——波士顿大学团队的设备为更安全、更有效地替代心脏停跳手术^[1]开辟了道路

它是世界头号杀手。据世界卫生组织统计，每年有近1800万人死于心血管疾病。其中包括心律失常、瓣膜病、冠心病和心力衰竭。

这些病症中的大多数都需要进行风险很大的开胸手术，包括暂时停止心脏的跳动。作为一种替代方案，微创手术具有一定的前景，但有几个关键的挑战使得外科医生在进行微创手术时更加困难，而且效果也较差。

Tommaso Ranzani助理教授（ME、BME、MSE）实验室的博士生Jacob Rogatinsky说：“我们正试图使用软机器人技术来缓解这些挑战。”

Ranzani和Rogatinsky开发了一种毫米级多功能软机器人，它克服了一直阻碍微创心脏手术的三个障碍。他们最近在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究成果（该杂志在封面上介绍了这一设备），论文共同作者还有来自波士顿大学Chobanian&Avedisian医学院和波士顿儿童医院的同事。Rogatinsky是第一作者。

在微创手术中，外科医生会在离心脏一定距离的地方（例如在大腿的股静脉）开一个切口，然后将一根只有几毫米粗的长导管穿过血管到达心脏。“把它想象成一根软软的泳池面条^[2]，你把它捅进血管并扭来扭去。这很笨拙。”Rogatinsky说。

一旦进入相对更宽敞的心脏，有了更多的工作空间，这种微小的尺寸并不能使工具非常坚固。此外，在微创手术中心脏仍在跳动。Rogatinsky说：“心壁在移动，血液在不停地流动。心脏内部很难保持稳定。”

最后，外科医生试图从另一端操纵导管的顶端（例如修复瓣膜或输送支架），这有点像拿着铅笔的橡皮擦试图写出清晰的字。Rogatinsky说：“设备越长，力的传递就越弱。你无法像握住设备[靠近尖端]的位置那样灵巧。”

历时三年，在儿童医院和Chobanian&Aredisian医学院的临床医生和心血管外科医生的反复反馈下，Ranzani实验室的工程师们开发出了一种更好的系统。他们在导管上进行了两项重要改进：一个是软体机器人操纵器，它能引导手术器械安全、精确地到达目标部位；另一个是稳定机制，它能将器械固定在进入心脏的位置。总之，这些创新使外科医生能够在心脏像往常一样输送血液的同时，以所需的力量和灵活性进行远程操作。

Tommaso Ranzani说：“它可以挤进一个非常小的包装中，然后安置在心脏内部，因此你可以获得更大的机器人的好处，它具有更大的更大力度和更高的可达性，但不会影响通过一个非常小的入口进入心脏。”

整个系统可折叠、可扩展。从外科医生的角度来看，新设备的操作方式与现有器械非常相似。

该团队在体外和体内试验中，成功地在两种不同类型的心脏手术（起搏器导联置入术和三尖瓣修复术）中演示了该设备，目前他们正着手在活体动物模型中进行几轮测试。

这项工作结合了材料、制造、机器人、电子和生物医学工程。Ranzani说：“软机器人技术本身就是一个非常多学科交叉的新兴领域。我们必须同时关注许多方面，才能完成这项工作。”

最终，Ranzani和Rogatinsky希望他们的设备将使目前缺乏机器人辅助手术设备的医院也能使用机器人辅助手术。Ranzani说：“这是一种非常廉价的系统。我们很有兴趣将其作为一种低成本但有效的替代方案，为那些无法使用波士顿所有一流设施的农村地区和国家服务。”

注：

[1] heart-stopping surgery，心脏停跳手术，冠状动脉搭桥术时，需要从患者身上其他部位取下一段正常血管，一端与升主动脉相连，另一端与冠状动脉狭窄部位远侧相连，从而把主动脉血桥接到冠脉远端。手术过程中，医生会在患者胸部切开一个大口子，让心脏暂时停止跳动。同时借助体外循环设备，维持人体血液循环。这类手术即为心脏停跳手术。更多信息可参考 “Coronary Artery Bypass Graft Surgery”  和 《暫時停止心跳 – 體外循環的實現》 以及 《专家讲科普：冠心病的外科治疗——非体外循环心脏跳动下冠脉搭桥术》 。

[2] pool noodle，泳池面条，是一种聚乙烯泡沫的中空圆柱漂浮体，可以任意折叠、组合、变形，用来在代替游泳圈帮助人或物品漂浮在水面，但比游泳圈使用时更加灵活。更多信息可参考《第915期：如果你不会游泳，又不好意思用游泳圈》 。

BMEN202312020003
来源：Boston University College of Engineering
标题：This Soft Robot Might Save Millions of Lives