软机器人引导下的心脏跳动程序
高级机器人研究
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软机器人引导下的心脏跳动程序
雅各布·罗加金斯基, 多米尼克·雷科, 马尼沙·辛格, 莱昂纳多·萨莫拉·亚涅斯, 格蕾丝·马修斯, 布莱恩·艾尔斯, 爱德华·奥利里, 埃伦·罗氏, 大卫·霍根森, 托马索·兰扎尼
首次发布:2025年3月20日 https://doi.org/10.1002/adrr.202400023
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摘要
介入心脏病学中的微创手术通常使用缺乏远端控制的工具和引入噪声和不确定性的可视化方法来进行。这项工作在心脏再同步治疗的背景下解决了这些并发症，用于治疗某些类型的心力衰竭。我们介绍了一种软机器人，它可以在跳动的心脏内主动引导现有的介入工具。该机器人通过软操纵器提供可控的远端灵活性，并通过支架状的可扩展稳定机构提供被动稳定性。使用这个平台，通常被动的现有工具可以被引导向具有高空间分辨率和稳定性的目标。因此，与单独使用传统设备相比，手术临床医生可以更有条理地探查心脏的内部解剖结构，从而减少手术时间。事实上，来自体外和体内研究的结果显示减少了总的手术时间，减少了来自X射线透视的辐射暴露，并且减少了来自解剖探查的不利影响。五项动物研究进一步证明，解剖探测和目标定位是心脏再同步治疗最耗时的方面，机器人增强的灵活性缓解了这一主要困难。
1导言
在21世纪初，全世界大约有300万人安装了心脏起搏器，每年大约有60万个新装置被植入[1].不到十年后，每年有超过一百万个心脏起搏器被植入2]，仅在美国就有大约20万人[3].起搏器的一种用途是心脏再同步治疗(CRT ),也称为双心室起搏4, 5].CRT用于治疗某些患有充血性心力衰竭的患者，充血性心力衰竭在mathematical equation美国成年人的[6].为了实现心脏再同步，起搏器的传导起搏导线被放置在冠状窦(CS)的分支中，冠状窦是心脏的主要静脉引流系统。CS沿着心脏的房室沟延伸，通向右心房(RA ),使临床医生能够从心脏的低压静脉侧进入7].由于有大量关于其治疗充血性心力衰竭的疗效和安全性的数据，尤其是在特定类型心律失常患者中，该程序是一种常见的一线治疗方法[7, 8].它以微创的方式进行，由介入医生引导导管通过上腔静脉(SVC ),上腔静脉是流入RA的两个主要静脉之一。一旦进入右心房，临床医生使用导向鞘、导管和导线的组合来定位冠状动脉并探测其分支，此时可插入起搏导线。然而，据报道，多达四分之一的患者在导线推进和CS插管方面存在困难，总失败率高达 [9-12–13].
CS引线放置的困难取决于多种因素。具有挑战性的解剖特征，如阻塞性主动脉瓣或位置异常的窦口，会使插管所需的轨迹难以实现[12, 13].解剖差异也存在于病人之间，不同的病人给定工具的效力不同。视频S1说明了心脏的相关解剖和特点，使CS插管的挑战。此外，像引导鞘和血管造影导管这样的传统器械具有固定的尖端曲率，具有最小的远端扭矩控制。因此，用传统工具插管可能很麻烦，大约需要最少几个小时[14].因为介入医生依靠X射线透视来进行工具定位，所以患者和工作人员在此期间会暴露在大量辐射中[15, 16].更大的远端尖端灵活性也可以减少进一步的并发症，如心脏穿孔。
鉴于心力衰竭和心血管疾病的普遍存在，各公司越来越重视机器人辅助解决方案。事实上，自从直觉外科公司在2000年获得FDA对达芬奇系统的批准后，机器人辅助微创外科手术已经成为各种外科领域的目标实践标准17, 18].在心血管领域，机器人平台倾向于用于外周和冠状脉管系统中的导航，或者用于心脏标测和消融[19-21–22].例如，Hansen Medical开发的Sensei和Magellan平台使用腱驱动护套来增加工具的可实现任务空间，同时符合小血管规模。Sensei特别用于心内标测和消融[23]，而Magellan用于外周血管修复，如支架移植和动脉瘤修复[24].与Sensei系统类似，Amigo(导管精密公司)直接驱动电缆驱动的心脏标测导管[25]，而CorPath系统(Corindus Vascular Robotics)用于血管支架和球囊放置[26].Niobe机器人系统(立体定位公司)与其他机器人系统的不同之处在于它使用两个外部永磁体进行驱动。外部驱动允许小型机器人导管具有高度灵活性，从而获得批准用于外周和冠状血管介入以及标测和消融[27, 28].尽管这些系统已经证明是成功的，但是仍然没有商用或其他类型的机器人来完成像CS定位和引线放置这样具有挑战性的任务。
这项工作旨在填补机器人技术的空白，利用由柔性材料制成的机器人的灵活性和安全性29-32–33].软机器人长期以来一直是外科领域的研究主题，尤其是在内窥镜检查领域的应用34-37–38]，神经学[39-42–43]，肺病学[44-46–47]，和心脏病学[48-56–57].在这些列出的作品中，Gopesh等人的研究代表了迄今为止最小的流体致动机器人导管[43].其在外周脉管系统中的体内验证强调了流体驱动的有效性，即使在小规模下。此外，流体驱动的使用使其能够最大限度地减少磁驱动方法所需的昂贵而庞大的外部设备[19, 50]并克服电缆驱动致动中经历的传输损耗和不稳定性[58, 59].由于快速的弹性能量耗散，同心管的驱动同样面临着突然运动形式的不稳定性挑战，特别是当机器人的无支撑长度增加时60].为了克服这些挑战，本文介绍的工作利用了流体软驱动在心血管系统中有效运行的优势。与Gopesh等人的工作不同，我们专注于心内工作空间内的操作，克服与跳动的心脏相关的挑战[61].
作者之前的工作表明，可展开的稳定机构与可折叠的软机械臂相结合，能够在模拟的心脏跳动条件下实现远端灵活性、稳定操作和有效的力传递[61].在这里，我们利用这些初步结果来开发一个用于CS导联放置的软机器人平台，这是一个需要在固有的动态工作空间中稳定操作的过程。该机器人承担传统引导护套的角色，以符合导管插入实验室(导管室)中的现有临床工作流程。然而，与传统的护套不同，该装置对临床医生已经习惯的现有介入工具提供了稳定和主动的控制。这样做，机器人减少了程序时间和X射线透视暴露。
该机器人在体外和体内研究中都得到了验证。体外研究使用了一种混合生物机器人心脏跳动模型，该模型能够精确模拟右侧心脏功能和血液动力学，从而能够进行频繁且方便的临床测试[62].混合生物机器人模型使用从移植的猪组织中取出的化学处理的心内膜支架来复制心脏解剖和生物力学，以提供正确的心内解剖结构。软机器人心肌的添加捕捉了心脏的生物力学运动和功能。然后将其集成到模拟循环流动回路中，以模拟生理血液动力学条件[63].通过利用跳动心脏模型的现实生理模拟，我们在过渡到临床前动物研究之前，在受控和可重复的实验室环境中完善了软机器人的功能和可靠性。然后，我们使用机器人装置和传统导管作为对照，在活体猪模型中进行荧光透视引导下的CS导线放置。这些动物研究使我们能够在其预期环境中使用机器人实现CS导线放置，其主要贡献是减少了手术时间、X射线透视持续时间和不良生理事件。成功的心脏起搏最终通过内置导线实现，且生理压力值在每次手术过程中均得以保持。此外，体内研究突出了机器人适应传统导管室和临床工作流程限制的能力(图1).
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图1
导管插入实验室中的软机器人系统的表示。(a)常规导管插入术实验室设备包括C型臂X射线透视机和可视化屏幕。机器人的驱动硬件包括控制箱和定制注射泵，两者都安装在单个梅奥托盘支架(mathematical equation).(b)与第(a)部分中的表示相对应，驱动硬件(I)位于靠近患者的Mayo托盘上。这使得临床医生可以方便地使用Wii遥控器和切口部位(ii)。穿过房间，X射线荧光透视捕捉(iii)被记录并呈现在屏幕上用于指导。在此处显示的示例图像中，取自图1中的结果7c为了便于演示，冠状窦用红色突出显示。
2个结果
2.1程序和系统概述
本研究介绍了一种用于介入心脏病学经导管手术的机器人，特别关注用于双心室起搏的CS中起搏器导线的放置(图2).在此过程中，介入医生必须结合使用导向导管和导线以及用于视觉反馈的X射线荧光成像来定位CS(参见材料和方法)。CS插管的常用方法是伸缩支撑导管技术，其中9 Fr引导鞘定位CS口，血管造影导管用于对比辅助验证，导丝辅助正确的导线定位14].顾名思义，这些器械同心地安装在另一个器械内，因此，连续较小的器械可以相对于较大的鞘平移和旋转。然而，鞘引导的CS定位阶段可能是该过程中最耗时和辐射最密集的部分[15, 16]，由于导航的挑战和CS口的物理障碍(图2a).这些物理障碍包括突出的主动脉瓣和不同患者之间CS自身的可变位置12, 13].因此，硬的和预成形的引导鞘可能很难遵循CS插管所需的轨迹。我们的机器人(图2b)起到了主动引导鞘的作用，将这些现有的介入工具转变成能够遵循与机器人运动学一致的任何轨迹的机器人致动器械。主动控制的一个关键结果是能够在更短的时间内对CS进行插管，并减少X射线透视的有害辐射，使该操作对患者和临床医生都更安全。
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图2
利用现有介入工具进行软机器人设备操作。(a)机器人装置通过上腔静脉(SVC)输送到右心房(RA ),并导向冠状窦(CS)。到达目标后，它将导丝送入CS。(b)机器人由一个稳定机构和软操纵器以及一个用于部件驱动和进入心脏的用户界面组成。机器人的柔性体长度(长度不按比例)。(c)该装置通过经静脉进入右心房的Fr导管鞘。一旦就位，稳定机构展开，软操纵器的标称直径展开，以利用更大的工作空间。内径衬有Fr管，临床医生可通过该管输送高达血管造影导管。(d)临床医生通过一个带有硅胶止血阀的终端集线器进入机器人的中心通道，该阀门可防止失血。定制的终端集线器还用作稳定机构的鲍登线缆的终端，以及柔性操纵器的流体管道可以通过的路线。
机器人的工具侧(图2c)包括以下内容:(1)将直径达8 Fr的工具引导至CS的三自由度软操纵器，(2)在机器人末端促进工具和操纵器轨迹平行性的工具引导器，以及(3)增加软操纵器操作稳定性的稳定机构。在用户端，设备的终端集线器(图2d)包括(1)硅树脂单向阀，用于防止血液通过机器人的中央工作通道流失，(2)冲洗端口，用于润滑中央工作通道，(3)致动注射器，用于扩张稳定机构，以及(4)流体管道，用于连接软操纵器和其致动硬件。整个装置可通过静脉经24 Fr输送至右心房，或、导管鞘。导引鞘通常放置在外周脉管系统中，以引导器械朝向更中心的脉管或心内目标。在这种情况下，鞘管放置在颈静脉或锁骨下静脉中，终止于上腔静脉。此外，该装置的中央工作通道提供了一个连续的路径，通过该路径将介入工具输送至心内工作区。该通道从用户端的止血阀通向软操纵器的尖端，为临床医生提供了直接进入心脏内部的工具。
该机器人首先在混合生物机器人跳动的心脏中进行测试。验证指标包括机器人部署的血液动力学响应、跳动心脏内过程的清晰内窥镜可视化以及3D机器人运动跟踪。外科住院医生和工程师也进行了用户试验，包括专家和新手机器人操作员。活体动物研究由之前接受过机器人操作培训的外科住院医师、根据荧光捕捉提供指导的专业电生理学家和监督手术过程的专业心脏外科医生进行。这些测试在有和没有机器人的情况下进行，以便与标准介入工具(对照)进行直接比较。验证指标包括利用荧光镜反馈进行操作的能力、成功完成手术的时间、X射线荧光镜检查的持续时间以及心脏起搏的能力。以下小节描述了机器人系统的子组件，随后是生物机器人心脏和活体动物实验。
2.2软机械手设计
我们设计了一个柔软的机器人操纵器来引导起搏导线进入CS。由于本研究中使用的标准引导导管和起搏导线分别为7fr和4 Fr(参见材料和方法),操纵器需要至少9 Fr或3 mm的工作通道直径。操纵器采用2D工艺制造，在该工艺中，热塑性塑料和聚四氟乙烯的交替层受到压力和热量的作用，产生可膨胀的气球状结构[64].在这项研究中，机械手有三个椭圆形流体腔(S1截面)，每个腔中的体积构成一个独立的关节空间变量。随着三个气室不断膨胀，操纵器可以沿两个轴弯曲，并延伸到大约40毫米长(图3a).根据RA的网状CT扫描，SVC到CS的距离约为36 mm，因此40 mm的行程长度足以引导器械朝向CS。总的来说，操纵器的标称外径为15毫米，内径为4毫米。由于其柔软性，它可以向内弯曲，以适合通过24英尺或8毫米的导管鞘将血管输送到心脏。一旦进入心脏，它可以重新膨胀，恢复正常的纵向折叠模式(图3a).
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图3
软机械手设计、运动学和控制。(a)软操纵器设计有一个3 mm或9 Fr的中心通道，以适应各种血管造影导管尺寸。它可以向内收缩至直径小于8 mm，以穿过24 Fr导管鞘。(b)操纵器的中心管道由交替的刚性和柔性部分组成，允许管道跟随操纵器的生长模式。(c)中心管道在2D建模，以实现参数优化。(d)将代表没有内部管道的软操纵器的全部任务空间(蓝色)的实验点云与管道的允许任务空间(黑色)的2D切片进行比较。还显示了半圆(橙色),其半径代表从上腔静脉到冠状窦的平均距离。(e)记录软操纵器对步进控制输入的响应，这里表示为最快的电机速度，以找到理想的致动速度。
通过机器人输送介入工具需要一个连续的中心通道来连接其终端中枢和软机械手的尖端。实现这种连续性需要一个中心通道，它可以与软操纵器平行增长，保持心脏内部的灵活性。我们通过沿柔性热塑性挤压件以预定的增量放置单腔热塑性挤压件的刚性套环来制造这种可延伸的管道(图3b).施加热量和同心压力使两个热塑性挤出物结合，产生一段具有交替的柔性和刚性部分的管(S2部分)。大约0.5 mm的管壁厚度将软操纵器的内径减小至3 mm或9 Fr，这仍足以容纳本研究和标准实践中使用的7–8fr导管。生长中的管可以沿两个轴弯曲，并在长度上延伸和收缩，而不会损害其内径。这种行为使其能够遵循软操纵器的固有运动学(如下节所述),并到达cs进行工具定位。
2.3中心渠道设计优化
在设计生长管时，关键是要确保它允许软机械手到达其任务空间的临床相关部分。因此，推导出一个运动学框架，并用于优化一系列设计参数。CS相对于软机械手任务空间的位置引导优化问题的条件。
增长油管模型基于图1中的图表3c，显示其局部分段运动学。从全球来看mathematical equation帧处分段mathematical equation由以下关系给出。
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mathematical equation是的方向mathematical equation段，mathematical equation是的位置mathematical equation帧处分段mathematical equation，以及mathematical equation是的位置mathematical equation帧处分段mathematical equation。这些由局部运动学变量参数化mathematical equation和mathematical equation，这是从S2部分的几何论点。可以使用这些关系递归计算2D油管的整体尖端姿态，其中mathematical equation给出顶部的位置mathematical equation硬领和mathematical equation给出它的方向。
使用这个运动学模型，我们试图优化一系列的设计参数mathematical equation，在哪里mathematical equation和mathematical equation是柔性部分的边长，mathematical equation是硬领的宽度，和mathematical equation是硬领段的数量。优化问题仅涉及管道延伸至机械手最大行程长度的能力mathematical equation并将可观的量压缩到mathematical equation。下限被选择为给予操纵器的尖端距离CS至少10 mm的空间，以在不接触心脏壁的情况下调整其位置。弯曲不被认为是一个限制，因为从观察来看，各种设计参数组合允许大曲率角度远远超过mathematical equation。相比之下，随着这些设计参数的微小变化，膨胀能力显示出很大的变化。问题是这样设置的。
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这个公式最小化标量值目标函数mathematical equation，它返回从全局原点到尖端的距离mathematical equation硬领。对于设计参数界限，我们采用下限mathematical equation和上限mathematical equation。最后，最大和最小冲程长度fub和f镑作为目标函数的两个非线性不等式约束。目标函数必须返回小于的值mathematical equation当...的时候mathematical equation，以及大于的值mathematical equation当...的时候mathematical equation和mathematical equation等于它们的上限值。MATLAB的fmincon函数与初始设计参数一起使用mathematical equation，它收敛于一个最优解mathematical equation.
这种生长的管道通过软操纵器的中心通道放置，并固定在两端以适应操纵器的生长。软操纵器的基座与设备主中心通道的终端同心对齐，确保介入工具从机器人的用户端无缝到达软操纵器的顶端。
此外，图三维（three dimension的缩写）将管道的运动学表示为2D切片，覆盖在操纵器任务空间的实验导出的点云上，没有增长的管道。通过计算任务空间的界限并将它们包含在平面边界内，直接从油管运动学生成2D切片。通过给三个室充气并使用电磁位置跟踪系统(NDI，奥罗拉)收集空间坐标数据，实验性地确定了机械手在没有生长管道的情况下的任务空间。如管道的2D切片和3D点云之间的重叠所示，集成管道仅减少了接近其基部的操纵器的任务空间，这与临床应用无关。它仍然可以不受阻碍地在本地任务空间的外部自由运行。覆盖在点云上的橙色半圆弧显示了基于右心房网状CT扫描的SVC到CS的距离。因为带位于点云和管道的2D运动学切片内，所以操纵器可以充分地定位和导航到像cs这样的目标。重要的是，修改管道设计参数可以在不重新设计软操纵器的情况下实现各种可实现的任务空间限制，使其有可能推广到多种任务。
2.4软机械手操作
在临床研究中，CS的定位分为粗略移动阶段和精细调整阶段。使用机械手的大动作来定位尖端位移较大的CS的大致区域，同时使用精细的尖端调整来用导丝有系统地探测该区域。这些运动在S2视频的自由空间中得以展示。为了在这些阶段简化机械手的操作，我们使用定制的三注射器-泵系统实现了开环、关节级控制。三台NEMA 17步进电机由任天堂Wii遥控器的用户输入独立驱动，依次，丝杠支架将推拉注射器柱塞来驱动机械手的流体通道。有关相关硬件和电子设备的详细信息可在S3章节中找到。
为响应远程用户输入，每个电机接收一个二进制开关信号，以渐变到恒定速度或从恒定速度渐变mathematical equation。每个电机的加速度设置为值的10倍mathematical equation，因此我们将斜坡周期近似为可以忽略不计。为选择单个值mathematical equation，我们使用阶跃函数控制输入，以各种预定义的电机速度驱动电机。响应控制步骤，我们可以直接测量系统输出mathematical equation关于mathematical equation。这里，mathematical equation是软操纵器尖端的位置，用3D电磁(EM)跟踪探头测量。的标准mathematical equation用于阶跃响应评估(图3e).
使用这些参数，我们寻找单个值mathematical equation这将使软操纵器能够进行快速的粗略驱动以及精细调节。机械手的上升时间首先是在6毫米的阶跃响应下测量的mathematical equation步骤/秒(图3e).我们将机械手的大动作定义为厘米级的尖端运动，微调定义为毫米级的尖端运动。基于临床反馈，总动作(即，mathematical equation用于定位CS一般区域的笔画)应该要求的顺序为mathematical equation。相反，约0.15 s的控制器脉冲会导致微调(即CS探针的约1 mm尖端位移)。基于这些标准，并通过对每一个15 mm步长的电机速度的上升时间进行插值，我们选择了电机速度mathematical equation这是可以在2秒内实现总驱动的最慢电机速度，同时允许从控制器脉冲仅1.2 mm的尖端位移。
2.5稳定机制设计
数字4a说明了稳定机制，其目的是通过改变设备的机械杠杆作用为软机械手提供更高的操作稳定性。该装置的弹性梁允许其以类似支架的方式扩张，并锁定右心房近端的上腔静脉部分。在此过程中，它将装置的支点从外周接入部位移至心内手术位置。镍钛诺被用于构造该机构，因为它能够承受大的变形而不屈服65, 66].此外，它在几年的时间尺度上保持血液相容性的能力远远超过了手术所需的几分钟到几小时的时间尺度67, 68].
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图4
稳定设计参数和光束形状模拟。(a)稳定机构由具有非恒定宽度轮廓的弹性梁组成。(b)为了确定理想的光束侧面宽度，在COMSOL中用四个光束宽度值模拟光束弯曲。为了进行网格细化研究(S4章节),对宽度扩展附近的三个点的应力进行了评估。(c)通过沿横梁的三个点拟合一个圆来计算每个横梁宽度的曲率半径。(d)作为曲率半径和梁厚度的函数，计算相应的最小允许梁宽。(e)对于每个梁宽，显示了将一个梁端平移10 mm所需的力。
该机构的轮廓最初是在5 W紫外激光器上从单层超弹性镍钛诺上切割下来的。在附着到直径为5 mm的3D打印骨架结构(S4切片)之前，将释放的层包裹成圆柱体并热处理以固定其形状。所得到的组件由一组平行的波顿线缆致动。当拉紧线缆时，该机构扩展成外径为22毫米的非实心篮子形状。当释放线缆时，镍钛诺中存储的弹性能量使其恢复到7毫米的标称直径。扩展机构的支架状篮子形状允许其将装置的支点移向软操纵器，而不会阻塞血流。
与铰接设计不同，组成稳定机构的连续弹性梁消除了关节在非预期方向上移动的可能性，这种移动可能导致与脉管系统的点接触和高应力集中(S4部分)。然而，由于弯曲过程中的均匀曲率，梁的弯曲曲率也存在小面积静脉接触的可能性，也增加了应力集中。为了解决这一问题，我们通过增加每个梁中心的宽度、展平中心截面的轮廓来增加静脉接触面积(图4b).这种几何变化增加了中心部分的第二惯性矩，从而增加了抗弯性。
COMSOL用于数值模拟光束形状，以响应一端10 mm的规定位移和另一端的固定边界条件。梁的中心部分设置为3 mm，以符合整体空间限制，模拟扫描每个梁侧面的四个宽度值，mathematical equation。应力和位移在梁宽度扩展的三个点上进行评估:根部点、中点和拱点(图4b).网格细化研究表明，结果收敛于1800–2400个元素的正常网格尺寸(S4剖面)。关于材料模型和几何参数的更多细节可以在材料和方法部分找到。选择这些参数以产生最平坦的中心部分，同时最小化最大曲率区域的应力。
结果如图所示4c–e支持使用中心宽度为3 mm、侧边宽度为1.25 mm的梁。为了使这一设计选择趋于一致，我们首先从每根梁的一端偏移10 mm时的曲率半径开始。通过观察，人们可能会发现中心宽度与侧边宽度之间的比值越大，曲率半径越大(即中心越平)。事实上，我们看到了这种情况，因为模拟显示了曲率半径随着侧面宽度的增加而减小的趋势(图4c).这一结果将使较小的侧面宽度成为最理想的。
然而，在某些载荷条件和几何形状下，梁在弯曲时可能会经历反弹性曲率。这种现象在图1的图形镶嵌中有所说明4d，其中弯曲的梁经历鞍状曲率[69, 70].避免反弹性弯曲在这个设计问题中是至关重要的，因为稳定梁的无意向上弯曲会在脆弱的血管组织上产生大的应力集中。为了避免这种情况，我们研究了抗弹性弯曲的临界梁宽，低于这个宽度时，这种现象就会发生。这种关系是在十九世纪提出的，在给定的载荷条件下，它仅仅是梁厚度和曲率半径的函数:mathematical equation，在哪里mathematical equation是临界波束宽度，mathematical equation是曲率半径，和mathematical equation是厚度[71].数字4d显示的价值mathematical equation10 mm规定位移处的每侧宽度。尽管最小的梁边宽度提供了最有利的曲率半径，但它低于临界梁宽度，因此不予考虑。
最后，我们看到对于较大的梁侧宽度，驱动力有增加的趋势，使得较宽的梁不受欢迎(图4e).在1和1.25 mm这两个中间值之间，较窄的侧宽度产生更理想的曲率半径和致动力。然而，我们在实践中也注意到，在激光切割过程中，较小的特征会因过热而退化。因此，我们选择了1.25 mm的侧边宽度，为平坦的静脉接触提供了中间基础，没有预期的抗弹性弯曲、低致动力和低激光诱导降解。
在移植的猪SVC中评估所得稳定机构为软操纵器提供机械杠杆作用的能力。该机构被展开以支撑SVC，并且Instron机器沿着该机构的主轴线并垂直于其主轴线按压其尖端。在两个方向上超过1 N的力的作用下，稳定机构的尖端仅移动了5mm(S5部分)。在临床场景中，在导航和CS定位期间，流体流动将支配机器人所经受的外力。假设RA中的最大流量为mathematical equation，这相当于一个力mathematical equation，导致机器人位移可以忽略不计。
2.6机器人装配和功能
柔软的机械手被连接到稳定机构的主干顶端，以最小化机器人操作侧的杠杆臂。中心通道、用于软操纵器的流体管道和用于稳定机构的鲍登线缆穿过包括机器人主体的热塑性护套。机器人的身体长60厘米，长到足以穿过33厘米长的导管鞘，短到足以容纳100厘米或更长的导丝和导管(图5a).由于软操纵器中心的管子越来越长，它的底部长度为25毫米(图5b).在三个流体腔室可变充气时，操纵器延伸并弯曲以将工具引导至不同的方向(图5c，d).由于稳定机制在SVC中的部署，操纵器受益于稳定的基础位置，允许其在用导丝探测时将其尖端位置保持在给定位置。
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图5
机器人工具侧的不同操作状态(机械手和稳定)。(a)软操纵器连接在稳定机构脊柱的远端。它的主体有60厘米长，符合标准介入工具的长度。(b)稳定机构展开以支撑硅胶管，同时软操纵器停留在其25 mm的基础长度。(c)操纵器可以引导工具如导丝和引导导管通过其中心通道。(d)机械手还能够mathematical equation弯曲。
2.7体外混合生物机器人心脏跳动研究
介入机器人在离体生物机器人心脏跳动试验台中进行测试(参见材料和方法)。为了开发混合生物机器人测试装置，我们利用化学固定，然后进行去细胞化处理，以保持移植猪心的心脏解剖和组织特性[72].这些心脏的天然心肌被部分替换为柔软的机器人心肌，以在台式电脑上复制其功能。此外，心脏被整合在模拟流动回路中，促进生理血液动力学和组织力学[63, 73].这种设置能够在生理上准确的RA工作空间中进行频繁且可访问的临床测试(图6a).它还允许训练有素和未经训练的机器人操作员进行多用户试验(图6b).
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图6
来自体外混合生物机器人台式模拟器的测试结果。(a)心脏跳动试验台由缠绕在心室周围的软气动致动器驱动，内部可视化由右心房附件中的内窥镜端口实现。(b)在机器人上受过训练的两个用户和四个未受过训练的用户，在他们各自执行冠状窦插管任务三次时被计时。(c)即使机器人部署在心脏中，代表性的右心压力值仍保持在生理范围内。(d)用内窥镜观察手术过程。(e)跟踪机器人末端的3D位置。蓝点是尖端起点，红点代表插管成功后的终点位置。
混合生物机器人心脏为数据收集提供了大量机会，包括右心房、右心室(RV)和肺动脉(PA)的压力值。在体内跟踪这些压力将需要更复杂和侵入性的导管，并且对动物造成创伤的可能性更高，而离体生物机器人心脏允许在整个测试中进行不引人注目的数据收集。数字6c显示了没有机器人时的五次心跳(即基线情况)和机器人部署在心脏内时的五次心跳。从基线情况到装置情况，任何记录的压力都没有明显变化。这表明机器人在展开时不影响生理血流。
离体生物机器人心脏还提供了直接可视化工作空间的能力。我们使用甘油混合物作为工作流体，它模拟血液的粘度，同时保持光学透明。为了能够在机器人操作期间无障碍地观察CS，将内窥镜端口缝合到右心耳(RAA)中。如图所示6d该过程包括三个主要阶段:(1)初始机器人定位，(2)导丝导航，和(3) CS插管。这些阶段中的每一个都如图所示2a也是。
在整个过程中，机器人的3D尖端位置由密封在5 Fr导管中的EM探针跟踪，以使其防水。虽然在体内使用X射线荧光检查会干扰电磁跟踪，但离体生物机器人心脏允许其无限制使用。在两次有代表性的试验中，将一根导丝与电磁探头进行了交换，使我们能够以三维方式可视化机器人的导向(图6e).首先，用户确定与每个关节级控制输入相对应的机器人轨迹。因此，这个阶段对应于机器人轨迹中噪音最大的部分，由图中的黑线表示6e。在主动工具引导阶段，机器人相对于心脏的1 Hz(即60 bpm)频率快速移动，产生曲线的圆圈部分所示的平滑轨迹。一旦EM探针插入CS，其运动与心脏的运动相结合，表现为EM探针的小的、规则的振荡。机器人轨迹跟踪在视频S4中得到了进一步的展示。
我们测试了两个专家用户，他们都受过训练并熟悉机器人及其控制器，以及四个从未使用过机器人的新手用户。每个用户的任务是给CS插管三次。在每次试验之间，用户旋转和平移机器人，以随机调整机械手的基座。插管时间被定义为重新定位机器人和内窥镜确认导丝在CS中的位置之间的持续时间。此外，允许新手用户在自由空间中用软操纵器练习2分钟来学习控制。
专家用户往往比新手用户更快、更稳定，表现在平均插管时间更短、标准偏差更小(图6b).例如，专家2在2004年实现了CS插管mathematical equation在三次试验中，新手3在mathematical equation。然而，所有的使用者都在3.5分钟内完成了CS插管。视频S3中显示了专家2的代表性内窥镜视频。
2.8猪模型中的体内双心室起搏
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图7
代表性结果来自n= 5次体内试验。(a)当机械手用盐水驱动时，在x光透视下无法看到。(b)通过导丝形状的视觉反馈实现冠状窦定位，以及(c)使用对比溶液验证插管。(d)当操纵器被造影剂-盐水混合物驱动时，它在X射线透视下变得可见。(e)当操纵器接近冠状窦时，跟踪操纵器的方向，(f)导致更快的插管，(g)随后进行对比辅助验证。(h)在冠状窦成功插管后，(I)使用起搏导线将心率提高至140 bpm以上。(j)在定位冠状窦时，错误的导丝在心脏传导系统周围戳动，导致短暂的异位搏动。
机器人系统用于在活猪模型中实现心脏的双心室起搏(见材料和方法)。在这一系列的五项体内研究中，机器人通过mathematical equationFr鞘，用稳定装置固定在上腔静脉，并在X射线荧光镜引导下远程操纵至窦口(图7a–g).到达窦口的大致位置后，通过机器人插入一根导丝以实现初始插管(图7b,f).在最初的插管步骤中，机器人辅助方法的主要优点是显而易见的。机器人给介入者提供了保持给定位置的稳定性，同时用导丝探测该位置。如果初始位置不正确(即，导丝没有成功进入CS)，机器人可以在相同的大致区域进行微调，从而实现有条不紊的探测过程。这与传统导管形成对比，传统导管缺乏稳定的基座，并且由于偏转和扭曲而不能在探测阶段保持其位置。因此，这些体内研究的第一个指标是确定CS插管所需的探测次数。考虑到机器人的稳定性，我们预计机器人辅助试验比控制试验需要更少的探针。
将导丝插入冠状动脉后，将血管造影引导导管穿过导丝进行造影剂注射。如果成功，造影剂将在透视下突出CS的自然形状。因此，第二个指标是CS插管和造影辅助验证的总时间(图7c,g).第三个指标是每次试验的X射线透视总持续时间，从装置插入到对比辅助验证。我们期望在机器人的帮助下，插管时间、验证时间和透视暴露时间会减少。
在所有机器人试验中，机器人由之前接受过培训的外科住院医生操作，而专业的电生理学家则提供来自X射线透视的空间反馈。用户保持一致，以隔离机器人辅助相对于传统工具的影响。同样，使用标准介入工具的对照试验也由同一名电生理学家进行，以消除操作员的可变性并隔离机器人对上述三个指标的影响:导丝探针、手术持续时间和荧光透视持续时间。
如图所示7h成功的CS插管术是使用机器人以及采用伸缩支撑导管技术的标准导管实现的(见材料和方法)。机器人试验根据用于驱动机械手的流体进一步划分，如视频S5所示。一组试验使用生理盐水进行驱动，因此在X射线透视下无法看到操纵器，其形状是根据穿过中心通道放置的不透射线的导丝推断出来的(图7a–c).另一组试验使用体积比为40%-60%的碘佛醇造影剂和生理盐水的混合物，使操纵器在X射线透视下直接可见(图7d–g).
在一次机器人辅助试验后，通过导管插入起搏导线以模拟双心室起搏。在图中的图中7I，心率从90–100增加至140–150 BPM，表明在选定的起搏频率下成功放置了导线并成功进行了电捕获。图上的图像标注还显示了程序的生理和起搏部分的代表性ECG轨迹。值得注意的是，导丝与心内膜的意外接触会产生异位搏动(图7j).这些错误的线探针可能会导致医源性损伤，因此减少过度探测的需要是患者的安全问题。
三个主要指标的结果如图所示8用于机器人试验和对照试验之间的直接比较。结果在初始插管尝试之间被分开(图8a–c)和随后的插管尝试(图8d–f).在最初的尝试中，临床医生不知道CS的位置，这是真实临床介入的情况。正因为如此，勘探和探测构成了整个程序的一大部分。事实上，在60分钟的对照试验中，至少需要100根导丝探针(图8a,b)，并且需要超过30分钟的X射线透视检查(图8c).这些控制指标与文献一致，文献指出cs插管可持续数小时，荧光透视暴露约30分钟[14, 15–16].然而，机器人试验显示，所有指标都有显著下降。当只用生理盐水驱动时，机器人平均需要mathematical equation导丝探针(图8a)，在仅持续22分钟和8分钟的透视曝光试验期间(图8b,c).造影剂激活被证明特别有益，在到达CS之前只需要四次线探针尝试，整个过程仅用时8分钟多一点，X射线曝光时间为3.5分钟(图8a–c).在这种情况下，机器人使有害X射线的使用时间减少了近十分之一，其他两项指标也有类似幅度的改善。
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图8
初始(a–c)和后续(d–f)插管尝试期间的体内研究结果。(a)在冠状窦插管术的最初尝试中，使用标准设备的对照试验比机器人试验需要更多的导线探测尝试，这增加了医源性创伤(如组织穿孔)的可能性。(b)控制试验也比机器人试验持续更长时间，其中“机器人+对比”试验需要的时间最少。(c)与标准控制相比，两种类型的机器人试验需要较少的X射线荧光透视使用。(d)在随后的插管尝试中，一旦目标位置已知，对照试验比机器人试验需要更多的导线探测尝试。(e)总的来说,“机器人+对照”试验是最短的，但是机器人和对照之间的总持续时间没有显著变化。(f)“机器人+对比”试验需要最少的荧光透视曝光，但机器人和对照之间的持续时间没有显著变化。
随后的尝试包括在首次尝试后进行的试验，没有从心脏中取出机器人或导管。重要的是，这让临床医生对CS的位置有了大致的了解。尽管有这些先验知识，对照试验仍然需要mathematical equation和mathematical equation导丝探针尝试，除了一个真正的统计异常试验需要三个(图8d).相比之下，在所有机器人试验中，无论是用盐水还是用造影剂驱动，都只有三个或更少的探针。然而，手术和荧光镜检查的总持续时间在所有后续尝试中变得相等，无论它们是由机器人导管还是标准导管执行。对照试验平均持续5分钟，相比之下mathematical equation盐水驱动的机器人最少4分钟，对比驱动的机器人最少4分钟(图8e).对照试验平均需要大约3分钟的荧光透视暴露，而盐水驱动的机器人平均需要大约4分钟，对比驱动的机器人平均需要大约2分钟(图8f).总的来说，稀释对比染料激活允许在最短的时间和最短的荧光透视曝光时间内进行后续尝试试验(图8e，f)，但不是一个可观的数量。
这些结果表明CS插管的主要困难是CS的初始位置。一旦CS被定位，就像在随后的插管试验中的情况一样，机器人辅助程序具有与使用标准设备的对照试验相似的持续时间。然而，机器人确实将初始和后续尝试中所需的导丝探针数量减少了一到两个数量级，从而降低了医源性创伤的可能性。在最初的插管尝试中，机器人通过以下方式缩短了插管时间mathematical equation和荧光透视曝光的持续时间mathematical equation。该初始插管数据比随后的插管更恰当地反映了真实的临床情况，因为临床医生在手术开始之前不知道CS的位置。通过为临床实践中常规使用的仪器提供稳定的定位，而不是引入新的仪器，机器人增强了现有的方法，这通过更短的程序和荧光镜检查持续时间以及减少的探针尝试次数得以证明。
3个结论
在这项工作中，一个柔软的机器人被用来完成人体最困难的工作空间之一的手术，即跳动的心脏。这种软机器人专为复杂的引导任务(如CS导联放置)而设计，利用了柔顺机构和软材料的优势，在动态环境中实现了灵巧而稳定的操作。通过容纳高达8 Fr的介入器械，机器人进一步与现有的临床工作流程集成，或mathematical equation直径。软操纵器的中心通道由定制管道组成，可以模仿其自然生长模式，而不会损害9 Fr，或mathematical equation，直径。该操纵器连接到柔性镍钛诺稳定机构的尖端，该机构从mathematical equation到结束mathematical equation直径。稳定机构可以支撑在靠近目标位置的SVC部分上，允许机械手仅通过几毫米的基座位移就能承受牛顿级的负载。在机器人的用户端，一个带有单向硅胶阀的终端集线器使操作者能够进入机器人的中心通道，以便插入工具。使用用户界面的标准组件，如硅胶止血阀、工作通道的冲洗端口和稳定机构的注射器驱动，进一步提高了临床医生对装置的熟悉程度。此外，定制的三注射泵系统用于控制机械手，并通过单一电机速度实现粗略运动和精细调节。注射泵硬件安装在单个Mayo托盘支架上，在导管室中占据最小空间。
一项体外研究介绍了一种混合生物机器人台式测试装置，专门用于捕捉类风湿性关节炎的血液动力学。在这里，一种透明的血液模拟物被用于允许机器人在生理条件下的直接可视化。除了能够看到跳动的心脏内部之外，这项研究还允许在接近RA的位置进行连续的压力监测，表明机器人的部署没有引起异常压力。这是一个重要的安全考虑，因为静脉阻塞会导致血液停滞和上游压力增加，从而增加血栓的风险74].此外，受过训练和没有受过训练的用户都能够在几分钟内完成CS插管。这是一个与随后在体内进行的插管试验相似的时间尺度，支持了这样的结论:当尝试插管时，最初的CS定位是主要的困难。
该机器人随后在猪模型上的五项体内研究中进行了测试，在操作过程中使用X射线荧光镜检查进行位置反馈。这些研究与标准导丝和引导导管进行了直接比较，显示了提高效率和安全性的总体趋势。在最初的插管尝试中，与标准介入设备相比，机器人完成手术所需的时间更短，X射线透视曝光更少。有害辐射使用量的这种数量级减少使得该过程对于患者和在x光机附近工作的临床医生来说都更加安全。在最初和随后的插管尝试中，机器人也比对照试验需要更少的导丝探测尝试。这在图中得到了证明7j心脏传导系统附近的错误导线探针会导致导管诱发的异位，表现为心率跳增。通过减少CS插管所需的探针数量，也可以降低医源性损伤的风险。相比之下，在控制试验期间，更多的探测尝试表明CS定位阶段的位置不确定性。
最后，动物研究提供了使临床医生难以放置起搏器导线的因素。通过将最初的插管与随后的尝试分开，我们发现解剖意识对操作和透视持续时间以及探查尝试的次数有显著影响。也就是说，使用标准设备和机器人大约同时需要CS插管，但是仅在定位CS后。然而，在最初的插管尝试中，如果没有这种解剖意识，标准设备在所有指标上都表现较差。相比之下，机器人提供了位置稳定性和空间分辨率，改善了所有指标，即使没有最初的解剖意识。
虽然这项工作在五项动物研究和一项混合生物机器人心脏跳动研究中证明了安全性和效率增加的趋势，但未来的工作将集中在广泛的体内研究上。由具有不同专业水平的临床医生进行的进一步试验可能揭示这些结果如何受到电生理学家和机器人操作员的技能水平的影响。专门的多用户研究也将有助于确定操作员的可变性是否可能由训练影响之外的其他因素引起。此外，即使机器人部署时间很短，在血流中插入外来设备也会带来血栓形成的风险。未来的试验可能会寻求减轻机器人任何可能发生血液停滞的部位周围形成血凝块的可能性。对于稳定机制，额外的表面处理可能就足够了[75]，而对于软操纵器，可以考虑用光滑的塑料套管覆盖波纹管。另一个研究方向是最大限度地利用机器人在不同程序之间可以重复使用的部件。目前，机器人的一次性使用性质意味着在研究之间丢弃所有组件，这与大多数介入工具一致[76].取而代之的是，通过使软操纵器模块化和可拆卸，从稳定到用户端的一切都可以用化学消毒剂和高压灭菌器消毒77, 78].通过这种方式，制造成本仅为100美元的软机械手[64]，将是唯一的一次性部件，导致在低资源环境和大医院中的潜在采用。此外，具有不同运动学的软机械手甚至可以在操作过程中互换，从而能够针对一系列解剖学差异进行现场定制。鉴于镍钛诺的高抗疲劳性，最坏的情况是mathematical equation循环将仍然允许机器人的其余部分持续数百个程序[79].此外，机器人目前安装在24 Fr或8 mm的导管鞘中。未来的研究途径将继续缩小机器人的直径，最终目标是18Fr或6 mm的兼容性。为了实现这一点，较小的流体腔室将有效地减小操纵器的“壁厚”。以前的工作以具有10和5毫米直径腔室的机械手为特色[61, 64]，而这个作品缩小到4毫米直径，其他作品进一步缩小到3毫米[44].此外，减小中央声道的尺寸mathematical equation到mathematical equation弗雷德甚至mathematical equationFr将进一步允许相当的小型化，尽管以机器人可以引导的临床工具为代价。到达mathematical equationFr将允许机器人从不同的进入点进入心脏，开辟了一条新的可能解决的程序。
我们的心脏内介入软机器人方法代表了向安全、有效和精确治疗心力衰竭迈进了一步。主动操作和局部稳定的使用使得在心脏仍在跳动时能够进行复杂的治疗。我们设想这项技术不仅可以扩展到介入手术，还可以扩展到传统上需要心肺旁路的手术。如果机器人可以在心脏手术中避免旁路手术，它有可能使手术更加有效和安全，显著减少外科医生的疲劳并改善患者的预后。
4材料和方法
4.1稳定机制数值模型
使用在COMSOL中进行的有限元模拟，评估稳定机构的几何参数，这将最终决定机构的设计(图4a).模拟单个梁而不是整个稳定机构，从而可以更快地模拟和分析梁在固定位移下的弯曲。梁的几何形状像一个反向的狗骨，较宽的中心区域两侧是较窄的侧部(图4b).在Fusion 360 (Autodesk，Inc .)中模拟了这种光束的四种变型，每种变型具有3 mm宽的中心区域，材料厚度为mathematical equation，总长度为mathematical equation。横梁仅在侧面宽度上有所不同:mathematical equation。此外，初始几何扰动被添加到每个模型，以使其偏向屈曲状态，并促进模拟收敛。在这种扰动中使用了统一的曲率，使得每个梁的中心被扰动的值等于梁厚度的一半。
每个模拟都是使用COMSOL的3D固体力学模块建立的静态研究。因为梁在低应变下会发生大变形，所以考虑了几何非线性。作为大变形假设的结果，梁几何图形对模拟结果的影响最大，而不是材料。因此，使用1095弹簧钢作为材料近似值，其值如下:密度为mathematical equation泊松比为0.29，杨氏模量为210 GPa。梁的一端被置于固定约束下，而相对面在压缩方向上被给予10 mm的规定位移。对于这种位移，最初定义了1 cm的全局位移参数。在研究中，辅助扫描扩展与一系列mathematical equation，这对应于在100步内从0到10 mm的扫描。根据从初步网格细化研究(S4部分)中获得的数据，在沿几何图形的12个不同点上观察到冯米塞斯应力，正常分辨率的网格被认为是足够的。正常分辨率网格包含1800–2400个域元素，具体取决于所研究的几何形状，使求解器在3分钟内收敛。
从每个模拟中收集的数据包括压缩方向和屈曲方向的位移，以及von Mises应力。在12个点和全10 mm位移下评估每个度量。还记录了位移端的合力。在MATLAB中对结果进行分析和比较，以确定四种梁侧宽度中哪一种在弯曲过程中产生最平坦的中心区域，具有最低的应力集中和最低的合力(图4c–e).
4.2带有模拟循环流动回路的生物机器人心脏模型
清洗移植的猪心，用10%福尔马林溶液固定，并用mathematical equation磷酸盐缓冲盐水。使用公开的方法，这些固定的心脏被用于制造生物机器人混合心脏[72, 73, 80].这一过程包括化学处理心内膜结构，以匹配天然组织特性，并部分移除天然心肌，然后用专门为每个心脏设计的合成软机器人心肌替换。
柔软的机器人心肌由放置在硅树脂基质(Ecoflex 00-35 Fast)中的六到八块气动人造肌肉组成，肌肉的确切数量和方向由计算建模确定[62, 63].使用定制的粘合剂将软致动器基质附着到心内膜组织上[81]沿着右心室自由壁和室间隔，最终实现心脏右侧壁的生理运动。循环流动回路单独模拟了Windkessel效应，使用定制的丙烯酸室模拟静脉和肺血管的顺应性，使用球阀(McMaster-Carr，4796K71)模拟肺血管的阻力。生物机器人心脏和流动回路与定制控制箱连接并以60 bpm的频率启动62, 63].可以对致动速度、血管阻力和血管顺应性进行调整，以实现期望的右侧血液动力学范围，这是基于在健康人类受试者中典型观察到的值[82, 83].
一种光学透明的血液模拟物被用作循环回路中的工作流体。该流体由以下成分组成mathematical equation去离子水中的丙二醇，产生的动态粘度为mathematical equation。压力传感器(PRESS-S-000，PendoTECH)放置在RA、RV和PA处，包括机器人的上游和下游位置。一个超声波流量传感器(ME 13 PXN，跨音速)放置在PA处，以记录下游流量。内窥镜摄像机(1080P HD，NIDAGE)以30 fps的速度记录视频，以可视化心房内部。
软机器人通过上腔静脉(SVC)插入到生物机器人心脏跳动模型中。一个Y型连接器被集成到流动回路中，一侧允许流体通过SVC流入心脏，而另一侧用于机器人插入。末端连接了一个定制的适配器，以确保柔软机器人周围的流体密封。
4.3体内研究设置
利用体内平台来执行介入机器人的可行性测试。使用猪动物模型，因为它们的心血管系统在解剖尺寸(脉管系统和心腔)和血液动力学方面与人类非常相似。实验期间的生命体征监测包括全身血压(动脉导管)、中心静脉压(中心静脉导管)、氧饱和度(脉搏血氧测定)、核心温度(直肠温度计)和心律(心电图)。这项研究是根据美国国立卫生研究院的动物护理和使用指南进行的，并得到了波士顿儿童医院动物护理和使用委员会的批准(方案00001887)。所有动物都按照《实验动物护理和使用指南》接受人道护理。
雌性约克夏猪(65-70公斤，n= 5)通过肌肉注射给予泰拉唑(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)镇静，并置于吸入异氟醚(3%诱导，0.5%-2.0%维持)。将外周静脉导管插入耳静脉，以250 cc/h的速度输注等渗液体。将猪插管并仰卧在手术台上。右股总静脉中心线(7-Fr三腔；用于监测中心静脉压和给药)和右股总动脉导管(9-Fr；用于监测全身血压),并开始静脉(IV)输注利多卡因(25微克/千克/分钟),以预防性降低装置操作期间的心律失常风险，特别是心室纤颤。
通过沿着胸锁乳突肌前缘的切口在右颈部进行切开。通过钝性和尖锐的解剖暴露右颈外静脉(EJV ),用血管环环绕静脉的近端和远端以建立血管控制。血管通路采用直接针刺法，然后放置导丝，并使用系列血管扩张器(12、16和20 Fr)扩张静脉。将带有闭塞器和充气阀的24 Fr护套(GORE DRYSEAL Flex导管鞘，Gore Medical，Newark，DE)穿过导丝并固定到位，在荧光镜下确定护套的远端在腔室连接处上方4 cm处。静脉注射肝素(200 u/kg ),目标活化凝血时间超过350 s，在整个实验过程中每30分钟检查一次。
或者，如果EJV不能充分扩张以允许鞘管插入，则通过从胸骨切迹至剑突的标准中线切口进行胸骨切开术。在用振荡骨锯分开胸骨后，放置胸骨牵开器并加宽以提供足够的暴露。打开心包，从头臂静脉汇合处向右心房(RA)暴露上腔静脉。在近端上腔静脉放置一个侧咬式血管夹，然后用4–0聚丙烯缝线将一个10 mm的涤纶管移植物端侧吻合到上腔静脉。
4.4体内研究程序
这些动物试验的目的是:( 1)证明装置在脉动流体工作空间中有效工作的能力;( 2)评估装置促进CS插管的能力;( 3)通过进行双心室心脏起搏评估装置的起搏器导线定位。
为了证明这些目标，列举了几个指标，包括(1)在成功插入cs之前导丝探测尝试的次数；(2)CS插管时间，定义为在SVC中稳定装置、使用荧光镜引导导航至CS口以及使用7 Fr引导导管插入CS所需的时间长度；(3)造影辅助验证的时间，定义为CS插管的时间加上通过造影剂注射确认位置所需的额外时间；以及(4)荧光透视暴露的持续时间，定义为从通过已经定位的护套插入软机器人平台到对比辅助验证所使用的荧光透视的总持续时间。次要目标包括建立电捕获和演示动物心室起搏的能力。
由于机器人的一次性使用性质，每个动物研究都制作了新的原型，避免了消毒的需要。通过鞘管或移植管插入柔软的机器人装置，并在荧光镜引导下向右心房推进。稳定机构部署在远端上腔静脉，软机器人的基座位于右心房内。机器人平台的正确初始定位对于在RA内最大化软机械手的可操作性是至关重要的。例如，如果机器人在SVC中稳定得太好，那么操纵器将在成角度的腔室连接处接触组织。此外，考虑到其曲率半径，将操纵器的底座进一步伸入右心房阻碍了操作者成功进行CS插管。进行荧光透视静止帧图像和血管造影片以确保适当的定位。一旦确认，该装置由任天堂Wii Classic控制器操纵，并导向CS口的典型解剖位置(沿着下后房室沟)。一根0.035英寸的导丝穿过机器人的中央通道。通过机器人中央通道结合使用荧光镜检查、导线探测和ioversol对比剂注射，以促进右心房内的导航和冠状动脉窦口的识别。
一旦确定，操纵器的尖端靠近窦口，使用导丝插入CS。一个7 Fr发射器引导导管(明尼苏达州明尼阿波利斯的美敦力公司)通过机器人的中央通道放置在导丝上，并推进到CS中。移除导线，通过导管注射ioversol对比剂，确认在血管造影下成功插入CS。4 Fr起搏导线穿过导管进入CS，用于实现电捕获。这完成了实验，通过放血对动物实施安乐死。
作为对照，使用标准9 Fr Worley冠状窦导管(犹他州南乔丹市Merit Medical公司)作为对照。同样，主要指标是导丝探针尝试次数、cs插管时间、造影辅助验证时间和荧光镜检查总持续时间。在放置用于机器人部署的24 Fr插入鞘之前，如上所述通过直接针刺将9 Fr CS引导鞘放置在右EJV。在机器人研究之前，将CS导管鞘插入24 Fr导管鞘预期位置的正上方，并在远端结扎EJV。在荧光镜的引导下，CS导管鞘进入右心房。荧光镜检查、通过CS导管鞘和/或导管的中央通道注射造影剂以及导线探测的组合用于在右心房内导航和识别CS窦口。一旦确定后，将CS导管鞘推进至窦口附近，使用0.035”导丝插入CS。将7 Fr冠状动脉导管置于导丝上，并推进至冠状动脉内。移除导丝，通过导管注射造影剂，在血管造影术下确认CS成功插管。
在多次体内会话之间，临床医生进行了四次初始CS插管尝试:一次使用标准设备，两次使用盐水溶液驱动的机器人，一次使用造影剂-盐水混合物驱动的机器人。后续插管尝试的次数是根据每次插管的剩余时间确定的。最终，用标准工具进行了五次后续插管，而用机器人进行了四次后续插管。试验的顺序(即从标准工具还是机器人开始)是随机选择的，因为这个顺序不会影响操作员的表现。
感谢
我们感谢T. Shingade、A. Shi和M. Neduncheliyan(波士顿大学)在临床试验前的组件制造和原型准备方面所做的不懈努力。我们感谢s·李、陆虎·盖塔和a·卡梅隆(波士顿大学)对这项工作的反馈。这项工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)的国家生物医学成像和生物工程研究所(NIBIB)的支持，奖励R21EB028363。内容完全由作者负责，并不代表NIH的官方观点。这项工作还得到了DoE GAANN Award P200A210041和美国国立卫生研究院NCATS波斯顿大学CTSI分校1UL1TR001430的资助。j . r . d . r . l . z . d . h .和T.R .是波士顿大学提交的一项专利的发明人，该专利涉及“导管操纵装置及其用途”。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
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