī)器人的直徑，最終目標(biāo)是18Fr或6 mm的兼容性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，較小的流體腔室將有效地減小操縱器的“壁厚”。以前的工作以具有10和5毫米直徑腔室的機(jī)械手為特色[61, 64]，而這個(gè)作品縮小到4毫米直徑，其他作品進(jìn)一步縮小到3毫米[44].此外，減小中央聲道的尺寸mathematical equation到mathematical equation弗雷德甚至mathematical equationFr將進(jìn)一步允許相當(dāng)?shù)男⌒突?，盡管以機(jī)器人可以引導(dǎo)的臨床工具為代價(jià)。到達(dá)mathematical equationFr將允許機(jī)器人從不同的進(jìn)入點(diǎn)進(jìn)入心臟，開辟了一條新的可能解決的程序。

我們的心臟內(nèi)介入軟機(jī)器人方法代表了向安全、有效和精確治療心力衰竭邁進(jìn)了一步。主動(dòng)操作和局部穩(wěn)定的使用使得在心臟仍在跳動(dòng)時(shí)能夠進(jìn)行復(fù)雜的治療。我們?cè)O(shè)想這項(xiàng)技術(shù)不僅可以擴(kuò)展到介入手術(shù)，還可以擴(kuò)展到傳統(tǒng)上需要心肺旁路的手術(shù)。如果機(jī)器人可以在心臟手術(shù)中避免旁路手術(shù)，它有可能使手術(shù)更加有效和安全，顯著減少外科醫(yī)生的疲勞并改善患者的預(yù)后。

4材料和方法

4.1穩(wěn)定機(jī)制數(shù)值模型

使用在COMSOL中進(jìn)行的有限元模擬，評(píng)估穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)，這將最終決定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(圖4a).模擬單個(gè)梁而不是整個(gè)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，從而可以更快地模擬和分析梁在固定位移下的彎曲。梁的幾何形狀像一個(gè)反向的狗骨，較寬的中心區(qū)域兩側(cè)是較窄的側(cè)部(圖4b).在Fusion 360 (Autodesk，Inc .)中模擬了這種光束的四種變型，每種變型具有3 mm寬的中心區(qū)域，材料厚度為mathematical equation，總長度為mathematical equation。橫梁僅在側(cè)面寬度上有所不同:mathematical equation。此外，初始幾何擾動(dòng)被添加到每個(gè)模型，以使其偏向屈曲狀態(tài)，并促進(jìn)模擬收斂。在這種擾動(dòng)中使用了統(tǒng)一的曲率，使得每個(gè)梁的中心被擾動(dòng)的值等于梁厚度的一半。

每個(gè)模擬都是使用COMSOL的3D固體力學(xué)模塊建立的靜態(tài)研究。因?yàn)榱涸诘蛻?yīng)變下會(huì)發(fā)生大變形，所以考慮了幾何非線性。作為大變形假設(shè)的結(jié)果，梁幾何圖形對(duì)模擬結(jié)果的影響最大，而不是材料。因此，使用1095彈簧鋼作為材料近似值，其值如下:密度為mathematical equation泊松比為0.29，楊氏模量為210 GPa。梁的一端被置于固定約束下，而相對(duì)面在壓縮方向上被給予10 mm的規(guī)定位移。對(duì)于這種位移，最初定義了1 cm的全局位移參數(shù)。在研究中，輔助掃描擴(kuò)展與一系列mathematical equation，這對(duì)應(yīng)于在100步內(nèi)從0到10 mm的掃描。根據(jù)從初步網(wǎng)格細(xì)化研究(S4部分)中獲得的數(shù)據(jù)，在沿幾何圖形的12個(gè)不同點(diǎn)上觀察到馮米塞斯應(yīng)力，正常分辨率的網(wǎng)格被認(rèn)為是足夠的。正常分辨率網(wǎng)格包含1800–2400個(gè)域元素，具體取決于所研究的幾何形狀，使求解器在3分鐘內(nèi)收斂。

從每個(gè)模擬中收集的數(shù)據(jù)包括壓縮方向和屈曲方向的位移，以及von Mises應(yīng)力。在12個(gè)點(diǎn)和全10 mm位移下評(píng)估每個(gè)度量。還記錄了位移端的合力。在MATLAB中對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以確定四種梁側(cè)寬度中哪一種在彎曲過程中產(chǎn)生最平坦的中心區(qū)域，具有最低的應(yīng)力集中和最低的合力(圖4c–e).

4.2帶有模擬循環(huán)流動(dòng)回路的生物機(jī)器人心臟模型

清洗移植的豬心，用10%福爾馬林溶液固定，并用mathematical equation磷酸鹽緩沖鹽水。使用公開的方法，這些固定的心臟被用于制造生物機(jī)器人混合心臟[72, 73, 80].這一過程包括化學(xué)處理心內(nèi)膜結(jié)構(gòu)，以匹配天然組織特性，并部分移除天然心肌，然后用專門為每個(gè)心臟設(shè)計(jì)的合成軟機(jī)器人心肌替換。

柔軟的機(jī)器人心肌由放置在硅樹脂基質(zhì)(Ecoflex 00-35 Fast)中的六到八塊氣動(dòng)人造肌肉組成，肌肉的確切數(shù)量和方向由計(jì)算建模確定[62, 63].使用定制的粘合劑將軟致動(dòng)器基質(zhì)附著到心內(nèi)膜組織上[81]沿著右心室自由壁和室間隔，最終實(shí)現(xiàn)心臟右側(cè)壁的生理運(yùn)動(dòng)。循環(huán)流動(dòng)回路單獨(dú)模擬了Windkessel效應(yīng)，使用定制的丙烯酸室模擬靜脈和肺血管的順應(yīng)性，使用球閥(McMaster-Carr，4796K71)模擬肺血管的阻力。生物機(jī)器人心臟和流動(dòng)回路與定制控制箱連接并以60 bpm的頻率啟動(dòng)62, 63].可以對(duì)致動(dòng)速度、血管阻力和血管順應(yīng)性進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)期望的右側(cè)血液動(dòng)力學(xué)范圍，這是基于在健康人類受試者中典型觀察到的值[82, 83].

一種光學(xué)透明的血液模擬物被用作循環(huán)回路中的工作流體。該流體由以下成分組成mathematical equation去離子水中的丙二醇，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)粘度為mathematical equation。壓力傳感器(PRESS-S-000，PendoTECH)放置在RA、RV和PA處，包括機(jī)器人的上游和下游位置。一個(gè)超聲波流量傳感器(ME 13 PXN，跨音速)放置在PA處，以記錄下游流量。內(nèi)窺鏡攝像機(jī)(1080P HD，NIDAGE)以30 fps的速度記錄視頻，以可視化心房內(nèi)部。

軟機(jī)器人通過上腔靜脈(SVC)插入到生物機(jī)器人心臟跳動(dòng)模型中。一個(gè)Y型連接器被集成到流動(dòng)回路中，一側(cè)允許流體通過SVC流入心臟，而另一側(cè)用于機(jī)器人插入。末端連接了一個(gè)定制的適配器，以確保柔軟機(jī)器人周圍的流體密封。

4.3體內(nèi)研究設(shè)置

利用體內(nèi)平臺(tái)來執(zhí)行介入機(jī)器人的可行性測(cè)試。使用豬動(dòng)物模型，因?yàn)樗鼈兊男难芟到y(tǒng)在解剖尺寸(脈管系統(tǒng)和心腔)和血液動(dòng)力學(xué)方面與人類非常相似。實(shí)驗(yàn)期間的生命體征監(jiān)測(cè)包括全身血壓(動(dòng)脈導(dǎo)管)、中心靜脈壓(中心靜脈導(dǎo)管)、氧飽和度(脈搏血氧測(cè)定)、核心溫度(直腸溫度計(jì))和心律(心電圖)。這項(xiàng)研究是根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院的動(dòng)物護(hù)理和使用指南進(jìn)行的，并得到了波士頓兒童醫(yī)院動(dòng)物護(hù)理和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)(方案00001887)。所有動(dòng)物都按照《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理和使用指南》接受人道護(hù)理。

雌性約克夏豬(65-70公斤，n= 5)通過肌肉注射給予泰拉唑(4.4毫克/千克)、甲苯噻嗪(2.2毫克/千克)和阿托品(0.04毫克/千克)鎮(zhèn)靜，并置于吸入異氟醚(3%誘導(dǎo)，0.5%-2.0%維持)。將外周靜脈導(dǎo)管插入耳靜脈，以250 cc/h的速度輸注等滲液體。將豬插管并仰臥在手術(shù)臺(tái)上。右股總靜脈中心線(7-Fr三腔；用于監(jiān)測(cè)中心靜脈壓和給藥)和右股總動(dòng)脈導(dǎo)管(9-Fr；用于監(jiān)測(cè)全身血壓),并開始靜脈(IV)輸注利多卡因(25微克/千克/分鐘),以預(yù)防性降低裝置操作期間的心律失常風(fēng)險(xiǎn)，特別是心室纖顫。

通過沿著胸鎖乳突肌前緣的切口在右頸部進(jìn)行切開。通過鈍性和尖銳的解剖暴露右頸外靜脈(EJV ),用血管環(huán)環(huán)繞靜脈的近端和遠(yuǎn)端以建立血管控制。血管通路采用直接針刺法，然后放置導(dǎo)絲，并使用系列血管擴(kuò)張器(12、16和20 Fr)擴(kuò)張靜脈。將帶有閉塞器和充氣閥的24 Fr護(hù)套(GORE DRYSEAL Flex導(dǎo)管鞘，Gore Medical，Newark，DE)穿過導(dǎo)絲并固定到位，在熒光鏡下確定護(hù)套的遠(yuǎn)端在腔室連接處上方4 cm處。靜脈注射肝素(200 u/kg ),目標(biāo)活化凝血時(shí)間超過350 s，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中每30分鐘檢查一次。

或者，如果EJV不能充分?jǐn)U張以允許鞘管插入，則通過從胸骨切跡至劍突的標(biāo)準(zhǔn)中線切口進(jìn)行胸骨切開術(shù)。在用振蕩骨鋸分開胸骨后，放置胸骨牽開器并加寬以提供足夠的暴露。打開心包，從頭臂靜脈匯合處向右心房(RA)暴露上腔靜脈。在近端上腔靜脈放置一個(gè)側(cè)咬式血管夾，然后用4–0聚丙烯縫線將一個(gè)10 mm的滌綸管移植物端側(cè)吻合到上腔靜脈。

4.4體內(nèi)研究程序

這些動(dòng)物試驗(yàn)的目的是:( 1)證明裝置在脈動(dòng)流體工作空間中有效工作的能力;( 2)評(píng)估裝置促進(jìn)CS插管的能力;( 3)通過進(jìn)行雙心室心臟起搏評(píng)估裝置的起搏器導(dǎo)線定位。

為了證明這些目標(biāo)，列舉了幾個(gè)指標(biāo)，包括(1)在成功插入cs之前導(dǎo)絲探測(cè)嘗試的次數(shù)；(2)CS插管時(shí)間，定義為在SVC中穩(wěn)定裝置、使用熒光鏡引導(dǎo)導(dǎo)航至CS口以及使用7 Fr引導(dǎo)導(dǎo)管插入CS所需的時(shí)間長度；(3)造影輔助驗(yàn)證的時(shí)間，定義為CS插管的時(shí)間加上通過造影劑注射確認(rèn)位置所需的額外時(shí)間；以及(4)熒光透視暴露的持續(xù)時(shí)間，定義為從通過已經(jīng)定位的護(hù)套插入軟機(jī)器人平臺(tái)到對(duì)比輔助驗(yàn)證所使用的熒光透視的總持續(xù)時(shí)間。次要目標(biāo)包括建立電捕獲和演示動(dòng)物心室起搏的能力。

由于機(jī)器人的一次性使用性質(zhì)，每個(gè)動(dòng)物研究都制作了新的原型，避免了消毒的需要。通過鞘管或移植管插入柔軟的機(jī)器人裝置，并在熒光鏡引導(dǎo)下向右心房推進(jìn)。穩(wěn)定機(jī)構(gòu)部署在遠(yuǎn)端上腔靜脈，軟機(jī)器人的基座位于右心房內(nèi)。機(jī)器人平臺(tái)的正確初始定位對(duì)于在RA內(nèi)最大化軟機(jī)械手的可操作性是至關(guān)重要的。例如，如果機(jī)器人在SVC中穩(wěn)定得太好，那么操縱器將在成角度的腔室連接處接觸組織。此外，考慮到其曲率半徑，將操縱器的底座進(jìn)一步伸入右心房阻礙了操作者成功進(jìn)行CS插管。進(jìn)行熒光透視靜止幀圖像和血管造影片以確保適當(dāng)?shù)亩ㄎ弧Ｒ坏┐_認(rèn)，該裝置由任天堂Wii Classic控制器操縱，并導(dǎo)向CS口的典型解剖位置(沿著下后房室溝)。一根0.035英寸的導(dǎo)絲穿過機(jī)器人的中央通道。通過機(jī)器人中央通道結(jié)合使用熒光鏡檢查、導(dǎo)線探測(cè)和ioversol對(duì)比劑注射，以促進(jìn)右心房內(nèi)的導(dǎo)航和冠狀動(dòng)脈竇口的識(shí)別。

一旦確定，操縱器的尖端靠近竇口，使用導(dǎo)絲插入CS。一個(gè)7 Fr發(fā)射器引導(dǎo)導(dǎo)管(明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯的美敦力公司)通過機(jī)器人的中央通道放置在導(dǎo)絲上，并推進(jìn)到CS中。移除導(dǎo)線，通過導(dǎo)管注射ioversol對(duì)比劑，確認(rèn)在血管造影下成功插入CS。4 Fr起搏導(dǎo)線穿過導(dǎo)管進(jìn)入CS，用于實(shí)現(xiàn)電捕獲。這完成了實(shí)驗(yàn)，通過放血對(duì)動(dòng)物實(shí)施安樂死。

作為對(duì)照，使用標(biāo)準(zhǔn)9 Fr Worley冠狀竇導(dǎo)管(猶他州南喬丹市Merit Medical公司)作為對(duì)照。同樣，主要指標(biāo)是導(dǎo)絲探針嘗試次數(shù)、cs插管時(shí)間、造影輔助驗(yàn)證時(shí)間和熒光鏡檢查總持續(xù)時(shí)間。在放置用于機(jī)器人部署的24 Fr插入鞘之前，如上所述通過直接針刺將9 Fr CS引導(dǎo)鞘放置在右EJV。在機(jī)器人研究之前，將CS導(dǎo)管鞘插入24 Fr導(dǎo)管鞘預(yù)期位置的正上方，并在遠(yuǎn)端結(jié)扎EJV。在熒光鏡的引導(dǎo)下，CS導(dǎo)管鞘進(jìn)入右心房。熒光鏡檢查、通過CS導(dǎo)管鞘和/或?qū)Ч艿闹醒胪ǖ雷⑸湓煊皠┮约皩?dǎo)線探測(cè)的組合用于在右心房內(nèi)導(dǎo)航和識(shí)別CS竇口。一旦確定后，將CS導(dǎo)管鞘推進(jìn)至竇口附近，使用0.035”導(dǎo)絲插入CS。將7 Fr冠狀動(dòng)脈導(dǎo)管置于導(dǎo)絲上，并推進(jìn)至冠狀動(dòng)脈內(nèi)。移除導(dǎo)絲，通過導(dǎo)管注射造影劑，在血管造影術(shù)下確認(rèn)CS成功插管。

在多次體內(nèi)會(huì)話之間，臨床醫(yī)生進(jìn)行了四次初始CS插管嘗試:一次使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，兩次使用鹽水溶液驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，一次使用造影劑-鹽水混合物驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。后續(xù)插管嘗試的次數(shù)是根據(jù)每次插管的剩余時(shí)間確定的。最終，用標(biāo)準(zhǔn)工具進(jìn)行了五次后續(xù)插管，而用機(jī)器人進(jìn)行了四次后續(xù)插管。試驗(yàn)的順序(即從標(biāo)準(zhǔn)工具還是機(jī)器人開始)是隨機(jī)選擇的，因?yàn)檫@個(gè)順序不會(huì)影響操作員的表現(xiàn)。

感謝

我們感謝T. Shingade、A. Shi和M. Neduncheliyan(波士頓大學(xué))在臨床試驗(yàn)前的組件制造和原型準(zhǔn)備方面所做的不懈努力。我們感謝s·李、陸虎·蓋塔和a·卡梅隆(波士頓大學(xué))對(duì)這項(xiàng)工作的反饋。這項(xiàng)工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所(NIBIB)的支持，獎(jiǎng)勵(lì)R21EB028363。內(nèi)容完全由作者負(fù)責(zé)，并不代表NIH的官方觀點(diǎn)。這項(xiàng)工作還得到了DoE GAANN Award P200A210041和美國國立衛(wèi)生研究院NCATS波斯頓大學(xué)CTSI分校1UL1TR001430的資助。j . r . d . r . l . z . d . h .和T.R .是波士頓大學(xué)提交的一項(xiàng)專利的發(fā)明人，該專利涉及“導(dǎo)管操縱裝置及其用途”。

利益沖突

作者聲明沒有利益沖突。