磁驱螺旋机器人用于血管介入手术的设计与性能分析：提升导丝主动运动及大曲率弯曲能力的研究

　　【编辑推荐】针对传统血管介入术中导丝缺乏自主运动能力、难以在狭窄血管实现高曲率弯曲的难题，本研究设计了一种由前端永磁体-螺旋结构、柔性软体结构和尾部导丝组成的磁驱螺旋机器人。通过建立低雷诺数环境动力学模型和导丝偏转悬臂梁模型，优化了螺旋结构参数与柔性体长度，实验证实该机器人可使导丝弯曲增益达30%，在三维血管模型中导航误差仅0.80 mm，为微创血管介入提供了新方案。

　　

在微创血管介入手术中，传统导丝因刚性限制难以在复杂弯曲的狭窄血管中灵活导航，且依赖外部牵引力被动运动，易导致血管壁损伤。这一瓶颈问题促使研究人员探索新型磁驱机器人技术。近期发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的研究中，国内某研究团队设计了一种具有革命性结构的磁驱螺旋机器人，通过融合螺旋推进原理与柔性变形机制，实现了导丝的主动运动和大曲率弯曲双重突破。

研究采用三轴亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）构建旋转磁场，结合COMSOL Multiphysics仿真分析磁场分布。通过建立低雷诺数（Re）环境下的动力学模型，解析螺旋结构参数（如螺距、直径）与运动速度的关系；基于导丝偏转悬臂梁模型，量化柔性体长度与弯曲性能的关联性。实验系统包含磁驱动装置、高速摄像机和三维血管模型，验证了机器人在流体环境中的运动效能。

空间旋转磁场模型
研究通过正交排列的亥姆霍兹线圈生成均匀磁场，推导出永磁体所受磁扭矩τ→=m→×B→（m为磁矩，B为磁场强度），仿真显示在20 mT场强下能有效驱动直径2 mm的钕铁硼（NdFeB）磁体。

螺旋结构参数优化
动力学实验表明，当螺旋结构螺距为3 mm、直径1.5 mm时，机器人运动速度达峰值1.2 mm/s。流体阻力分析证实该参数组合在低Re环境下（Re<1）推力效率最优。

柔性体长度与导丝偏转
悬臂梁模型揭示柔性体长度与弯曲刚度呈负相关。实验数据显示，柔性体从5 mm增至15 mm时，导丝弯曲增益从12%提升至30%，验证了柔性结构对导丝变形能力的增强作用。

三维血管导航验证
在模拟颈动脉分叉的模型中，机器人携带导丝完成180°锐角转弯，导航误差0.80 mm，显著低于传统导丝的2.5 mm误差。磁扭矩控制使导丝尖端偏转角度精确匹配预设路径。

该研究通过创新性地整合螺旋推进器与柔性连接结构，突破了传统磁驱机器人在导丝协同运动中的技术壁垒。优化的螺旋参数（螺距3 mm/直径1.5 mm）和柔性体长度（15 mm）使系统兼具高效运动与大曲率变形能力。特别值得注意的是，研究中建立的动态模型与悬臂梁理论为类似结构设计提供了普适性方法论。团队提出的"磁驱-柔性耦合"机制，为未来开发兼具主动导航与器械承载功能的血管介入机器人开辟了新路径，其成果对降低血管损伤风险、提高复杂血管病变的介入成功率具有重要临床意义。