研究人员开发出首个用于脑外科手术的可引导导管

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一个由工程师和医生组成的团队开发了一种可引导的导管，这将首次使神经外科医生能够在导航大脑动脉和血管的同时，将设备引导到他们想要的任何方向。该设备的灵感来自大自然，特别是昆虫的腿和鞭毛——允许细菌等微生物游泳的尾巴状结构。

来自加州大学圣地亚哥分校的研究小组在8月18日的《科学》杂志上描述了这一突破科学的机器人．

加州大学圣地亚哥分校未来外科中心成功地在猪身上测试了可引导导管。

在美国，大约每50人中就有一人患有未破裂的颅内动脉瘤——大脑动脉上的一种薄壁、水泡状病变，容易破裂。这类病变影响着全球超过1.6亿人，其中一半人年龄在50岁以下。在动脉瘤破裂的病人中，超过一半的人死亡。一半的幸存者经历了长期残疾。研究表明，四分之一的病例无法进行手术，因为动脉瘤难以触及。

“作为一名神经外科医生，我们面临的挑战之一是将导管引导到大脑微妙而深刻的凹陷处，”加州大学圣地亚哥分校健康中心神经外科主任亚历山大·卡利西博士说。“今天的研究结果证明了一种柔软、易于操控的导管的概念，它将显著提高我们治疗脑动脉瘤和许多其他神经系统疾病的能力，我期待着将这一创新推向患者护理。”

目前动脉瘤手术的技术水平包括神经外科医生将导丝插入腹股沟附近的动脉，将导管穿过主动脉，一直向上进入大脑。外科医生使用弯曲尖端的导丝来引导大脑的动脉和连接处。但这些导丝必须在导管尖端用于治疗之前被移除。

“一旦导丝被取出，导管就会恢复到原来的形状，通常是直的，导致无法进入病理，”杰西卡·温博士说，她在临床医生和工程师之间发挥了重要作用，并与加州大学圣地亚哥分校的未来外科中心协调工作。

因此，将其放置并保持在正确的位置以释放铂线圈来阻止血液流向动脉瘤并防止脑出血是极其困难的。

可引导导管在猪的脑动脉中导航并展开线圈的透视图像。

由于大脑血管太小，神经外科无法使用可引导导管。具体来说，设备的直径必须小于1毫米(大约是几根头发的直径)，长度必须在5英尺(160厘米)左右。工业制造方法在这种规模下举步维艰。部分原因是重力、静电和范德华力在这个尺寸下都是相似的。所以一旦你用镊子夹起某样东西，你就不会让它掉下来。如果你把它从镊子里哄出来，它可能会从相反的力量中跳到空中，然后消失，再也找不到它了。

“不幸的是，我们需要治疗的许多最重要的血管都是人体中最曲折、最脆弱的血管，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院和医学院的教授、该论文的通讯作者詹姆斯·弗兰德(James Friend)说。“尽管机器人技术在解决许多医疗问题方面正在崛起，但这类手术所需的可变形设备根本不存在。”

生物灵感

可引导导管的视图(右)，以及它如何导航大脑血管(插入左侧)。

为了解决这个问题，研究人员从大自然和软机器人中寻求灵感。

“我们的灵感来自鞭毛和昆虫的腿，以及甲虫交配，其中涉及微观水力学和大变形，”戈佩什·蒂尔瓦瓦拉说，他最近在弗兰德的研究小组获得了博士学位，也是这篇论文的第一作者。“这促使我们开发了液压驱动的软机器人微导管。”

计算机模拟和新的制造方法

该团队必须发明一种全新的三维铸造硅胶的方法，通过将不同硬度的同心硅胶层一层一层地沉积在这些尺度上。其结果是在导管内壁上有四个孔的硅橡胶导管，每个孔的直径约为人类头发的一半。

研究小组还进行了计算机模拟，以确定导管的结构;它应该包括多少个孔;这些东西应该放在哪里;以及驱动它所需的液压量。为了引导导管，外科医生压缩一个手持控制器，将盐水注入导管尖端以引导导管。生理盐水用于保护病人;如果该装置失效，生理盐水就会无害地进入血液。导尿管的可引导尖端在x射线上可见。

一种做神经外科的新方法

一种可引导的导管可以让外科医生进行治疗，在这种情况下，铂线圈可以阻止血液流向大脑最深处的动脉瘤。

加州大学圣地亚哥分校健康中心的神经外科医生David Santiago-Dieppa博士说:“当我需要从母动脉的导管位置进行180度转弯时，这项技术是理想的，保持位置和减少突出至关重要。”“这一进步可能最终使我们能够治疗动脉瘤，其他脑部疾病，甚至中风，这是我们过去无法做到的。”

医生们说，这项工作将对动脉瘤手术的实施方式产生重大影响。

“这种类型的精度可以通过可引导的工具来实现，这些工具的成功部署应该推动我们在改善准入、减少程序时间、更好的容量利用率、减少辐射暴露和其他相关和预期的好处方面取得进展，”加州大学圣地亚哥分校卫生放射科主任亚历山大·诺巴什博士说。

接下来的步骤包括统计上显著数量的动物试验，并首先进行人体试验。

这项工作由美国心脏协会、美国-澳大利亚协会基思·默多克爵士奖学金、加州大学圣地亚哥分校医学工程项目、校长卓越研究奖学金和美国国立卫生研究院资助。