Science子刊：机器人做胎儿手术，3.2毫米磁控软镜，活体绵羊实验跑通全流程

“机器人做胎儿手术,这事在羊身上跑通了。

来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)等机构的研究团队,刚刚在国际权威期刊《Science Robotics》上发表了一项新工作:他们做出了一套磁控柔性内窥镜机器人平台,并第一次在活体绵羊模型上,完整验证了它在双胎输血综合征(TTTS)激光手术中的导航和消融能力。

这项研究之所以值得说,是因为它挑的是一块硬骨头——大开放腔体里的微创手术。

01.

为什么这台手术这么难做

先交代背景。双胎输血综合征,是共用一个胎盘的双胞胎之间出现血流失衡的一种致命疾病,影响10%到15%的此类双胎妊娠。目前的金标准治疗方式叫胎儿镜激光凝固术(FLC):医生把胎儿镜通过套管插进子宫,扫描胎盘表面找到连通两个胎儿血液循环的血管吻合支,再用激光把它们一根根烧断。

难点在于,即便是经验丰富的高年资医生在大型中心操刀,双胎存活率也只有约70%,而且大约10%的存活儿童会出现长期神经发育损伤。

问题主要出在器械上。现在临床用的是Karl Storz的一款预弯曲刚性胎儿镜(11508AAK),遇到长在子宫前壁(靠母亲腹侧)的胎盘时特别费劲,视野只能斜着看胎盘表面,血管既看不清也难烧准。一旦血管没烧干净,疾病就可能复发,这也是幸存儿童神经损伤的重要风险因素。

更麻烦的是,子宫、胃、膀胱这类"大开放腔体"里没有肠道那样的管壁来约束和稳定器械,柔性器械反而更难控制;内窥镜视野又特别小,医生只能靠脑子把整个胎盘的血管走向记下来,精神负担极大。

02.

一根3.2毫米的"磁控软管"

研究团队的解法,是一根外径只有3.2毫米的机器人胎儿镜,细到能穿过临床常用的10-Fr套管(这点很重要,套管越粗,临床预后越差)。

它的柔性末端由一串磁体和精密钢制球关节堆叠而成,靠外部电磁导航系统(eMNS)产生的磁场来驱动弯曲,插入深度则由一个机械推进单元控制。透明的镜头里集成了照明光纤、带滤光片的摄像头,以及一条走激光光纤的工作通道。在25 mT磁场下,它最大能弯出173°。

效果上,和传统刚性胎儿镜比,这根软镜在子宫前壁上的可及范围和消融角度都明显更好。医生认为90°是最理想的消融角度,而机器人胎儿镜在91%的前壁位置能达到45°以上,传统器械只有73%;要求70°以上时,两者的覆盖率分别是89%和33%,差距非常大。

控制方式是这套系统的另一个亮点:完全基于图像。它靠视觉伺服,把内窥镜画面里目标点想要的移动方向,映射成磁场的转动,不需要在细小的镜头里再塞额外的定位传感器。而且方法是"无模型"的,不依赖对复杂机器人运动学的建模,所以可以适配不同软硬程度的器械。

团队设计了三种导航策略,对应手术的不同阶段:医生用手柄摇杆直接控制画面移动的手动导航;自动把视野内选中目标移到画面中心的短程自动导航;以及在已生成的图像拼接图上选择当前视野之外目标、再自动导航过去的长程自动导航。

03.

在活体绵羊身上跑通全流程

体外实验之外,真正关键的一步是活体验证。团队用一只怀孕的黑山羊(约50公斤、妊娠90到100天)做了在体实验——绵羊模型在胎盘和新生发育上和人类有相似性,是临床转化前最接近真实的模型。

一位经验丰富的胎儿外科医生先用摇杆手动导航,沿着子宫壁上的血管走行,期望方向和实际估计方向的角度误差中位数为8.6°,系统还把沿途画面实时拼接成了一张全景图。短程自动导航方面,六个目标都被稳稳送到画面中心的两像素误差内,平均耗时3.1秒左右;长程导航则在拼接图上选定五个视野外目标,平均6.31秒到达,且到达精度不受起点与目标距离的影响。

消融环节更能说明机器人的价值。团队先在离体人类胎盘上做了对照:同样的激光功率和时长下,手持的传统胎儿镜复制品对7根血管一根都没能完全烧闭,而固定住激光光纤(模拟机器人保持静止)的方式,7根里烧闭了3根、半闭合2根。原因就是手抖——固定光纤消除了手部震颤,能用更低的激光能量把血管烧断。

活体绵羊实验里,医生完成了点消融和线消融(后者模拟连接已凝固吻合支的Solomon技术)。得益于摄像头上的滤光片,激光工作时血管依然清晰可见,避免了传感器过曝——这正是此前同类研究没能可靠展示消融的卡点。对比手持和机器人两种方式,机器人导航下画面移动速度为16像素/秒,而手持高达90像素/秒,激光烧灼痕迹也更集中。

04.

不止胎儿手术,新手也能上手

为了验证易用性,团队还找来11位参与者(其中一位是有25年内镜经验的胎儿外科医生,其余多为新手)做了对照测试。

结果显示,在模拟凝固单个吻合支的点消融任务里,机器人胎儿镜的消融精度中位数为140微米,而传统器械是621微米;线消融任务里则是302微米对451微米,精度和稳定性都显著更好。代价是机器人在目标之间移动更慢(点消融约20秒 vs 8.5秒)。NASA-TLX量表显示,用机器人时,体力负担、努力程度和挫败感都显著下降,线消融任务里连脑力负担也明显减轻。

同时,这套导航和拼接方法并不局限于胎儿手术。团队用不同尺寸、不同软硬度的磁控内窥镜,在离体猪膀胱和体外人胃模型上,同样验证了膀胱镜和胃镜的手动、自动导航与实时拼接,甚至还能带着活检钳取样。胃镜和膀胱镜面对的正是和FLC类似的难题——大腔体、小视野、靠记忆完成全面扫查。

当然,团队也点出了局限:在体实验里拼接图尺寸有限,长程导航距离受限;未来还需要提升拼接算法对遮挡(比如移动的胎儿)的鲁棒性,并加入可靠的器械定位和实时三维重建。

总的来说,这项工作把磁控柔性机器人、图像导航和实时全景拼接结合在一起,在活体大型哺乳动物模型上完整走通了一台复杂胎儿手术的核心流程,朝着TTTS机器人治疗的临床转化迈出了扎实一步。

论文地址:https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aed1470