可控导管是指通过操作者或致动器驱动的机构来操纵的导管。用于微创手术的可控导管已迅速成为一个丰富多样的研究领域。在过去十年中，可控导管的设计、应用和分析方面取得了许多重要成果。本文旨在概述可控导管的研究现状。根据驱动原理，可控导管主要分为四类：（1）肌腱驱动导管，（2）磁导航导管，（3）软材料驱动导管（形状记忆效应导管、可控针、同心管、导电聚合物驱动导管和液压驱动导管）和（4）混合驱动导管。本文对每种驱动导管的优点和局限性进行了评论和讨论。并总结了未来的研究方向。

东莞市富临塑胶原料有限公司为介入医疗客户提供高品质PET薄壁热缩管与PI编织管。

一、简介

微创手术 (MIS) 利用影像引导程序来诊断和治疗几乎所有器官系统的疾病，MIS 在过去二十年中彻底改变了外科手术。通过最大限度地减少对患者的物理创伤，MIS 可以大大降低感染率和恢复时间，还可以缩短患者的住院时间。MIS 中使用的一种常用工具，特别是在介入放射学中，是导管，它是一种细长而柔韧的管子或导线。导管插入血管系统、胃肠道和气道进行诊断和治疗。目前，大多数 MIS 程序都是使用所谓的可偏转或传统导管手动进行的。这种导管的运动范围和灵活性有限，很大程度上依赖于操作员的技能和经验来操纵导管尖端以稳定的方式到达目标部位并与之互动。路径和目标部位的解剖结构复杂，接触力信息缺乏，导致导管操作在灵活性、安全性和稳定性方面存在一定困难（不适当地导致操作失败）。

可操纵导管是指由操作员或执行器（即自动）驱动的机构操纵的导管。因此，可操纵导管比传统导管具有许多优势。可操纵导管远端尖端的偏转更易于控制，并且具有远程控制的可能性。图 1 显示了带有控制单元的典型可操纵导管，其中导管远端尖端可以通过一对肌腱偏转。通过将可操纵导管与传统导管进行比较，可操纵导管的主要优点是提高了对复杂解剖结构的可及性，提高了导管在操作中的稳定性，从而减少了透视时间，从而降低了患者和医生的总辐射暴露量。

图 1. Bard Stinger 消融导管及其控制单元 (a) 带控制单元的导管；(b) 导管远端；(c) 控制单元内部。

在过去十年中，可控导管技术取得了长足进步。可控导管和机器人导管（即更先进的可控导管）的商业产品已经面世，例如 Polaris XTM 可控诊断导管、Artisan Extend 控制导管和 Niobe 磁导航系统。许多微创临床应用受益于可控导管，包括心脏手术、血管手术、动脉瘤手术、神经外科、关节镜检查和宫内胎儿手术等。值得注意的是，可控导管的每种应用都受到不同的约束，但每种应用都发挥着相同的功能。约束和功能的概念在工程设计研究界被广泛讨论，因此被称为。

可操纵导管可以看作是一种超冗余机器人或操纵器，与所谓的连续操纵器不同。连续操纵器是指由弹性材料制成的连续弯曲操纵器，它不包含任何与一般功能（即运动和力）的刚性连接。请注意，实现运动和力传递的装置称为机构。医疗器械中连续操纵器的一个例子是结肠镜。连续操纵器与超冗余机器人相似但不同，前者不包含任何刚性连接，而后者包含刚性连接（即工程中更一般意义上的混合机构或系统）。因此，连续操纵器本质上是柔顺的和清晰的。连续操纵器的详细信息可参考评论文章。

可控导管需要满足以下要求：（1）导管的直径由于其工作环境而受到严格限制，例如血管系统、胃肠道、气道或人造通道（例如，内窥镜的内部通道）；（2）导管需要具有高度的灵活性，以便到达“通道”中任何复杂的目标部位；（3）导管需要具有适当的刚度以抵抗来自通道的力（导管的刚度高可能引起伤害，而导管的刚度低可能无法很好地执行力兼容任务，因为导管尖端稳定性不足）；（4）导管的材料需要具有生物相容性（在机械、热和生化方面）和可灭菌；（5）如果导管用于磁共振成像（MRI）环境中，则需要具有磁兼容性；（7）导管的安全性和成本是两个重要的设计限制(8) 导管应直观且易于操作。

本文对可控导管进行了综述，目的是找出可控导管的现状与需求之间的差距。该综述与研究人员的综述有以下几个不同之处：(1) 他们综述中的应用范围仅涵盖心脏病学，而我们的综述假设其应用范围很广；(2) 他们用来对可控导管进行分类的标准是尖端力的产生方式，这使得他们将可控导管分为两类，即直接力产生和间接力产生，而我们的综述侧重于可控导管的工作或驱动原理。

本文的其余部分组织如下。第 2 节介绍了可控导管及其基于其驱动机制或原理的分类。第 3 节从导管的安全性、成本、性能和尺寸方面对不同类型的可控导管进行了比较。第四部分最后给出了结论，并讨论了可控导管未来的研究挑战。

二、可控导管的分类

可控导管有多种分类方式。例如，可控导管可根据驱动原理或驱动原理分为肌腱驱动导管、磁导航导管、软材料驱动导管和混合驱动导管。根据执行器所在的节数，可控导管可分为单节和多节。根据工作空间，可控导管可分为平面和空间。值得注意的是，导管也可以根据其预期的医疗应用进行分类，特别是以其直径、长度、尖端形状、亲水涂层、有无管腔以及扭矩/刚度为特征。所选可控导管的详细信息见表 1。本文主要介绍基于驱动原理的可控导管分类。

表 1. 文献中一些典型可控导管的比较。

2.1. 肌腱驱动导管

最流行的驱动原理之一是使用一组拮抗肌腱来控制可控导管远端尖端的方向（图 2）。大多数此类可控导管都有一个支撑肌腱的柔性主干。主干由多种材料制成，例如弹簧、弹性管和编织聚合物管，并使用激光加工的开槽图案制造。在这些材料中，经常使用超弹性材料镍钛诺（NiTi）合金。肌腱沿主干等间距放置，肌腱的结构使主干的形状近似为圆弧。导管近端的肌腱由驱动单元控制，驱动单元进一步由操作员控制（图 2）。

图 2. 肌腱驱动可控导管结构示意图。（红色箭头表示肌腱的运动和远端部分的偏转）

2.1.1. 单节

单节肌腱驱动导管可以有一到四个肌腱。图 3显示了操纵器中肌腱的位置。最简单的肌腱驱动导管由一个主干和一到两个肌腱组成，例如波士顿科学公司的Polaris XTM可控诊断导管（单肌腱）和SteeroCath-Dx 双向可控诊断导管（一对肌腱）。类似的可控导管设计可以在 中找到。

图 3. 肌腱驱动导管中肌腱的位置和数量。(a) 导管由一根肌腱驱动，示例见 ；(b) 导管由一对呈 180° 放置的肌腱驱动，示例见 ；(c) 导管由三根相隔 120° 放置的肌腱驱动，示例见 ；(d) 导管由四根正交间隔的肌腱驱动。

对于用于肿瘤诊断和射频消融 (RFA) 等应用的可操纵导管，导管系统中没有中央开放管腔（即内部通道）。而对于其他应用，导管内部有一个管腔。报道了一种具有大开放管腔的肌腱驱动套管，用于去除初次全髋关节置换术中髋臼壳后面形成的骨溶解（图 4，左）。它有一个外径为 5.99 毫米、内径为 5 毫米的镍钛合金管作为主干，被切割成许多互锁的槽。两个通道沿轴向穿过主干的外壁，间隔 180°。两根驱动电缆穿过通道以弯曲远端尖端。报道了一种导管原型，该导管由四个关节肌腱和一个柔性聚四氟乙烯主干组成（图 4，右）。肌腱包裹在聚酯网套中，以将控制线固定在导管体上。导管由连续机器人机电系统驱动，该系统由四个伺服电机组成，用于独立控制每个肌腱，以及一个线性致动器，用于控制导管的插入。

图 4. 具有开放管腔的可操纵导管。（左图：由两个肌腱驱动且管腔开放的套管。右图：由四个肌腱驱动且管腔开放的导管。

一种先进且可商用的肌腱驱动可控导管是 Hansen Medical Inc. 生产的用于心脏手术的 Sensei X 机器人导管系统，该导管是一种机电主/从系统，可远程控制可控导引导管在心脏内的定位。导管由三个组件组成：医生工作站、远程导管操纵器和可控导引导管（Artisan 延伸控制导管）。导管远端有两个力传感器，用于将力信息传递给医生。可控导管由研究人员开发。它是用于心血管手术的直径为 3.8 毫米的导管。导管的横截面图如图 5 所示。它有一个超弹性 NiTi 脊柱作为导管内部关节的中心骨干。导管由四条等距肌腱控制，这些肌腱大致位于聚酰亚胺护套内的周边，以降低摩擦力。肌腱由不锈钢扁丝编织物固定。导管的内径和外径衬有医用层压塑料。四条肌腱分别由四台带编码器反馈的直流电机控制。

图 5. 肌腱驱动的可控导管的横截面图。

上述肌腱驱动的可控导管具有一个完整的主干，其刚度可以在手术过程中整体改变。而具有多个串联主干的可控导管（称为离散导管）可以单独改变其刚度，这可以方便改变远端尖端的刚度。在离散导管中，主干段通过关节连接，例如球形关节（图 6，图 7）。图 6显示了研究人员开发的用于微创心脏手术的高度铰接机器人探头（HARP）。它由两个同心管组成。两个管均由刚性圆柱形连杆组成，球形关节可旋转15°范围，导管中有四根电缆：三根用于外管（相距120°），一根用于内管。值得注意的是，远端尖端的方向和刚度都可以通过电缆控制。当电缆放松时，管子会变得柔软，反之亦然。图 7 显示了研究人员开发的用于宫内胎儿手术的直径为 2.4 毫米的弯曲操纵器，该操纵器带有中央插入的激光光纤（直径为 0.7 毫米）。操纵器的远端尖端由一系列由四根导线控制的圆柱形部件和一系列由一根光纤控制的球体组成，见图 7（右）。整个操纵器基于模块化设计；特别是一个模块包括一个圆柱形部件和一个球体部件。模块的数量可以根据中央插入工具的刚度进行更改。四根导线由两个超声电机控制（图 7）。

图 6. 具有离散主干的可操纵导管（左：整个可操纵导管系统；右：主干的一个片段）。

图 7. 研究人员开发的弯曲激光操纵器（左：操纵器原型；右：弯曲机制）。

多骨架可控导管的设计目的在于消除间隙、增强可缩减性、提高有效载荷。这种可控导管通常由多个平行的弹性杆或管组成。例如，图 8显示了一个可控导管，它有一个主骨架和两个次骨架；两个次骨架起控制偏转的作用。徐和司马安报道了一种用于微创手术的单节连续机器人。它有四个超弹性NiTi管作为骨架。一个主骨架位于中心位置，连接到底盘和端盘。三个相同的次骨架彼此等距，用作驱动肌腱。每个次骨架由驱动杆以推拉方式驱动。

图 8. 多骨架可控导管结构示意图。

2.1.2. 多节

为了提供足够数量的自由度 (DOF) 或足够大的工作空间，可操纵导管被设计为具有多个节（因为每个节用作一个链接，并且两个相邻链接之间的连接使链接之间有更大的相对运动自由度）。每个节都由一组肌腱操纵。远端节的肌腱数量可能与近端节的肌腱数量不同。对于多节肌腱驱动导管，节的连接方式（或称为节耦合）对于导管的灵活性和整体尺寸至关重要。通常，节耦合有两种方式：共置和分布式（图 9）。在节的共置耦合中，近端节的肌腱与远端节的肌腱共享相同的路径；示例可以在 中找到。在节的分布式耦合中，每个节的肌腱都有其独立的路径；示例可以在 中找到。共置式节段耦合器可能使导管直径更小，而分布式节段耦合器与共置式节段耦合器相比具有更大的灵活性。

图 9. 节段耦合器（左：共置式；右：分布式）。

研究人员设计了一种导管，该导管由两节铰接式导管组成，每节有两根肌腱，从远端到近端呈对立排列，节间耦合方式为分布式。研究人员设计了一种两节式导管，每节由四根正交的肌腱控制，节间耦合方式为分布式。研究人员设计了一种用于微创手术的三节多骨干连续机器人，每节结构与单节多骨干连续机器人相同，节间耦合方式为共置式，近端和中间节的骨干为同心NiTi管，远端节的骨干为NiTi梁，穿过中间节的骨干管。

肌腱驱动导管结构简单，易于远程操控。由于驱动原理，该结构相对笨重，限制了小尺寸导管（特别是多段导管）的使用，肌腱与导槽之间的摩擦以及肌腱关节的间隙使得导管的控制变得困难。

2.2. 磁导航导管

在磁导航技术中，带有磁性远端尖端的导管在患者体内被操纵。在患者的两侧放置几个大磁铁，这会在患者周围产生磁场。医生可以控制磁场的分布，使患者体内的导管远端尖端偏转到所需的方向。

磁导航导管的商用产品包括 Niobe ES 磁导航系统（Stereotaxis 2016）和导管引导、控制和成像-Maxwell（CGCI）（Magnetecs 2016）。Niobe ES 磁导航系统旨在使复杂心律失常的治疗安全有效（图 10）。该系统有两个永磁体来产生均匀的磁场（0.08 T）。导管远端嵌入一个与磁场相互作用的小永磁体。通过调整两个永磁体的相对位置来控制磁场强度。导管的插入或缩回由导管操纵器控制。操作员根据用户界面系统的图像反馈，通过操纵杆或鼠标全自动操纵导管。根据临床反馈，该系统被证明是一种治疗室上性和室性心律失常的安全有效的工具。远程磁导航的主要优点是减少了透视时间和并发症。然而，缺点是增加了总手术时间。

图 10. Niobe ES 磁导航系统。

除了永磁体产生的磁场外，电磁铁也能产生磁场。Stereotaxia公司早期设计了一种与Niobe ES磁导航系统类似的磁导航系统，名为Telstar，其中磁场由三个正交电磁铁产生。通过产生所需的磁场矢量来实现导管的定向导航。研究人员了用于心脏手术的CGCI系统。该系统由八个线圈芯电磁铁组成，在标准透视台上半球形排列在胸部周围。在Niobe磁导航系统中，它们可以在导管远端尖端产生约15 cm³的3D区域，最大均匀磁场强度为0.14 T，最大垂直力为25 g。磁场的大小和方向的精度大大提高，可以实现导管尖端的近乎实时的控制。研究人员开发了一种导管系统，通过磁扭矩和磁力来操纵和疏通导管。该导管由一根柔性管组成，远端尖端带有可旋转的钻头，钻头为永磁体。磁场由两种类型的磁线圈产生：均匀线圈和梯度线圈。磁扭矩和力可以独立控制。与永磁体产生的磁场相比，它们有两个优点：（1）它们可以通过增加磁场强度来增加远端尖端的稳定性和接触力；（2）该系统可以连续快速地塑造和重塑磁场，从而为磁化导管的尖端提供瞬时变化，从而实现近乎实时的远程导航。

磁导航的另一种方式是在磁共振成像 (MRI) 系统内引导导管。展示了一种带有铁磁头的导管和导丝，通过在 MRI 系统内应用磁梯度进行操纵。然而，两个铁磁球会引入不希望的偶极-偶极相互作用。研究人员报告说，微导管是在 MRI 系统内操纵的。导管尖端由一排转向线圈构成。在 中可以找到类似的研究。他们的工作表明，优化导管设计以及线圈激活电流对于安全地远程控制导管导航是必要的。

通过改变永磁体的相对位置来控制磁场，但没有电源切换机制，可能会导致一些安全问题。事实上，整个系统的切换（开和关）可以通过电磁铁轻松实现。电磁铁控制的主要缺点是磁铁表现出非线性行为，尤其是磁滞，这对控制来说是一个挑战。然而，另一个缺点是水平弯曲的控制和垂直弯曲的控制是高度耦合的。最后，由于磁场始终作为一个驱动源的限制，磁技术只能实现一个截面结构。

2.3. 软材料驱动导管

软材料驱动导管由所谓的智能材料制成，包括形状记忆合金 (SMA)、液压波纹管和导电聚合物，它们可以通过自身结构连续弯曲，而不是通过其他外部机制（即肌腱和磁场）。SMA，尤其是镍钛合金系列材料，具有超塑性、生物相容性、高可恢复应变、良好的抗扭结性、良好的可操纵性和扭矩能力。SMA 可以制成非常小的直径（小于 1 毫米），这一特性使其成为 MIS 导丝或导管的理想选择。根据 SMA 效应如何应用于操纵尖端，用 SMA 构建的导管可分为两类：（1）导管完全通过 SMA 效应成形，（2）导管尖端通过 SMA 效应成形。

2.3.1. 形状记忆效应导管

此类导管仅通过 SMA 效应驱动。导管在加热时由于 SMA 致动器产生的力而弯曲和收缩。SMA 在奥氏体相和马氏体相之间转变，产生由温度引起的力和变形。在低温（马氏体）相中塑性变形后，SMA 材料在加热到奥氏体时可以恢复高达 8% 的应变。SMA 的结构可以是导线、线圈、雕刻管和扁平弹簧。

研究人员设计了一种导管尖端，由四根 SMA 导线（相距 90°）驱动，这些导线进一步嵌入导管壁中。四个光纤传感器嵌入壁中以获取反馈信息。SMA 导线通过流经其所在管腔的流体进行加热和冷却。研究人员介绍了一种由三根直径为 1.5 毫米的 SMA 导线（相距 120°）驱动的导管。触觉传感器被设计并安装在导管尖端。达到最大弯曲角度 45° 大约需要 2 秒。研究人员开发了一种由三根间隔 120° 的 SMA 导线驱动的导管。导线微焊接到不锈钢垫上，不锈钢垫进一步粘合到中央导管上，形成多段导管，以获得不同的弯曲角度。带有 SMA 导线的导管被包装起来，以防血管壁因高温而受伤。类似的神经放射学导管可在此处找到。

使用SMA丝可以促进导管的小型化。它可以产生很大的力，但只产生很小的位移。为了获得大的位移（随后可以产生大的弯曲角度）和快速响应，使用微型SMA线圈。导管由多连杆组成，可以产生足够的弯曲角度。研究人员开发了一种直径为2.8毫米的多连杆有源导管。它由多个由SMA执行器制成的连杆和接头组成。三个SMA线圈相距近120°，由电流加热。SMA执行器可以直接加热。然而，它们的电阻很低（10Ω）。它们可以使用沉积在聚对二甲苯涂层的SMA执行器（200Ω）上的镍薄膜产生间接加热方法。最大弯曲角度为13°。研究人员介绍了三种直径小于2毫米的有源导管，由一系列分布式SMA线圈驱动。第一种导管由多个分布式连杆-关节单元组成，直径为1.2 mm。三组SMA线圈以等效角度固定在两个连杆和一个关节之间。当SMA线圈用高于一定转变温度的电流加热时，它会收缩并使导管弯曲。在80 mA的输入电流下，最大弯曲角度为11°。另外两种导管省去了连杆-关节单元，SMA执行器用粘合材料固定在内管上。一种导管的衬套线圈位于SMA执行器的外侧，另一种导管的衬套线圈位于SMA执行器内侧。衬套线圈作为电气公共地，每个关节的两个端子都连接到该衬套线圈。它们的弯曲角度在50 mA输入电流下可以达到60°，在80 mA输入电流下可以达到90°。他们还设计了一根直径仅为0.5 mm的导丝。它可以使用带有不锈钢螺旋弹簧的蜿蜒 SMA 执行器向一个方向弯曲，在 50 mA 输入电流下可以弯曲超过 60°。

尽管 SMA 执行器提供了一种传统执行器的紧凑替代方案，但它有几个缺点：（1）它们的可加工性相对较低，需要特殊的制造工艺，即激光加工；（2）有源导管通常需要几个连接的 SMA，这需要许多导线来控制 SMA 执行器，使系统更加复杂；（3）与肌腱驱动导管和磁性导管相比，SMA 导管产生的尖端力相对较低；（4）SMA 执行器工作所需的热量可能会在安全方面造成一些问题（例如，从人体中去除产生的热量是一项挑战）。高温可能导致细胞或组织损伤；（5）它们的应变与电流或温度呈非线性关系。SMA 具有高滞后特性，因此控制起来可能很困难。

人们已经做出了努力来克服 SMA 导管的缺点。关于问题 (2)，如上所述，研究人员提出了一种多链接主动导管，该导管在 2.0 毫米直径内集成了用于通信和控制的 COMS 接口电路 (C&C IC)（图 11）。导线数量减少到 3。三个 SMA 执行器固定在相距 120° 的链接之间，变形应变为 3%。导管因 SMA 执行器而弯曲。在 100 mA 输入电流下，最大弯曲角度为 51°。

图 11. 研究人员开发的导管的整体结构。

关于问题 (4)，开发了一种由激光加工的 SMA 管制成的执行器，其长度为 1.5 毫米，直径为 1.27 毫米（图 12）。它可以在 20% 的伸长率下产生 1-2 N 的力。使用 9 个执行器（每个执行器的弯曲角度为 20°）可以实现 180° 的转动。

图 12. 研究人员的激光加工 SMA 执行器。

2.3.2. 具有部分形状记忆效应的可操纵导管

在这种情况下，SMA 材料的超弹性和大应变恢复特性得到了利用，但没有任何加热过程。这种驱动机制通常应用于直接与软组织相互作用的柔性针。研究人员提供了有关将针插入软组织的调查。操纵这种针的一种方法是制造带有斜面尖端的针，并使用斜面尖端上的不对称力来操纵它。当尖端在插入过程中接触组织时，由于尖端的不对称性，柔性针的斜面尖端可能会弯曲。斜角尖端可通过旋转重新定向，然后向前推至目标（图 13）。柔性针在缩回时将遵循插入路径。需要注意的是，可控针不能在自由空间中操作，而只能在受限空间中操作。

图 13. 带斜角尖端的针的运动。

研究人员介绍了一种由镍钛合金制成的柔性针，用于插入可操纵针。柔性材料增强了斜角操纵效果。机器人驱动并控制针。根据研究人员的说法，针在组织中的深度为 22-25 厘米，针的偏转约为深度的 10%，针的速度范围为 0.5 至 2.5 厘米/秒。在研究人员的研究中，使用运动学模型进行控制，由于缺乏沿针长度的针-组织相互作用的知识，该模型在控制性能上受到限制。研究人员开发了一种 2D 规划算法，用于将带斜角尖端的柔性针插入有障碍物的软组织中。用有限元方法对针与软组织之间的相互作用进行建模，并使用该模型进行规划以考虑组织变形。研究人员提出了一种机器人系统，用于在实时闭环控制中操纵软组织中的柔性针。规划的针尖轨迹避开了障碍物并击中目标。研究人员提出了一种使用所谓的几何逆运动学模型的柔性针的恒定时间 3 D 运动规划算法。研究人员提出了一种超声图像引导控制系统，用于操纵由镍钛合金制成的具有不对称尖端的柔性针。他们使用针与组织相互作用的运动学模型和动力学模型来预测针的偏转并控制针。

2.3.3. 同心管

另一种操纵导管或针的方法，是开发同心管，它们由一组相互嵌入的柔性管制成。当弯曲弹性管（导丝或导管）插入一系列弹性管中时，由于它们具有相同的刚度，因此它们的形状由相互产生的曲率决定。通过管相对于彼此的平移和旋转，它们的曲率和管的总长度可能会发生变化，从而达到操纵的目的。这些管通常由超弹性相的镍钛合金制成。它们可以通过组装前的热处理制成所需的形状。关于同心管机器人装置的现状的综述可以参见。

具体而言，研究人员提出了一种由镍钛合金制成的主动套管，由三个伸缩、同心和预弯曲的管组成（图 14）。管的最大部分的直径为 2.4 毫米，最小部分的直径为 0.8 毫米。每个管都有平移和旋转自由度。同心管由一个三管六自由度的单元控制。同心管系统的设计、建模和控制方面的其他重要成果可以参见。

图 14. 由超弹性镍钛合金管制成的主动套管。

研究人员开发了一种同心管机器人，由三个预弯曲的镍钛合金管组成，与 研究人员的主动套管类似。最大部分的直径为 2.77 毫米，最小部分的直径为 1.85 毫米。开发了一种远程操作系统，基于正向运动学和逆向运动学模型实现管道的实时位置控制。研究人员使用该同心管机器人经皮进入右心房并部署组织逼近装置，完成了心内不停跳心脏手术。同心管系统的设计、建模和控制方面的其他重要成果可以参见。研究人员提出了一种由两个镍钛合金管组成的同心管机器人。外管固定，内管旋转。远端尖端的位置可从电磁跟踪系统获得。开发了一种使用全局变量和基于模型的控制方法来控制管的快速扭转柔顺运动学模型。

与其他类型的机器人导管相比，同心管更灵活，直径更小。它们不利用完全形状记忆效应（即无需加热材料）。可以通过增加管子数量轻松添加额外的部分，而这对于其他类型的可操纵导管来说通常是一个挑战。此外，同心管的管腔可以为安装在远端尖端的工具提供额外的管子或控制线。然而，同心管可操纵导管有几个局限性：（1）选择每个管子的初始曲率并非易事；（2）预曲率的小半径可能导致管子损坏；（3）不稳定，由折断引起；（4）对环境的刚性低；（5）难以控制以实现高转向精度；（6）患者外部的控制单元体积庞大。

2.3.4. 导电聚合物驱动导管

这是一类聚合物，它们在电化学掺杂后可以改变形状。具体来说，当离子轴向驱动进入此类聚合物时，聚合物会轴向改变体积，而当离子横向驱动进入此类聚合物时，聚合物会弯曲。这种聚合物称为电活性聚合物（EAP）。导管可以由EAP驱动。具体来说，导管尖端由EAP制成并置于电解质环境中。电流通过聚合物后，离子被驱动进入聚合物以消耗聚合物。可以配置Dops以使尖端弯曲。导管的EAP尖端的优点包括：（1）低电压（低于2 V）和（2）易于小型化。

研究人员提出了三种微导管，其具有两个弯曲自由度的主动导丝，由离子导电聚合物膜（ICPF）驱动。导管的基本结构如图15所示，其弯曲原理是，在导丝远端固定一个ICPF，在电压输入下，ICPF可发生弯曲。两根导线用于为ICPF供电，微导管的直径分别为1 mm、1.3 mm和2 mm。与湿态SMA相比，ICPF执行器响应速度快，驱动电压低（2 V），无电解和发热，对人体安全。最大弯曲角度为41°，远端位移为10 mm。研究人员提出了两种直径为0.8 mm的有源导管，以聚吡咯导电聚合物和离子导体固体聚电解质作为离子储存器。在一个导管中，两组分别以带有固体聚合物电解质（SPE）的薄条形式插入导管壁中的导电聚合物执行器。另一根导管的导管壁由嵌入SPE弹性体基质（50% SPE 和 50% CPF）的导电聚合物纤维 (CPF) 制成。最大弯曲角度（远端放置 7.4 mm）分别为 28° 和 24°。SPE 的一个缺点是其刚度太低。研究人员为导管系统提出了一种化学镀金全氟羧酸薄膜。在水中 2 V 输入电压下，聚合物可弯曲 90°，远端尖端位移 8 mm。该聚合物还表现出超过 1000 万次的耐久性。研究人员提出了一种导电聚合物致动器，它有可能成为可操纵导管尖端的弯曲。中间的电解质层是聚偏氟乙烯，由两种聚合物聚吡咯作为电活性成分夹住。铂的薄层涂在聚吡咯上以增加电导率。在1 V输入电压下，长度为10 mm、宽度为1 mm、厚度为0.21 mm的执行器条带的最大弯曲角度可以超过90°，但尖端的最大输出力在1 V输入电压下仅为0.006 N。研究人员利用离子聚合物金属复合材料（IPMCs）开发了一种用于心导管插入的有源导丝。一对平行的IPMC固定在导丝远端，具体地，一个用作致动器，另一个用作采用相反方式的传感器。控制信号由高频和低频组成。低频信号使IPMC变形并改变其表面电阻，而高频信号保留了变形信息。利用锁相放大器解调高频信号，可以测量变形。导电聚合物的主要缺点是响应相对较低，并且由于其驱动原理而具有非线性，即滞后和回弛豫。控制这种类型的执行器是一项挑战。

图 15. 微导管的基本结构。

2.3.5. 液压驱动导管

另一种驱动原理是导管由一个或多个液压波纹管组成，远端尖端由波纹管的液压控制。波纹管内液压的变化会改变其长度，从而改变导管的弯曲度。研究人员开发了一种直径为 0.94 毫米的导管，由液压抽吸机构驱动，用于血管内 MIS。导管由镍钛合金管制成，外覆硅橡胶管（图 16），其中镍钛合金管由连接梁切割成一排环。导管中充满水，其弯曲角度由水的吸力控制。

图 16. 开发的导管结构。

研究人员提出了一种称为 MALICA 的两段导管，用于主动脉瘤的血管内治疗。导管结构由两个底座组成，底座由三个 120° 定位的波纹管连接。实际原型直径为 4.9 毫米，长度为 20 毫米，工作通道直径为 2 毫米，每节包含两个垫片圆盘（图 17）。波纹管内的压力变化导致其长度变化，进而引起远端弯曲。该部分结构是模块化的，可以轻松构建多节导管。研究人员提出了另一种导管，其中导管远端由三个完全无应力的电沉积镍波纹管驱动，这些波纹管由液压驱动。为了防止波纹管屈曲同时保持足够的弯曲，使用了两个中间垫片圆盘。研究人员展示了一种直径为 0.3 毫米的微型主动导管，该导管使用膜微压花和准分子激光烧蚀工艺。尖端的波纹管由一系列折叠的微腔组成，微腔通过微通道连接。波纹管可以在液压作用下在一侧弯曲0°至180°。研究人员提出了一种两段液压驱动的主动导管（图18）。他们使用两个压力范围不同的阀门来控制共用波纹管的两段。每段都有一个波纹管形弯曲致动器和一个微阀，分别控制通道的打开和关闭，具体为低通阀（LPV）和高通阀（HPV）。当生理盐水使波纹管膨胀时，每段都可以弯曲，即使发生泄漏也不会对患者造成伤害。

图 17. 两段导管原型。

图 18. 液压驱动的主动导管。

液压驱动的导管比其他类型的导管更安全，并且由于其驱动原理而可以快速缩回。然而，它也存在一些缺点。输出力相对较小，无法完成一些复杂的任务。它需要波纹管和微型阀门来控制液压，这对于导管来说体积较大，需要相对复杂的制造技术。它可能存在泄漏问题并导致压力损失（从而限制了导管的效率）。

2.4. 混合驱动导管

任何两种驱动原理的组合（分别见第 2.2 节和第 2.3 节）都将产生一种新的多节导管，称为混合驱动导管，有望实现相对紧凑的结构且易于控制。工程混合原理的详细信息可以在 中找到。

研究人员介绍了一种用于 MIS 的机器人内窥镜，它由可操纵的同心管操纵器和用于操纵手动内窥镜的外骨骼组成（图 19）。该系统由五个部分组成。部分 A 是具有刚性扭转的镜颈的初始部分。部分 B 是受肌腱控制的弯曲部分。C 部分是短而直的刚性部分，其中装有尖端光学器件和可操纵的同心管（D 部分）。同心管可以旋转和平移，其刚度由内窥镜决定。E 部分是直的单极烧灼线装置，其刚度由同心管决定。

图 19. 开发的机器人内窥镜示意图。

研究人员设计并生产的 MagellanTM 机器人导管有三个部分用于外周血管介入治疗（图 20）。MagellanTM 机器人导管有三种不同的尺寸（6 Fr、9 Fr 和 10 Fr），具体取决于导管近端部分的不同直径。中间部分和近端部分由一组肌腱驱动，远端部分是预弯曲的镍钛合金导丝。远端尖端可由中间部分旋转和预弯曲。与研究人员的机器人内窥镜相比，MagellanTM 机器人导管通过将肌腱驱动部分纳入预弯曲系统而提高了其可操作性。研究人员提出了一种结合同心管系统和微软执行器的可操纵导管，微软执行器仍在开发中。

图 20. Magellan 机器人导管。（左图：Magellan 6 Fr 机器人导管；右图：Magellan 10 Fr 机器人导管）

三、讨论

每种类型的可操纵导管都有其优点和缺点。本节将从可操纵性、性能、导管尺寸、安全性和成本等方面对不同类型的可操纵导管进行比较。

3.1. 可操纵性和性能

可操纵性包括导航和执行复杂任务的能力。导航是指对弯曲角度的控制。控制弯曲角度和幅度越大、越容易、越快，可操纵性越好。肌腱或液压驱动的导管可以轻松控制弯曲角度（可以实现高达 180° 的弯曲角度）。肌腱与通路之间的摩擦，以及肌腱的反冲和松弛，会导致肌腱驱动导管尖端在高精度控制方面存在一些困难。磁性导管可以实现较大的弯曲角度。SMA驱动器驱动或导电聚合物驱动的导管与上述三种导管相比，弯曲角度相对较小。预弯镍钛合金导管由于结构上没有铰接，机动性较差，这种导管通常需要半自动化工作（即与人工操作配合）。这种半自动化系统概念是这种导管通常结构简单，易于制造的基本原因。导管能否完成复杂任务取决于以下因素：输出力、机动精度、导管的自由度和工作空间。如果输出力大而准确，自由度足够多，工作空间足够大，导管就能完成复杂任务。与其他类型的导管相比，肌腱驱动导管机动速度快，产生的力也大。磁导航导管系统在永磁体产生磁场时，响应速度不能太快，磁场矢量的指定与导管运动之间存在延迟，控制此类导管时应考虑磁滞现象，输出力可通过磁场强度来控制，液压驱动导管和预弯曲镍钛合金导管本身柔顺性更强，限制了它们的输出力和稳定性。形状记忆合金和导电聚合物驱动的导管依赖于其材料，这些材料表现出明显的非线性（即磁滞和时变力学特性），这对此类导管的控制提出了挑战。形状记忆合金的操控精度较低，但输出力高，操控范围大。导电聚合物驱动的导管响应速度快。

自由度和工作空间是对导管的两个基本要求。由于磁导式导管为单节结构，其工作空间和自由度有限。有一种方法可以将多个导管组合在一起以增加自由度和工作空间。例如，研究人员提出了一种三臂机器人，该机器人具有三个远端灵巧单元 (DDU)，可用作三个肌腱驱动的可操纵喉部 MIS 导管，特别是两个用于操作，一个用于抽吸。在磁导航导管系统中，两个或多个导管无法同时在磁场中操纵，因为两个或多个导管尖端会受到磁场的干扰。但是，其他类型的导管可以避免这个问题。

3.2. 导管尺寸

对于MIS手术来说，导管直径小是基本要求之一，其尺寸取决于导管的结构和制造工艺。肌腱驱动导管具有一条或多条肌腱，将输入力传递到远端尖端。肌腱必须具有足够的刚度以克服肌腱和通道之间的摩擦。从可靠性的角度来看，它们不能做成非常小的直径。这个缺点可能会随着节数的增加而放大。虽然液压驱动导管具有一个或多个液压波纹管，但导管可以做得非常小。它们可以通过使用不同的压力阀制成多节，而无需增加液压波纹管。由SMA、导电聚合物驱动的可控导管具有一些共同的特征，即致动器固定在远端尖端，并且细导线用于运动和力传递。COMS接口电路可以减少导线。这种导管可以做得非常小。磁性导管仅在远端尖端嵌入一个小的磁性尖端。它们不包含任何其他导线或通道，这使得它们的直径很小。预弯曲柔性镍钛合金导管在结构上与传统导管或微导管相同。因此，可以将同心管制造并组装成非常小的直径。

3.3. 安全性

安全性是医疗器械的重要因素之一。导管必须在不引起任何并发症（例如穿孔）的情况下进行操作。影响安全性的一个因素是导管的刚度。肌腱驱动导管和SMA导管相对坚硬，因此存在潜在的穿孔风险。为了避免这种情况，操作人员或机器人在操作过程中必须能够获得导管与组织之间力的准确信息。开发了各种力传感器并将其安装在导管的远端尖端。然而，力传感器不如医生的触觉可靠。磁导航导管和导电聚合物导管可以制成非常柔软、体积小但远端相对坚硬的导管。这些导管和液压导管本质上更柔顺，不太可能引起穿孔。值得一提的是，一些临床反馈显示磁导航导管系统（特别是Niobe系统）有利于减少并发症。然而，从其他临床反馈来看，Sensei X机器人导管系统并没有减少并发症，并发症甚至高于手动操作。这种现象可能与该类导管的刚性相对较高有关。

由形状记忆效应驱动的导管，再由电力驱动，需要注意安全，因为它们可能会引起过热问题。与此类导管相比，由小电压（1V以下）的导电聚合物驱动的导管要安全得多。液压导管中的液体通常是一种生理盐水，对患者无害。磁导航导管系统需要更多关注，因为永磁体的移动可能会击中患者或医生。

3.4. 成本

医疗设备的成本是医生和患者都关心的重要问题。在所有可操纵导管系统中，最昂贵的是磁导航导管系统。成本包括机器人系统和手术环境的成本。安装磁导航导管系统可能需要导管系统配备钢板和专用设备，以防止磁场干扰其他设备。这样的安装可能成本高昂且耗时。其他类型的导管对特殊操作环境没有要求，兼容且可移植到现有的手术室。由形状记忆效应、导电聚合物和液压驱动的导管需要相对复杂的制造技术，因此可能会增加成本。与其他导管相比，肌腱驱动导管和预弯曲 SMA 价格低廉。

四、结论和未来研究挑战

本文对近十年的可控导管进行了回顾。本文认为可控导管是一个人机系统，机械系统由执行器、机构和末端执行器组成，称为广义机构。然后，根据机构的工作原理，对组织环境中的这种广义机构进行了分类。具体来说，可控导管分为以下几类：（1）肌腱驱动，（2）磁场驱动，（3）软材料驱动，（4）混合驱动。对于每个类别，根据更专业的工作原理又细分为子类别。还根据组织环境对可控导管进行了分类，具体分为三类：（i）导管（或柔性针）直接进入组织，（ii）导管进入人体通道。随后，根据以下属性对可控导管进行了分类和讨论：(a) 导航能力（或可操作性）和性能、(b) 尺寸（包括小型化潜力）、(c) 安全性和 (d) 成本。

邮：li@fulinsujiao.com

公司地址：广东省东莞市樟木头镇塑金国际1号楼810