机器人导管将自主导航带入人体

同心管机器人。在最近的演示中，机器人导管自主地找到了漏洞的心脏瓣膜。资料来源：儿科心生物生物工程实验室，心血管外科，波士顿儿童医院，哈佛医学院

波士顿——波士顿儿童医院的生物工程师表示，他们首次成功地演示了一种能够在体内自主导航的机器人。在一只活猪身上，研究小组设计了一个机器人导管，在没有外科医生指导的情况下，沿着跳动、充满血液的心脏壁找到通向渗漏阀门的路径。他们在报纸上报告了今天的工作科学的机器人。

外科医生使用机器人由操纵杆经营十多年来，团队表明，可以通过磁力等外力通过身体转向微小的机器人。但是，高级调查员Pierre Dupont，Ph.D.主任儿科心脏生物工程在波士顿儿童，对他的知识表示，这是第一个报告相当于导航到身体内部目的地的自动驾驶汽车。

波士顿儿童医院小儿科心脏生物工程主任Pierre Dupont

杜邦说，他设想自动机器人可以协助外科医生进行复杂的手术，减轻医生的疲劳，使医生能够专注于最困难的动作，从而改善手术效果。

“思考这一点的正确方法是通过战斗机飞行员和战斗机的类比，”他说。“战斗机采用了飞机的日常任务，因此飞行员可以专注于使命的更高级别任务。”

触摸导游，由AI通知

该团队的机器人导管导航使用的是杜邦实验室开发的光学触摸传感器，由心脏解剖图和术前扫描图提供信息。触摸传感器使用人工智能和图像处理算法，使导管能够确定它在心脏中的位置，以及它需要去哪里。

对于演示，该团队在高度技术上表现出一种高度技术要求的程序，称为昏垂的主动脉泄漏闭合，其修理已经开始泄漏在边缘周围的替代心脏阀门。（该团队为实验构建了自己的阀门。）一旦机器人导管达到泄漏位置，一旦经验丰富的心外科医生控制并插入插头以关闭泄漏。

在反复试验中，机器人导管成功地导航到心脏阀的泄漏，大致与外科医生相同的时间（使用手动工具或操纵杆控制的机器人）。

生物启发导航

通过一种称为“墙面”的导航技术，机器人导管的光学触摸传感器以规则的间隔采样其环境，昆虫的天线或啮齿动物的晶须样本包装周围环境，以建立不熟悉的黑暗环境的心理图。传感器告诉导管是否触摸血液，心脏壁或阀门（通过尖端式摄像机的图像）以及它的努力压力（使其免于损坏跳动的心脏）。

来自术前成像和机器学习算法的数据有助于导管解释视觉功能。以这种方式，机器人导管自身从心脏的底部提出，沿着左心室的壁和泄漏阀门，直到它到达泄漏的位置。

“该算法帮助导管弄清楚它在触摸的类型的组织中，它在内心，以及它应该如何选择它的下一个动作来获得我们想要的地方，”杜邦解释说。

尽管自主机器人到达漏阀的时间比外科医生要长一些，但它的沿壁技术意味着它走了最长的路径。

“导航时间对所有人的统计上相同，我们认为在血液填充的心脏内部，试图在特定阀门上达到毫米尺度的目标，因此我们认为非常令人印象深刻，”杜邦说。

他补充说，机器人的可视化和感知其环境的能力可以消除对荧光透视成像的需求，这通常用于该操作并使患者暴露于电离辐射。

机器人导管进入内部颈静脉并通过脉管系统进入右心房。资料来源：儿科心脏生物工程实验室

未来的愿景？

杜邦表示，该项目是他职业生涯中最具挑战性的。虽然在机器人发现猪源的动作的心脏外科人员能够放松，但该项目征税，为杜邦的工程研究员征税，他们有时必须在他们完善的技术时重新编程机器人中间操作。

“我记得我们团队的工程师走出或完全筋疲力尽的时代，但我们设法将其拉下来，”杜邦说。“现在我们已经表现出自主导航，更有可能。”

一些了解杜邦研究成果的心脏介入专家设想机器人不仅仅用于导航，比如执行常规的心脏测图任务。一些人设想这种技术可以在特别困难或不寻常的病例中提供指导，或者在世界上缺乏经验丰富的外科医生的地区帮助进行手术。

作为美国食品和药物管理局开始为支持AI的设备开发监管框架，杜邦表示自主手术机器人全世界的人都可以把他们的数据集中起来，随着时间的推移不断改进性能，这就像自动驾驶汽车将数据发回特斯拉，以完善其算法一样。

杜邦表示:“这不仅会创造一个公平的竞争环境，还会提高它。”“世界上每一位临床医生的技能和经验都相当于他们领域里最好的医生。这一直是医疗机器人的希望。Autonomy可能会让我们实现这一目标。”

波士顿儿童医院在龙伍德医疗区。照片由珍娜郎。

关于论文

波士顿儿童医院的Georgios Fagogenis，博士是本文的第一个作者。共阵容是Margherita Mencattelli，博士，Zurab Machaidze，MD，Karl Price，MASC，Viktoria Weixler，MD，Mossab Saeed，MB，BS和John Mayer，MD的波士顿儿童医院;BENOIT ROS，博士，ICUBE，Universite？de strasbourg（法国斯特拉斯堡）;和台北市台北退伍军人普通医院的飞义武，台湾。有关该技术的更多信息，请联系tido@childrenshospital.org.。

该研究由国家卫生研究院（R01HL124020）提供资金，其中ANR / Investissement D'Avenir计划部分支持。杜邦和他的一些同框是由波士顿儿童医院持有的美国专利申请，涵盖了光学成像技术。