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目前，血管异物堵塞的介入治疗大多是应用导丝导管类清除器械，从远端入路至病变部位工作。然而导管进入远端血管通路的安全途径有限，复杂血管或小血管疾病的导管介入治疗仍有挑战，并且医生在手动推进时会存在辐射暴露的风险[1]。而微型机器人可以对难以触及的血管和远端血管进行诊断和治疗干预，具有突出的灵活性、运动多样性和远程可控性[2]，大大提高微创血管内手术和靶向治疗的范围和成功率，被认为是治疗如动脉粥样硬化（即斑块）等血管异物堵塞的手段之一。
然而，受制于有限的微机器人空间结构和复杂的血管环境，在小型化和功能化应用需求下，微型磁控螺旋机器人的本体结构设计及外部磁驱动策略开发等均面临巨大挑战。现有微机器人主要采用内置永磁体的赋磁设计模式，普遍存在体积大、运动模式单一、运动精度较低等问题，实际应用范围和疗效都受到极大限制。
近期，明澈生物科技（苏州）有限公司研发团队与华东理工大学殷瑞雪副教授团队、上海大学张兵副教授团队提出一种微型磁控螺旋机器人一体耦合式设计制造与斑块旋磨闭环控制新策略，赋予了螺旋微机器人导航、钻取、旋磨等功能，为血管斑块的微创旋磨清除提供了全新的解决方案。
2024年4月7日，这一研究成果以“Motion Control of Magnetic-controlled Spiral Microrobots for In-vitro Plaque Removal”为题被机器人领域顶刊《The IEEE Robotics and Automation Letters》接收。上海大学研究生周新钊为第一作者，华东理工大学殷瑞雪副教授为通讯作者，其他主要合作者还包括上海大学张兵副教授，明澈生物科技王克敏博士、任冬妮博士，加拿大工程院院士章文俊教授等人。
机器人结构设计
同时研究团队整体考虑微型机器人的紧凑设计、移动性和安全性。如图1所示，螺旋微型机器人由两端的两个大角度钻头和中间双螺旋的主体组成，该设计减少了旋转过程中的阻力，使微机器人旋转时可以同时实现导航和旋磨功能，并且有多种旋磨方式。在外加旋转磁场驱动下，只需要较小的磁场强度就可以驱动微机器人与磁场保持同频率的旋转。
图1 微型磁控螺旋机器人的结构及运动示意图:(a)微型磁控螺旋机器人的结构及整体磁化状态示意图；(b)倾斜侧身旋磨运动；(c)轴向尖端钻取运动；(d)振荡式轴向侧身旋磨运动。
机器人运动分析
针对部分堵塞斑块的闭环控制
图3 用于去除部分闭塞斑块的闭环微型机器人运动控制示意图。
机器人体外实验验证
●直线测速：在确保微机器人不失步的情况下，逐步提高外部旋转磁场的旋转频率，测得微机器人的行进速度最高可达15mm/s，验证了微机器人优秀的运动能力。
●模型导航运动：根据影像反馈，实时改变外部旋转磁场的场强、频率、方向，控制微机器人在70s内顺利完成了在下肢腿部模型中全程导航，验证了微机器人优秀的多地形导航能力（图4）。
●旋磨斑块功能：在针对半堵塞斑块的闭环控制下，根据微机器人与斑块状态的反馈，按照控制规则，实时调整磁场，最终微机器人以0.75 mm/min的效率，清除效率约为普通开环控制下的两倍，验证了微机器人在清除血管异物方面的优秀性能。
综上所述，本团队提出的一体耦合式设计制造的磁控螺旋微机器人具有优秀的运动性能、导航能力与清除血管异物能力；根据影像反馈，实时调整磁场的闭环控制方式可以更高效、更彻底地清除半堵塞斑块，相关研究成果对于推动磁控螺旋微机器人技术发展和临床应用具有重要意义。
参考来源：
[1]Seyda Gunduz, et al. Robotic Devices for Minimally Invasive Endovascular Interventions: A New Dawn for Interventional Radiology. ADVANCED INTELLIGENT SYSTEMS, 2021.
[2]Shangsong Li, et al. Soft Magnetic Microrobot Doped with Porous Silica for Stability-Enhanced Multimodal Locomotion in a Nonideal Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 8, 10856–10874.
