港中文-张立团队︱ACS Nano：多普勒超声引导下血流环境中螺旋形机器人的自动化实时导航及加速溶栓

本文由通讯作者-张立教授，第一作者-王乾乾博士供稿，由衷感他们对科匠文化-学术编辑部的支持！

一、研究背景：

无线驱动的小尺度机器人在微创手术、靶向递送、生物传感以及靶向治疗等方面展现出令人瞩目的应用前景，近年来吸引了大量科研人员的关注。目前，大部分小尺度机器人的应用场景限制在静态或者低流速环境中，这主要是因为流体产生的阻力会干扰甚至破坏机器人的运动能力，进而产生无效的、不可控的运动状态，影响微机器人的可控性及靶向递送任务的效率。在生物环境中应用小尺度机器人对定位方法也提出了挑战。在多种成像方法中，超声成像具有实时性好、不引入放射源等特点，适用于为机器人系统提供实时的位置信息。然而，B-mode超声所产生的低信噪比图像不利于小尺度机器人在生物环境中的识别及定位。因此，构建一种医学成像引导下的自动化递送方案是实现小尺度机器人在动态生物环境中应用的重点。

二、文章简介：

基于以上科学问题，香港中文大学张立教授团队的王乾乾博士、杜星洲博士、金东东博士提出了一种多普勒超声引导下螺旋形机器人在血流复杂环境中的自动化导航方案，并实现了血栓定位、加速溶栓效率的生物医学应用探究。相关成果已在ACS Nano上发表。

三、研究内容：

论文提出一种基于磁力-磁力矩融合控制的方法。该方法在产生旋转磁场的同时（磁力矩控制），通过优化计算，能够在所需要的方向产生磁场梯度（磁力控制）。该磁力-磁力矩融合控制方案增强了螺旋形机器人在血流中的驱动能力，且该方案的有效性在血流环境、脉动流环境中的得到了验证。

图1. 螺旋形机器人在血流环境中的磁控。

论文提出了一种基于多普勒超声的小尺度机器人间接定位方案。螺旋形机器人在磁驱动时会对周围血流及红细胞产生扰动，该扰动可通过多普勒超声进行探测。通过对超声图像中多普勒颜色区域的图像处理可实现机器人的实时定位。

图2. 机器人诱导的多普勒信号的仿真分析及实验验证。

通过整合基于多普勒信号的环境重构算法、轨迹规划算法、丢失-找回算法，该工作实现了在分支、血流环境中的机器人的自动化导航和路径选择。其中，导航模式包括逆流而上和顺流而下两种模式，血流环境包括连续流动及脉动流两种血管系统中常见的流动模式。实验结果验证了多普勒超声引导下的自动化导航方案的可行性，机器人在不同环境、不同驱动模式下均展示出了优秀的可控能力、路径选择能力和实时定位能力。

图3. 机器人在类血管系统中的自动化导航及实时定位。

在应用层面，采用该自动化导航方案，通过检测机器人的运动状态及动态多普勒信号对类血管环境中的血栓进行了实时的定位及监测。在溶栓药物（tPA）的辅助下，机器人所产生的强对流和剪切力加速了物质交换和血液-血栓界面的物质转移，提高了溶栓速率。

图4. 多普勒信号引导的血栓定位及加速溶栓。

四、总结与展望：

本文提出了一种多普勒超声引导下在血流中对磁性小尺度机器人进行自动化导航的方案，该方案在类血管环境中得以验证，并在定位血栓、加速溶栓中展示出了优秀的应用前景。该工作为小尺度机器人在动态生物环境中的应用提供了一种全新的方案，有望推动面上生物医学应用的小尺度机器人系统的进一步发展。

五、致谢：

论文感谢香港研究资助局（JLFS/E-402/18），香港创新科技署（MRP/036/18X），裘槎基金会（CAS20403），香港中文大学内部基金，以及Multiscale Medical Robotics Center 对于本项目的资助。

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Authors: Qianqian Wang†, Xingzhou Du†, Dongdong Jin, and Li Zhang*

Title: Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow

Published in: ACS Nano, doi: 10.1021/acsnano.1c07830.

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