亞毫米磁控微導管技術用于提升血管內介入可達性和治療效率

血管內介入治療如取栓和藥物遞送需要高精度的柔性導管工具，但現有方法難以在復雜血管環境下實現快速、安全、有效的導航，容易導致介入失敗或預后不良。因此，開發具有高級操控能力、柔軟且微型化的導管成為研究熱點（Sci. Robot.9,eadh0298，2024，Sci. Robot.4,eaax7329，2019.）。磁控技術為血管內介入微導管提供了非接觸式、靈活操控的可能性，能夠借助磁場實現多自由度控制和穩定控制，有助于提高介入手術的成功率和安全性。

近期，香港中文大學機械與自動化工程學系張立教授團隊與香港理工大學楊立冬助理教授聯合香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系腦神經科助理教授葉耀明醫生、香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系利國偉腦神經學教授及腦神經科主任梁慧康教授開發了一款高靈活性、具有多種治療功能集成的亞毫米級磁控微導管，用于主動導航到狹窄曲折的血管區域并提高疾病的治療效率，從而推動血管內介入的高效性與微創化發展，為臨床復雜血管疾病的治療提供新方案。相關研究成果以 “A magnetically actuated microcatheter with soft rotatable tip for enhanced endovascular access and treatment efficiency”為題發表于國際著名期刊《Science Advances》。

圖1.亞毫米級磁控微導管的設計原理和功能示意圖

本文提出的亞毫米磁控軟質機器人導管（MSRM）的高可達性和多功能整合得益于磁控可旋轉頭部的設計。如圖1所示，MSRM集成了螺旋形彈性套筒和微型永磁體，直徑僅800微米，尺寸接近神經血管導絲，能夠主動導航進入細小血管。性能方面，微導管具備出色的旋轉驅動能力，旋轉磁場下尖端能有效產生推動和吸引流體的“泵送效應”，遞送效率可達常規藥物遞送方法的10倍，顯著提升導管的局部藥物輸送能力。此外，通過控制旋轉方向，微導管可實現血栓機械破碎及碎片吸引回收，提升血栓清除的效果和安全性。導航性能上，旋轉輔助使其能夠順利通過多個銳角血管分支，避免了傳統靜態磁場引導下導管的彎曲和卡頓問題，導航速度提高約50%以上。

旋轉輔助主動轉向策略能夠顯著提升微導管在復雜血管環境中的導航性能。通過施加旋轉磁場，微導管能夠有效釋放尖端接觸血管壁時產生的摩擦力，避免了傳統方向磁場導航中常見的尖端卡頓、導管受力積累及彎曲壓潰等問題。實驗結果顯示，該方法能將微導管的可達工作空間擴大最多50%，極大地提升了穿越狹窄分支和急轉彎的能力。此外，在1：1人腦血管模型中，旋轉輔助轉向策略能夠提高轉彎效率2倍以上。與傳統的手動旋轉導管或者靜態磁場驅動相比，旋轉輔助導航所需的插入力顯著降低，減少了血管壁損傷風險。長距離導航實驗進一步驗證了該策略能維持微導管在遠端血管區域的可操控性和旋轉能力，實現了近300毫米的連續復雜血管路徑的導航。綜上，旋轉輔助主動轉向不僅提升了微導管的導航效率和可達范圍，還有效降低了操作難度和風險，為臨床微創介入治療中的精準導引提供了強有力的技術支持

圖2.主動轉向策略的原理與實驗驗證

MSRM在醫療功能設計方面具備多重創新，旨在提升血管介入治療的效率與安全性。通過結合旋轉機械作用與局部藥物釋放，實現高效的血栓治療效果。體外實驗顯示，結合溶栓藥物和機械作用的治療速度比單純使用溶栓藥物快約三倍，顯著提升治療效率。此外，機械摩擦速率對血栓清除效果具有明確促進作用且對不同硬度，不同長度的血栓的清除效率均表現出良顯著提升。此外，該方法能夠有效降低溶栓藥物劑量，顯著降低傳統溶栓治療的出血風險。治療過程通過結合機械及藥物手段，不僅提高了藥物在局部的濃度和作用效率，還加快了清除速度，表現出優于傳統導管定向溶栓和系統性用藥的優異性能。

3. MSRM螺旋形頭部流體與治療功能設計與仿真結果。

MSRM的可達性增強和血栓處理效果在活體動物試驗中的到了驗證。實驗中，微導管成功穿梭于兔股動脈至腎動脈的復雜血管路徑，實現精確定位目標區域。旋轉輔助導航使插入過程更順暢，減少導管體張力和操作時間，避免了傳統靜態磁場下的導管彎曲和堵塞現象。在血栓清除過程中，微導管配合局部低劑量溶栓劑，利用5 Hz旋轉磁場作用15分鐘內實現血栓完全溶解，血管腔道恢復通暢。術后影像確認血栓已消失，無明顯血管狹窄或殘留血栓碎片。流體注入測試亦驗證血管管腔恢復。整體治療過程顯示出高效、快速、無創的血栓清除效果，相較傳統方法顯著縮短治療時間，降低并發癥風險。此外，導管導航和治療的重復性良好，顯示出穩定性和臨床轉化潛力。

圖4.活體動物實驗的設計示意圖和驗證結果

總結而言，本文提出了一種具備軟質可旋轉末端的磁控微導管，旨在提升血管內介入的可達性和治療效率。該微導管通過旋轉輔助自主轉向，顯著改善了在狹窄彎曲血管中的導航能力。實驗證明其在體外腦血管模型和活體動物中表現出優異的操控性和導航能力，有望推動磁控微型醫療機器人的發展與臨床應用。

這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創新科技署（ITC）、中大天石機器人研究所、中大-中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統聯合實驗室、創新香港研發平臺（InnoHK）的醫療機器人創新技術中心（MRC）的支持。該工作得到新加坡南洋理工大學沈祖堯教授、中國科學技術大學王柳教授的大力合作和幫助。

香港中文大學機械與自動化系博士后張沫艽博士為論文第一作者，香港理工大學楊立冬助理教授，香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系腦神經科助理教授葉耀明醫生、香港中文大學醫學院內科及藥物治療學系利國偉腦神經學教授及腦神經科主任梁慧康教授和香港中文大學機械與自動化系張立教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv1682