本研究由澳门大学机电工程系的Zhengyang Li、Junan Li、Zehao Wu、Yuanhe Chen、Magejiang Yeerbulati及通讯作者Qingsong Xu共同完成，论文发表于《IEEE Transactions on Robotics》第40卷（2024年），第2306至2324页。该研究得到了国家自然科学基金、澳门科学技术发展基金及澳门大学研究基金的支持。研究团队提出了一种名为“同心变刚度磁控机器人导管”（homocentric variable-stiffness magnetic robotic catheter, HVS-MRC）的新型介入器械，并为其设计了多臂机器人辅助的层级控制框架，旨在实现无辐射的机器人超声辅助冠状动脉介入手术。
论文首先介绍了研究背景。经皮冠状动脉介入治疗（percutaneous coronary intervention, PCI）目前是治疗症状性冠状动脉疾病的主要手段，涉及动脉血栓栓塞事件（arterial thromboembolic events, ATE）和深静脉血栓（deep vein thrombosis, DVT）。传统PCI依赖医生手动操控导管，在长达300毫米以上的血管路径中导航，对操作技能要求极高。现有的缆驱机器人导管存在迟滞、尺寸大、控制复杂等缺陷。磁控机器人导管（magnetic robotic catheterization, MRC）利用嵌入的永磁体或磁性材料替代缆驱结构，避免了迟滞和回差问题，但其刚度和直径通常固定，难以适应冠状动脉的复杂解剖变异。同心管机器人（concentric-tube robots, CTRs）虽能通过伸缩预弯管实现变刚度，但预弯金属管刚度过高，易损伤脆弱血管。因此，该研究的目标是结合CTR的伸缩结构与软材料磁控导管，开发一种同时具备变刚度和变直径能力的磁控导管系统，并在多臂机器人协同控制下实现辐射自由的超声引导PCI。
在系统设计与建模部分，研究团队设计了由三根同心管组成的HVS-MRC。导管外径分别为0.8毫米（镍钛合金导丝）、1.8毫米和3.5毫米（聚二甲基硅氧烷管）。每根管的远端集成轴向磁化的内嵌永磁体，在外部磁场作用下产生弯曲。通过控制各管的插入长度，可改变导管整体刚度，实现“软模式”（soft mode）和“硬模式”（stiff mode）。多臂机器人辅助系统包括三个模块：外部移动磁模块（external mobile magnetic module, EMMM）安装于UR5e机械臂末端，提供外部磁场；体外移动超声模块（extracorporeal mobile ultrasound module, EMUM）安装于UR3e机械臂末端，搭载L型超声探头用于术中追踪；磁导管介入模块（magnetic catheter intervention module, MCIM）同样安装于UR3e机械臂末端，负责导管的伸缩推进。基于欧拉-伯努利梁理论，研究建立了HVS-MRC的运动学模型。导管远端倾斜角θc和垂直挠度γc通过磁力矩和弯矩刚度关系计算。变刚度矩阵kv表示不同管组合（A-A、B-B、C-C截面）下的弯曲刚度。边界条件区分了软模式与硬模式下的最大挠角和位移限制，并通过COMSOL有限元仿真验证。
在血管内磁导航控制方面，研究建立了外永磁体（external permanent magnet, EPM）与内端磁体（internal tip magnet, ITM）的相互作用模型。磁场由圆柱磁体的多极展开计算，磁力和磁矩通过偶极子模型得到。为了实现多血管分支选择，研究提出了一种导航策略：通过最小化导管偏转角θi与血管分支角φv之间的误差来确定各管伸缩长度；EPM的位置通过解析公式调整，以实现所需偏转。有限元仿真结果显示，不同磁化方向可产生吸引态与排斥态两种偏转模式。术前规划针对四种典型血管病变场景分别制定：髂外动脉（external iliac artery, EIA）管径约8毫米且弯曲小，适合管#2配合导丝硬模式；肠系膜上动脉（superior mesenteric artery, SMA）分支角约90°且管径小于4毫米，需伸缩出管#1；头臂动脉（brachiocephalic artery, BCA）分支复杂且弯曲超过90°，管#1为合适选择；升主动脉（ascending aorta, AA）弯曲接近160°，需软模式下管#1伸缩以改变曲率原点。
层级相对控制框架是多臂系统同步的核心。研究将EMMM和EMUM视为双臂机器人，通过相对雅可比矩阵（relative Jacobian）建立两臂末端速度与关节速度的关系。EMUM被设为参考臂（主导臂），EMMM为工具臂（从属臂），但在分支选择阶段两者角色互换。超声追踪采用平面内（in-plane）视觉伺服方法：利用B模式超声图像中导管尖端和血管边界的灰度强度特征作为视觉特征，通过超声成像雅可比矩阵将图像变化映射到探头运动。为了保持探头与患者组织的稳定接触，研究引入了阻抗控制器，目标接触力约为2.5牛。整个干预过程分为四个阶段：初始追踪、前向推进、分支选择和重新定位追踪。控制器的层级根据各阶段需求动态切换主导臂。系统整体控制架构包含三个内环：EMMM的磁矩控制环、EMUM的超声视觉/力反馈控制环以及MCIM的导管伸缩控制环。相对动力学方程中的自适应滑模项用于消除扰动。
实验验证包括多个层次。在三维顺序环组导航实验中，HVS-MRC在11个内径5毫米的环中连续通过同心、上升和下降三种排列，10次试验平均转向时间为84.6秒，定位误差未报告错失转向。变刚度测试通过六轴力/扭矩传感器测量不同管长组合下的力-挠度关系，结果表明最大刚度为0.42牛/毫米，最小刚度为0.03牛/毫米，理论与实验平均误差小于0.02牛。在人体尺寸冠状动脉仿体实验中，HVS-MRC与均匀刚度直径磁导管（USD-MRC）及手动操控进行了比较。在EIA场景中，HVS-MRC平均旅行时间为22.0±1.2秒，显著快于其他两种方法；在SMA场景中，只有HVS-MRC能够成功到达目标，因其他方法在多次碰撞后无法完成窄支选择；在BCA场景中，HVS-MRC尖端平均追踪误差为1.38±0.52毫米；在AA场景中，HVS-MRC卡滞次数最少，为3.3±1.2次。在超声引导实验中使用软明胶-琼脂拟人仿体，HVS-MRC在层级控制器下实现了从EIA到BCA的自主导航。初始追踪时间为12.4±2.3秒，超声扫描平均速度为6.50±0.65毫米/秒，目标丢失率为15.8%，接触力稳定在2.50±1.02牛。EMMM和EMUM在笛卡尔空间的追踪误差分别为位置0.53毫米/姿态0.38弧度以及位置0.68毫米/姿态0.57弧度。
研究结论表明，HVS-MRC通过三根同心管的伸缩运动实现了可变刚度和可变曲率，相比传统均匀刚度磁导管在复杂多血管环境中具有更高的操控精度和更少的血管壁接触。多臂机器人辅助系统在层级相对控制下能够同步磁驱动、超声追踪和导管推进，实现无辐射闭环导航。该研究的科学价值在于将同心管机器人的变刚度原理与软磁控导管结合，建立了基于欧拉-伯努利理论的运动学模型和基于相对雅可比矩阵的多臂层级控制方法。应用价值在于为PCI提供了一种减少辐射暴露、提高导航精度和降低血管损伤风险的潜在技术方案。论文的核心亮点包括：首次提出并验证了面向冠状动脉介入的同心变刚度磁控导管；开发了基于平面内超声视觉伺服和阻抗控制的术中追踪方法；通过术前规划策略解决了多血管分支选择和大曲率弯曲问题；在人体尺寸仿体中完成了系统级实验验证，证明了其在无辐射自主超声引导冠状动脉介入操作中的应用潜力。