高档机器东说念主商议

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商议著述

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软机器东说念主教会下的腹黑逾越规律

雅各布·罗加金斯基， 多米尼克·雷科， 马尼沙·辛格， 莱昂纳多·萨莫拉·亚涅斯， 格蕾丝·马修斯， 布莱恩·艾尔斯， 爱德华·奥利里， 埃伦·罗氏， 大卫·霍根森， 托马索·兰扎尼

初次发布:2025年3月20日 https://doi.org/10.1002/adrr.202400023

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摘抄

介入腹黑病学中的微创手术肤浅使用坚苦远端限度的器用和引入噪声和不笃定性的可视化方法来进行。这项责任在腹黑再同步调整的配景下惩处了这些并发症，用于调整某些类型的心力衰退。咱们先容了一种软机器东说念主，它不错在逾越的腹黑内主动教会现存的介入器用。该机器东说念主通过软足下器提供可控的远端纯真性，并通过支架状的可扩展肃肃机构提供被迫肃肃性。使用这个平台，肤浅被迫的现存器用不错被教会向具有高空间分辨率和肃肃性的主见。因此，与单独使用传统开拓比较，手术临床大夫不错更有档次地探查腹黑的里面剖解结构，从而减少手术时刻。事实上，来自体外和体内商议的终结骄贵减少了总的手术时刻，减少了来自X射线透视的辐射披露，何况减少了来自剖解探查的不利影响。五项动物商议进一步诠释，剖解探伤和主见定位是腹黑再同步调整最耗时的方面，机器东说念主增强的纯真性缓解了这一主要艰难。

1导言

在21世纪初，全寰球大要有300万东说念主安装了腹黑起搏器，每年大要有60万个新安装被植入[1].不到十年后，每年有卓著一百万个腹黑起搏器被植入2]，仅在好意思国就有大要20万东说念主[3].起搏器的一种用途是腹黑再同步调整(CRT )，也称为双心室起搏4， 5].CRT用于调整某些患有充血性心力衰退的患者，充血性心力衰退在mathematical equation好意思国成年东说念主的[6].为了收场腹黑再同步，起搏器的传导起搏导线被放手在冠状窦(CS)的分支中，冠状窦是腹黑的主要静脉引流系统。CS沿着腹黑的房室沟延迟，通向右心房(RA )，使临床大夫省略从腹黑的低压静脉侧参预7].由于有无数对于其调整充血性心力衰退的疗效和安全性的数据，尤其是在特定类型心律失常患者中，该规律是一种常见的一线调整方法[7， 8].它以微创的情势进行，由介入大夫教会导管通过上腔静脉(SVC )，上腔静脉是流入RA的两个主要静脉之一。一朝参预右心房，临床大夫使用导向鞘、导管和导线的组合来定位冠状动脉并探伤其分支，此时可插入起搏导线。关联词，据报说念，多达四分之一的患者在导线股东和CS插管方面存在艰难，总失败率高达 [9-12–13].

CS引线放手的艰难取决于多种因素。具有挑战性的剖解特征，如禁锢性主动脉瓣或位置格外的窦口，会使插管所需的轨迹难以收场[12， 13].剖解相反也存在于病东说念主之间，不同的病东说念主给定器用的服从不同。视频S1说明了腹黑的联系剖解和特色，使CS插管的挑战。此外，像教会鞘和血管造影导管这么的传统器械具有固定的顶端曲率，具有最小的远端扭矩限度。因此，用传统器用插管可能很艰难，大要需要最少几个小时[14].因为介入大夫依靠X射线透视来进行器用定位，是以患者和责任主说念主员在此时间会披露在无数辐命中[15， 16].更大的远端顶端纯真性也不错减少进一步的并发症，如腹黑穿孔。

鉴于心力衰退和心血管疾病的宽敞存在，各公司越来越怜爱机器东说念主赞助惩处决策。事实上，自从直观外科公司在2000年赢得FDA对达芬奇系统的批准后，机器东说念主赞助微创外科手术依然成为各式外科领域的主见实践圭表17， 18].在心血管领域，机器东说念主平台倾向于用于外周和冠状脉管系统中的导航，或者用于腹黑标测和消融[19-21–22].举例，Hansen Medical开发的Sensei和Magellan平台使用腱驱动护套来加多器用的可收场任务空间，同期适合小血管限制。Sensei出奇用于心内标测和消融[23]，而Magellan用于外周血管缔造，如支架移植和动脉瘤缔造[24].与Sensei系统类似，Amigo(导管精密公司)径直驱动电缆驱动的腹黑标测导管[25]，而CorPath系统(Corindus Vascular Robotics)用于血管支架和球囊放手[26].Niobe机器东说念主系统(立体定位公司)与其他机器东说念主系统的不同之处在于它使用两个外部永磁体进行驱动。外部驱动允许微型机器东说念主导管具有高度纯真性，从而赢得批准用于外周和冠状血管介入以及标测和消融[27， 28].尽管这些系统依然诠释是到手的，关联词仍然莫得商用或其他类型的机器东说念主来完成像CS定位和引线放手这么具有挑战性的任务。

这项责任旨在填补机器东说念主本领的空缺，讹诈由柔性材料制成的机器东说念主的纯真性和安全性29-32–33].软机器东说念主恒久以来一直是外科领域的商议主题，尤其是在内窥镜搜检领域的应用34-37–38]，神经学[39-42–43]，肺病学[44-46–47]，和腹黑病学[48-56–57].在这些列出的作品中，Gopesh等东说念主的商议代表了迄今为止最小的流体致动机器东说念主导管[43].其在外周脉管系统中的体内考证强调了流体驱动的有用性，即使在小限制下。此外，流体驱动的使用使其省略最大限制地减少磁驱动方法所需的奋发而雄壮的外部开拓[19， 50]并克服电缆驱动致动中资格的传输损耗和不肃肃性[58， 59].由于快速的弹性能量耗散，齐心管的驱动相似面对着骤然畅通景色的不肃肃性挑战，出奇是当机器东说念主的无支撑长度加多时60].为了克服这些挑战，本文先容的责任讹诈了流体软驱动在心血管系统中有用运行的上风。与Gopesh等东说念主的责任不同，咱们专注于心内责任空间内的操作，克服与逾越的腹黑联系的挑战[61].

作家之前的责任标明，可伸开的肃肃机构与可折叠的软机械臂相联结，省略在模拟的腹黑逾越条款下收场远端纯真性、肃肃操作和有用的力传递[61].在这里，咱们讹诈这些初步终结来开发一个用于CS导联放手的软机器东说念主平台，这是一个需要在固有的动态责任空间中肃肃操作的过程。该机器东说念主承担传统教会护套的脚色，以适合导管插入实验室(导管室)中的现存临床责任经由。关联词，与传统的护套不同，该安装对临床大夫依然习气的现存介入器用提供了肃肃和主动的限度。这么作念，机器东说念主减少了规律时刻和X射线透视披露。

该机器东说念主在体外和体内商议中都得到了考证。体外商议使用了一种搀杂生物机器东说念主腹黑逾越模子，该模子省略精准模拟右侧腹黑功能和血液能源学，从而省略进行频频且精真金不怕火的临床测试[62].搀杂生物机器东说念主模子使用从移植的猪组织中取出的化学处理的心内膜支架来复制腹黑剖解和生物力学，以提供正确的心内剖解结构。软机器东说念主心肌的添加捕捉了腹黑的生物力学畅通和功能。然后将其集成到模拟轮回流动回路中，以模拟生理血液能源学条款[63].通过讹诈逾越腹黑模子的现实生理模拟，咱们在过渡到临床前动物商议之前，在受控和可重复的实验室环境中完善了软机器东说念主的功能和可靠性。然后，咱们使用机器东说念主安装和传统导管看成对照，在活体猪模子中进行荧光透视教会下的CS导线放手。这些动物商议使咱们省略在其预期环境中使用机器东说念主收场CS导线放手，其主要孝敬是减少了手术时刻、X射线透视捏续时刻和不良生理事件。到手的腹黑起搏最终通过内置导线收场，且生理压力值在每次手术过程中均得以保捏。此外，体内商议杰出了机器东说念主稳妥传统导管室和临床责任经由结尾的本事(图1).

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图1

导管插入实验室中的软机器东说念主系统的暗示。(a)惯例导管插入术实验室开拓包括C型臂X射线透视机和可视化屏幕。机器东说念主的驱动硬件包括限度箱和定制打针泵，两者都安装在单个梅奥托盘支架(mathematical equation).(b)与第(a)部分中的暗示相对应，驱动硬件(I)位于集聚患者的Mayo托盘上。这使得临床大夫不错精真金不怕火地使用Wii遥控器和切口部位(ii)。穿过房间，X射线荧光透视捕捉(iii)被记载并呈现时屏幕上用于率领。在此处骄贵的示例图像中，取自图1中的终结7c为了便于演示，冠状窦用红色杰出骄贵。

2个终结

2.1规律和系统轮廓

本商议先容了一种用于介入腹黑病学经导管手术的机器东说念主，出奇神情用于双心室起搏的CS中起搏器导线的放手(图2).在此过程中，介入大夫必须联结使用导向导管和导线以及用于视觉反馈的X射线荧光成像来定位CS(参见材料和方法)。CS插管的常用方法是伸缩支撑导管本领，其中9 Fr教会鞘定位CS口，血管造影导管用于对比赞助考证，导丝赞助正确的导线定位14].顾名想义，这些器械齐心肠安装在另一个器械内，因此，连气儿较小的器械不错相对于较大的鞘平移和旋转。关联词，鞘教会的CS定位阶段可能是该过程中最耗时和辐射最密集的部分[15， 16]，由于导航的挑战和CS口的物理进攻(图2a).这些物理进攻包括杰出的主动脉瓣和不同患者之间CS本身的可变位置12， 13].因此，硬的和预成形的教会鞘可能很难罢职CS插管所需的轨迹。咱们的机器东说念主(图2b)起到了主动教会鞘的作用，将这些现存的介入器用转动成省略罢职与机器东说念主畅通学一致的任何轨迹的机器东说念主致动器械。主动限度的一个要害终结是省略在更短的时刻内对CS进行插管，并减少X射线透视的无益辐射，使该操作对患者和临床大夫都更安全。

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图2

讹诈现存介入器用进行软机器东说念主开拓操作。(a)机器东说念主安装通过上腔静脉(SVC)运输到右心房(RA )，并导向冠状窦(CS)。到达主见后，它将导丝送入CS。(b)机器东说念主由一个肃肃机构和软足下器以及一个用于部件驱动和参预腹黑的用户界面组成。机器东说念主的柔性体长度(长度不按比例)。(c)该安装通过经静脉参预右心房的Fr导管鞘。一朝就位，肃肃机构伸开，软足下器的标称直径伸开，以讹诈更大的责任空间。内径衬有Fr管，临床大夫可通过该管运输高达血管造影导管。(d)临床大夫通过一个带有硅胶止血阀的末端集线器参预机器东说念主的中心通说念，该阀门可驻扎失血。定制的末端集线器还用作肃肃机构的鲍登线缆的末端，以及柔性足下器的流体管说念不错通过的蹊径。

机器东说念主的器用侧(图2c)包括以下试验:(1)将直径达8 Fr的器用教会至CS的三摆脱度软足下器，(2)在机器东说念主末端促进器用和足下器轨迹平行性的器用教会器，以及(3)加多软足下器操作肃肃性的肃肃机构。在用户端，开拓的末端集线器(图2d)包括(1)硅树脂单向阀，用于驻扎血液通过机器东说念主的中央责任通说念流失，(2)冲洗端口，用于润滑中央责任通说念，(3)致动打针器，用于扩张肃肃机构，以及(4)流体管说念，用于畅通软足下器和其致动硬件。通盘安装可通过静脉经24 Fr运输至右心房，或、导管鞘。诱掖鞘肤浅放手在外周脉管系统中，以教会器械朝向更中心的脉管或心内主见。在这种情况下，鞘管放手在颈静脉或锁骨下静脉中，罢了于上腔静脉。此外，该安装的中央责任通说念提供了一个连气儿的旅途，通过该旅途将介入器用运输忠诚内责任区。该通说念从用户端的止血阀通向软足下器的顶端，为临床大夫提供了径直参预腹黑里面的器用。

该机器东说念主起先在搀杂生物机器东说念主逾越的腹黑中进行测试。考证方针包括机器东说念主部署的血液能源学响应、逾越腹黑内过程的明晰内窥镜可视化以及3D机器东说念主畅通追踪。外科入院大夫和工程师也进行了用户窥伺，包括内行和生手机器东说念主操作员。活体动物商议由之前接受过机器东说念主操作培训的外科入院医师、字据荧光捕捉提供率领的专科电生理学家和监督手术过程的专科腹黑外科大夫进行。这些测试在有和莫得机器东说念主的情况下进行，以便与圭表介入器用(对照)进行为直比较。考证方针包括讹诈荧光镜反馈进行操作的本事、到手完成手术的时刻、X射线荧光镜搜检的捏续时刻以及腹黑起搏的本事。以下末节形容了机器东说念主系统的子组件，随后是生物机器东说念主腹黑和活体动物实验。

2.2软机械手盘算推算

咱们盘算推算了一个柔滑的机器东说念主足下器来教会起搏导线参预CS。由于本商议中使用的圭表教会导管和起搏导线分别为7fr和4 Fr(参见材料和方法)，足下器需要至少9 Fr或3 mm的责任通说念直径。足下器接纳2D工艺制造，在该工艺中，热塑性塑料和聚四氟乙烯的轮流层受到压力和热量的作用，产生可扩展的气球状结构[64].在这项商议中，机械手有三个卵形流体腔(S1截面)，每个腔中的体积组成一个零丁的要道空间变量。跟着三个气室束缚扩展，足下器不错沿两个轴迂曲，并延迟到大要40毫米长(图3a).字据RA的网状CT扫描，SVC到CS的距离约为36 mm，因此40 mm的行程长度足以教会器械朝向CS。总的来说，足下器的标称外径为15毫米，内径为4毫米。由于其柔滑性，它不错向内迂曲，以适合通过24英尺或8毫米的导管鞘将血管运输到腹黑。一朝参预腹黑，它不错再行扩展，归附正常的纵向折叠模式(图3a).

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图3

软机械手盘算推算、畅通学和限度。(a)软足下器盘算推算有一个3 mm或9 Fr的中心通说念，以稳妥各式血管造影导管尺寸。它不错向内收缩至直径小于8 mm，以穿过24 Fr导管鞘。(b)足下器的中心管说念由轮流的刚性和柔性部分组成，允许管说念跟班足下器的孕育模式。(c)中心管说念在2D建模，以收场参数优化。(d)将代表莫得里面管说念的软足下器的全部任务空间(蓝色)的实验点云与管说念的允许任务空间(玄色)的2D切片进行比较。还骄贵了半圆(橙色)，其半径代表从上腔静脉到冠状窦的平均距离。(e)记载软足下器对步进限度输入的响应，这里暗示为最快的电机速率，以找到逸想的致动速率。

通过机器东说念主运输介入器用需要一个连气儿的中心通说念来畅通其末端核心和软机械手的顶端。收场这种连气儿性需要一个中心通说念，它不错与软足下器平行增长，保捏腹黑里面的纯真性。咱们通过沿柔性热塑性挤压件以预定的增量放手单腔热塑性挤压件的刚性套环来制造这种可延迟的管说念(图3b).施加热量和齐心压力使两个热塑性挤出物联结，产生一段具有轮流的柔性和刚性部分的管(S2部分)。大要0.5 mm的管壁厚度将软足下器的内径减小至3 mm或9 Fr，这仍足以容纳本商议和圭表实践中使用的7–8fr导管。孕育中的管不错沿两个轴迂曲，并在长度上延迟和收缩，而不会损害其内径。这种行动使其省略罢职软足下器的固有畅通学(如下节所述)，并到达cs进行器用定位。

2.3中心渠说念盘算推算优化

在盘算推算孕育管时，要害是要确保它允许软机械手到达其任务空间的临床联系部分。因此，推导出一个畅通学框架，并用于优化一系列盘算推算参数。CS相对于软机械手任务空间的位置教会优化问题的条款。

增长油管模子基于图1中的图表3c，骄贵其局部分段畅通学。从各人来看mathematical equation帧刑事职守段mathematical equation由以下关系给出。

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mathematical equation是的所在mathematical equation段，mathematical equation是的位置mathematical equation帧刑事职守段mathematical equation，以及mathematical equation是的位置mathematical equation帧刑事职守段mathematical equation。这些由局部畅通学变量参数化mathematical equation和mathematical equation，这是从S2部分的几何论点。不错使用这些关系递归计较2D油管的举座顶端姿态，其中mathematical equation给出顶部的位置mathematical equation硬领和mathematical equation给出它的所在。

使用这个畅通学模子，咱们试图优化一系列的盘算推算参数mathematical equation，在那处mathematical equation和mathematical equation是柔性部分的边长，mathematical equation是硬领的宽度，和mathematical equation是硬领段的数目。优化问题仅波及管说念延迟至机械手最大行程长度的本事mathematical equation并将可不雅的量压缩到mathematical equation。下限被选拔为赐与足下器的顶端距离CS至少10 mm的空间，以在不宣战腹黑壁的情况下调整其位置。迂曲不被合计是一个结尾，因为从不雅察来看，各式盘算推算参数组合允许大曲率角度远远卓著mathematical equation。比较之下，跟着这些盘算推算参数的狭窄变化，扩展本事骄贵出很大的变化。问题是这么缔造的。

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这个公式最小化标量值主见函数mathematical equation，它复返从全局原点到顶端的距离mathematical equation硬领。对于盘算推算参数界限，咱们接纳下限mathematical equation和上限mathematical equation。临了，最大和最小冲程长度fub和f镑看成主见函数的两个非线性不等式治理。主见函数必须复返小于的值mathematical equation当...的时候mathematical equation，以及大于的值mathematical equation当...的时候mathematical equation和mathematical equation等于它们的上限值。MATLAB的fmincon函数与运转盘算推算参数沿途使用mathematical equation，它敛迹于一个最优解mathematical equation.

这种孕育的管说念通过软足下器的中心通说念放手，并固定在两头以稳妥足下器的孕育。软足下器的基座与开拓主中心通说念的末端齐心对王人，确保介入器用从机器东说念主的用户端无缝到达软足下器的顶端。

此外，图三维（three dimension的缩写）将管说念的畅通学暗示为2D切片，掩盖在足下器任务空间的实验导出的点云上短视频，莫得增长的管说念。通过计较任务空间的界限并将它们包含在平面规模内，径直从油管畅通学生成2D切片。通过给三个室充气并使用电磁位置追踪系统(NDI，奥罗拉)采集空间坐标数据，实验性地笃定了机械手在莫得孕育管说念的情况下的任务空间。如管说念的2D切片和3D点云之间的肖似所示，集成管说念仅减少了接近其基部的足下器的任务空间，这与临床应用无关。它仍然不错不受退却地在腹地任务空间的外部摆脱运行。掩盖在点云上的橙色半圆弧骄贵了基于右心房网状CT扫描的SVC到CS的距离。因为带位于点云和管说念的2D畅通学切片内，是以足下器不错充分地定位和导航到像cs这么的主见。迫切的是，修改管说念盘算推算参数不错在不再行盘算推算软足下器的情况下收场各式可收场的任务空间结尾，使其有可能扩充到多种任务。

2.4软机械手操作

在临床商议中，CS的定位分为和轻视迁徙阶段和致密调整阶段。使用机械手的大动作来定位顶端位移较大的CS的大致区域，同期使用致密的顶端调整来用导丝有系统地探伤该区域。这些畅通在S2视频的摆脱空间中得以展示。为了在这些阶段简化机械手的操作，咱们使用定制的三打针器-泵系统收场了开环、要道级限度。三台NEMA 17步进电机由任天国Wii遥控器的用户输入零丁驱动，次第，丝杠支架将推拉打针器柱塞来驱动机械手的流体通说念。联系联系硬件和电子开拓的详驯顺息可在S3章节中找到。

为响应汉典用户输入，每个电机继承一个二进制开关信号，以渐变到恒定速率或从恒定速率渐变mathematical equation。每个电机的加快度缔造为值的10倍mathematical equation，因此咱们将陡坡周期近似为不错忽略不计。为选拔单个值mathematical equation，咱们使用阶跃函数限度输入，以各式预界说的电机速率驱动电机。响应限度才能，咱们不错径直测量系统输出mathematical equation对于mathematical equation。这里，mathematical equation是软足下器顶端的位置，用3D电磁(EM)追踪探头测量。的圭表mathematical equation用于阶跃响应评估(图3e).

使用这些参数，咱们寻找单个值mathematical equation这将使软足下器省略进行快速的和轻视驱动以及致密革新。机械手的高潮时刻起先是在6毫米的阶跃响应下测量的mathematical equation才能/秒(图3e).咱们将机械手的大动作界说为厘米级的顶端畅通，微调界说为毫米级的顶端畅通。基于临床反馈，总动作(即，mathematical equation用于定位CS一般区域的笔画)应该要求的礼貌为mathematical equation。相背，约0.15 s的限度器脉冲会导致微调(即CS探针的约1 mm顶端位移)。基于这些圭表，并通过对每一个15 mm步长的电机速率的高潮时刻进行插值，咱们选拔了电机速率mathematical equation这是不错在2秒内收场总驱动的最慢电机速率，同期允许从限度器脉冲仅1.2 mm的顶端位移。

2.5肃肃机制盘算推算

数字4a说明了肃肃机制，其目的是通过变嫌开拓的机械杠杆作用为软机械手提供更高的操作肃肃性。该安装的弹性梁允许其以类似支架的情势扩张，并锁定右心房近端的上腔静脉部分。在此过程中，它将安装的支点从外周接入部位移忠诚内手术位置。镍钛诺被用于构造该机构，因为它省略承受大的变形而顽抗服65， 66].此外，它在几年的时刻范例上保捏血液相容性的本事远远卓著了手术所需的几分钟到几小时的时刻范例67， 68].

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图4

肃肃盘算推算参数和光束样式模拟。(a)肃肃机构由具有非恒定宽度轮廓的弹性梁组成。(b)为了笃定逸想的光束侧面宽度，在COMSOL顶用四个光束宽度值模拟光束迂曲。为了进行网格细化商议(S4章节)，对宽度扩展隔邻的三个点的应力进行了评估。(c)通过沿横梁的三个点拟合一个圆来计较每个横梁宽度的曲率半径。(d)看成曲率半径和梁厚度的函数，计较相应的最小允许梁宽。(e)对于每个梁宽，骄贵了将一个梁端平移10 mm所需的力。

该机构的轮廓起先是在5 W紫外激光器上从单层超弹性镍钛诺上切割下来的。在附着到直径为5 mm的3D打印骨架结构(S4切片)之前，将开释的层包裹成圆柱体并热处理以固定其样式。所得到的组件由一组平行的波顿线缆致动。当拉紧线缆时，该机构扩展成外径为22毫米的非实心篮子样式。当开释线缆时，镍钛诺中存储的弹性能量使其归附到7毫米的标称直径。扩展机构的支架状篮子样式允许其将安装的支点移向软足下器，而不会禁锢血流。

与铰接盘算推算不同，组成肃肃机构的连气儿弹性梁摈斥了要道在非预期方进取迁徙的可能性，这种迁徙可能导致与脉管系统的点宣战和高应力集聚(S4部分)。关联词，由于迂曲过程中的均匀曲率，梁的迂曲曲率也存在小面积静脉宣战的可能性，也加多了应力集聚。为了惩处这一问题，咱们通过加多每个梁中心的宽度、展平中心截面的轮廓来加多静脉宣战面积(图4b).这种几何变化加多了中心部分的第二惯性矩，从而加多了抗弯性。

COMSOL用于数值模拟光束样式，以响应一端10 mm的司法位移和另一端的固定规模条款。梁的中心部分缔造为3 mm，以适合举座空间结尾，模拟扫描每个梁侧面的四个宽度值，mathematical equation。应力和位移在梁宽度扩展的三个点上进行评估:根部点、中点和拱点(图4b).网格细化商议标明，终结敛迹于1800–2400个元素的正常网格尺寸(S4剖面)。对于材料模子和几何参数的更多细节不错在材料和方法部分找到。选拔这些参数以产生最平坦的中心部分，同期最小化最大曲率区域的应力。

终结如图所示4c–e支捏使用中心宽度为3 mm、侧边宽度为1.25 mm的梁。为了使这一盘算推算选拔趋于一致，咱们起先从每根梁的一端偏移10 mm时的曲率半径动手。通过不雅察，东说念主们可能会发现中心宽度与侧边宽度之间的比值越大，曲率半径越大(即中心越平)。事实上，咱们看到了这种情况，因为模拟骄贵了曲率半径跟着侧面宽度的加多而减小的趋势(图4c).这一终结将使较小的侧面宽度成为最逸想的。

关联词，在某些载荷条款和几何样式下，梁在迂曲时可能会资格反弹性曲率。这种气象在图1的图形嵌入中有所说明4d，其中迂曲的梁资格鞍状曲率[69， 70].幸免反弹性迂曲在这个盘算推算问题中是至关迫切的，因为肃肃梁的有时进取迂曲会在脆弱的血管组织上产生大的应力集聚。为了幸免这种情况，咱们商议了抗弹性迂曲的临界梁宽，低于这个宽度时，这种气象就会发生。这种关系是在十九世纪建议的，在给定的载荷条款下，它只是是梁厚度和曲率半径的函数:mathematical equation，在那处mathematical equation是临界波束宽度，mathematical equation曲率直半径，和mathematical equation是厚度[71].数字4d骄贵的价值mathematical equation10 mm司法位移处的每侧宽度。尽管最小的梁边宽度提供了最成心的曲率半径，但它低于临界梁宽度，因此不予推敲。

临了，咱们看到对于较大的梁侧宽度，驱能源有加多的趋势，使得较宽的梁不受迎接(图4e).在1和1.25 mm这两个中间值之间，较窄的侧宽度产生更逸想的曲率半径和致能源。关联词，咱们在实践中也小心到，在激光切割过程中，较小的特征会因过热而退化。因此，咱们选拔了1.25 mm的侧边宽度，为平坦的静脉宣战提供了中间基础，莫得预期的抗弹性迂曲、低致能源和低激光诱骗降解。

在移植的猪SVC中评估所得肃肃机构为软足下器提供机械杠杆作用的本事。该机构被伸开以支撑SVC，何况Instron机器沿着该机构的主轴线并垂直于其主轴线按压其顶端。在两个方进取卓著1 N的力的作用下，肃肃机构的顶端仅迁徙了5mm(S5部分)。在临床场景中，在导航和CS定位时间，流体流动将足下机器东说念主所领受的外力。假定RA中的最大流量为mathematical equation，这相称于一个力mathematical equation，导致机器东说念主位移不错忽略不计。

2.6机器东说念主装配和功能

柔滑的机械手被畅通到肃肃机构的骨干顶端，以最小化机器东说念主操作侧的杠杆臂。中心通说念、用于软足下器的流体管说念和用于肃肃机构的鲍登线缆穿过包括机器东说念主主体的热塑性护套。机器东说念主的形体长60厘米，长到足以穿过33厘米长的导管鞘，短到足以容纳100厘米或更长的导丝和导管(图5a).由于软足下器中心的管子越来越长，它的底部长度为25毫米(图5b).在三个流体腔室可变充气时，足下器延迟并迂曲以将器用教会至不同的所在(图5c，d).由于肃肃机制在SVC中的部署，足下器受益于肃肃的基础位置，允许其在用导丝探伤时将其顶端位置保捏在给定位置。

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图5

机器东说念主器用侧的不同操作景况(机械手和肃肃)。(a)软足下器畅通在肃肃机构脊柱的远端。它的主体有60厘米长，适合圭表介入器用的长度。(b)肃肃机构伸开以支撑硅胶管，同期软足下器停留在其25 mm的基础长度。(c)足下器不错教会器用如导丝和教会导管通过其中心通说念。(d)机械手还省略mathematical equation迂曲。

2.7体外搀杂生物机器东说念主腹黑逾越商议

介入机器东说念主在离体生物机器东说念主腹黑逾越窥伺台中进行测试(参见材料和方法)。为了开发搀杂生物机器东说念主测试安装，咱们讹诈化学固定，然后进行去细胞化处理，以保捏移植猪心的腹黑剖解和组织性情[72].这些腹黑的自然心肌被部分替换为柔滑的机器东说念主心肌，以在台式电脑上复制其功能。此外，腹黑被整合在模拟流动回路中，促进生理血液能源学和组织力学[63， 73].这种缔造省略在生理上准确的RA责任空间中进行频频且可看望的临床测试(图6a).它还允许洋洋纚纚和未经教师的机器东说念主操作员进行多用户窥伺(图6b).

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图6

来自体外搀杂生物机器东说念主台式模拟器的测试终结。(a)腹黑逾越窥伺台由缠绕在心室周围的软气动致动器驱动，里面可视化由右心房附件中的内窥镜端口收场。(b)在机器东说念主上受过教师的两个用户和四个未受过教师的用户，在他们各自履行冠状窦插管任务三次时被计时。(c)即使机器东说念主部署在腹黑中，代表性的右心压力值仍保捏在生理范围内。(d)用内窥镜不雅察手术过程。(e)追踪机器东说念主末端的3D位置。蓝点是顶端发轫，红点代表插管到手后的绝顶位置。

搀杂生物机器东说念主腹黑为数据采集提供了无数契机，包括右心房、右心室(RV)和肺动脉(PA)的压力值。在体内追踪这些压力将需要更复杂和侵入性的导管，何况对动物酿成创伤的可能性更高，而离体生物机器东说念主腹黑允许在通盘测试中进行不引东说念主珍摄的数据采集。数字6c骄贵了莫得机器东说念主时的五次心跳(即基线情况)和机器东说念主部署在腹黑内时的五次心跳。从基线情况到安装情况，任何记载的压力都莫得彰着变化。这标明机器东说念主在伸开时不影响生理血流。

离体生物机器东说念主腹黑还提供了径直可视化责任空间的本事。咱们使用甘油搀杂物看成责任流体，它模拟血液的粘度，同期保捏光学透明。为了省略在机器东说念主操作时间无进攻地不雅察CS，将内窥镜端口缝合到右心耳(RAA)中。如图所示6d该过程包括三个主要阶段:(1)运迁徙器东说念主定位，(2)导丝导航，和(3) CS插管。这些阶段中的每一个都如图所示2a亦然。

在通盘过程中，机器东说念主的3D顶端位置由密封在5 Fr导管中的EM探针追踪，以使其防水。固然在体内使用X射线荧光搜检会侵略电磁追踪，但离体生物机器东说念主腹黑允许其无结尾使用。在两次有代表性的窥伺中，将一根导丝与电磁探头进行了交换，使咱们省略以三维情势可视化机器东说念主的导向(图6e).起先，用户笃定与每个要道级限度输入相对应的机器东说念主轨迹。因此，这个阶段对应于机器东说念主轨迹中杂音最大的部分，由图中的黑线暗示6e。在主动器用教会阶段，机器东说念主相对于腹黑的1 Hz(即60 bpm)频率快速迁徙，产生弧线的圆圈部分所示的平滑轨迹。一朝EM探针插入CS，其畅通与腹黑的畅通相联结，弘扬为EM探针的小的、司法的飘浮。机器东说念主轨迹追踪在视频S4中得到了进一步的展示。

咱们测试了两个内行用户，他们都受过教师并熟悉机器东说念主偏执限度器，以及四个从未使用过机器东说念主的生手用户。每个用户的任务是给CS插管三次。在每次窥伺之间，用户旋转和平移机器东说念主，以立时调整机械手的基座。插管时刻被界说为再行定位机器东说念主和内窥镜阐明导丝在CS中的位置之间的捏续时刻。此外，允许生手用户在摆脱空间顶用软足下器熟谙2分钟来学习限度。

内行用户时常比生手用户更快、更肃肃，领路时平均插管时刻更短、圭表偏差更小(图6b).举例，内行2在2004年收场了CS插管mathematical equation在三次窥伺中，生手3在mathematical equation。关联词，扫数的使用者都在3.5分钟内完成了CS插管。视频S3中骄贵了内行2的代表性内窥镜视频。

2.8猪模子中的体内双心室起搏

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图7

代表性终结来自n= 5次体内窥伺。(a)当机械手用盐水驱动时，在x光透视下无法看到。(b)通过导丝样式的视觉反馈收场冠状窦定位，以及(c)使用对比溶液考证插管。(d)当足下器被造影剂-盐水搀杂物驱动时，它在X射线透视下变得可见。(e)当足下器接近冠状窦时，追踪足下器的所在，(f)导致更快的插管，(g)随后进行对比赞助考证。(h)在冠状窦到手插管后，(I)使用起搏导线将心率进步至140 bpm以上。(j)在定位冠状窦时，不实的导丝在腹黑传导系统周围戳动，导致顷刻间的异位搏动。

机器东说念主系统用于在活猪模子中收场腹黑的双心室起搏(见材料和方法)。在这一系列的五项体内商议中，机器东说念主通过mathematical equationFr鞘，用肃肃安装固定在上腔静脉，并在X射线荧光镜教会下汉典足下至窦口(图7a–g).到达窦口的大致位置后，通过机器东说念主插入一根导丝以收场运转插管(图7b，f).在起先的插管才能中，机器东说念主赞助方法的主要优点是不言而谕的。机器东说念主给介入者提供了保捏给定位置的肃肃性，同期用导丝探伤该位置。如果运转位置不正确(即，导丝莫得到手参预CS)，机器东说念主不错在换取的大致区域进行微调，从而收场存条不紊的探伤过程。这与传统导管形成对比，传统导管坚苦肃肃的基座，何况由于偏转和诬陷而弗成在探伤阶段保捏其位置。因此，这些体内商议的第一个方针是笃定CS插管所需的探伤次数。推敲到机器东说念主的肃肃性，咱们瞻望机器东说念主赞助窥伺比限度窥伺需要更少的探针。

将导丝插入冠状动脉后，将血管造影教会导管穿过导丝进行造影剂打针。如果到手，造影剂将在透视下杰出CS的当然样式。因此，第二个方针是CS插管和造影赞助考证的总时刻(图7c，g).第三个方针是每次窥伺的X射线透视总捏续时刻，从安装插入到对比赞助考证。咱们盼望在机器东说念主的匡助下，插管时刻、考证时刻和透视披露时刻会减少。

在扫数机器东说念主窥伺中，机器东说念主由之前接受过培训的外科入院大夫操作，而专科的电生理学家则提供来自X射线透视的空间反馈。用户保捏一致，以阻隔机器东说念主赞助相对于传统器用的影响。相似，使用圭表介入器用的对照窥伺也由归拢名电生理学家进行，以摈斥操作员的可变性并阻隔机器东说念主对上述三个方针的影响:导丝探针、手术捏续时刻和荧光透视捏续时刻。

如图所示7h到手的CS插管术是使用机器东说念主以及接纳伸缩支撑导管本领的圭表导管收场的(见材料和方法)。机器东说念主窥伺字据用于驱动机械手的流体进一步分手，如视频S5所示。一组窥伺使用生理盐水进行驱动，因此在X射线透视下无法看到足下器，其样式是字据穿过中心通说念放手的不透射线的导丝测度出来的(图7a–c).另一组窥伺使用体积比为40%-60%的碘佛醇造影剂和生理盐水的搀杂物，使足下器在X射线透视下径直可见(图7d–g).

在一次机器东说念主赞助窥伺后，通过导管插入起搏导线以模拟双心室起搏。在图中的图中7I，心率从90–100加多至140–150 BPM，标明在采取的起搏频率下到手放手了导线并到手进行了电拿获。图上的图像标注还骄贵了规律的生理和起搏部分的代表性ECG轨迹。值得小心的是，导丝与心内膜的有时宣战会产生异位搏动(图7j).这些不实的线探针可能会导致医源性毁伤，因此减少过度探伤的需若是患者的安全问题。

三个主要方针的终结如图所示8用于机器东说念主窥伺和对照窥伺之间的径直比较。终结在运转插管尝试之间被分开(图8a–c)和随后的插管尝试(图8d–f).在起先的尝试中，临床大夫不知说念CS的位置，这是的确临床介入的情况。正因为如斯，勘测和探伤组成了通盘规律的一大部分。事实上，在60分钟的对照窥伺中，至少需要100根导丝探针(图8a，b)，何况需要卓著30分钟的X射线透视搜检(图8c).这些限度方针与文件一致，文件指出cs插管可捏续数小时，荧光透视披露约30分钟[14， 15–16].关联词，机器东说念主窥伺骄贵，扫数方针都有显耀下落。当只用生理盐水驱动时，机器东说念主平均需要mathematical equation导丝探针(图8a)，在仅捏续22分钟和8分钟的透视曝光窥伺时间(图8b，c).造影剂激活被诠释出奇有益，在到达CS之前只需要四次线探针尝试，通盘过程仅用时8分钟多少许，X射线曝光时刻为3.5分钟(图8a–c).在这种情况下，机器东说念主使无益X射线的使用时刻减少了近十分之一，其他两项方针也有类似幅度的改善。

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图8

运转(a–c)和后续(d–f)插管尝试时间的体内商议终结。(a)在冠状窦插管术的起先尝试中，使用圭表开拓的对照窥伺比机器东说念主窥伺需要更多的导线探伤尝试，这加多了医源性创伤(如组织穿孔)的可能性。(b)限度窥伺也比机器东说念主窥伺捏续更万古刻，其中“机器东说念主+对比”窥伺需要的时刻最少。(c)与圭表限度比较，两种类型的机器东说念主窥伺需要较少的X射线荧光透视使用。(d)在随后的插管尝试中，一朝主见位置已知，对照窥伺比机器东说念主窥伺需要更多的导线探伤尝试。(e)总的来说，“机器东说念主+对照”窥伺是最短的，关联词机器东说念主和对照之间的总捏续时刻莫得显耀变化。(f)“机器东说念主+对比”窥伺需要最少的荧光透视曝光，但机器东说念主和对照之间的捏续时刻莫得显耀变化。

随后的尝试包括在初次尝试后进行的窥伺，莫得从腹黑中取出机器东说念主或导管。迫切的是，这让临床大夫对CS的位置有了大致的了解。尽管有这些先验学问，对照窥伺仍然需要mathematical equation和mathematical equation导丝探针尝试，除了一个的确的统计格外窥伺需要三个(图8d).比较之下，在扫数机器东说念主窥伺中，无论是用盐水照旧用造影剂驱动，都唯独三个或更少的探针。关联词，手术和荧光镜搜检的总捏续时刻在扫数后续尝试中变得格外，无论它们是由机器东说念主导管照旧圭表导管履行。对照窥伺平均捏续5分钟，比较之下mathematical equation盐水驱动的机器东说念主最少4分钟，对比驱动的机器东说念主最少4分钟(图8e).对照窥伺平均需要大要3分钟的荧光透视披露，而盐水驱动的机器东说念主平均需要大要4分钟，对比驱动的机器东说念主平均需要大要2分钟(图8f).总的来说，稀释对比染料激活允许在最短的时刻和最短的荧光透视曝光时刻内进行后续尝试窥伺(图8e，f)，但不是一个可不雅的数目。

这些终结标明CS插管的主要艰难是CS的运转位置。一朝CS被定位，就像在随后的插管窥伺中的情况一样，机器东说念主赞助规律具有与使用圭表开拓的对照窥伺相似的捏续时刻。关联词，机器东说念主如实将运转和后续尝试中所需的导丝探针数目减少了一到两个数目级，从而责难了医源性创伤的可能性。在起先的插管尝试中，机器东说念主通过以下情势镌汰了插管时刻mathematical equation和荧光透视曝光的捏续时刻mathematical equation。该运转插管数据比随后的插管更适合地响应了的确的临床情况，因为临床大夫在手术动手之前不知说念CS的位置。通过为临床实践中惯例使用的仪器提供肃肃的定位，而不是引入新的仪器，机器东说念主增强了现存的方法，这通过更短的规律和荧光镜搜检捏续时刻以及减少的探针尝试次数得以诠释。

3个论断

在这项责任中，一个柔滑的机器东说念主被用来完成东说念主体最艰难的责任空间之一的手术，即逾越的腹黑。这种软机器东说念主专为复杂的教会任务(如CS导联放手)而盘算推算，讹诈了秀逸机构和软材料的上风，在动态环境中收场了智谋而肃肃的操作。通过容纳高达8 Fr的介入器械，机器东说念主进一步与现存的临床责任经由集成，或mathematical equation直径。软足下器的中心通说念由定制管说念组成，不错师法其当然孕育模式，而不会损害9 Fr，或mathematical equation，直径。该足下器畅通到柔性镍钛诺肃肃机构的顶端，该机构从mathematical equation到结尾mathematical equation直径。肃肃机构不错支撑在集聚主见位置的SVC部分上，允许机械手仅通过几毫米的基座位移就能承受牛顿级的负载。在机器东说念主的用户端，一个带有单向硅胶阀的末端集线器使操作家省略参预机器东说念主的中心通说念，以便插入器用。使用用户界面的圭表组件，如硅胶止血阀、责任通说念的冲洗端口和肃肃机构的打针器驱动，进一步进步了临床大夫对安装的熟悉进度。此外，定制的三打针泵系统用于限度机械手，并通过单一电机速率收场和轻视畅通和致密革新。打针泵硬件安装在单个Mayo托盘支架上，在导管室中占据最小空间。

一项体外商议先容了一种搀杂生物机器东说念主台式测试安装，特地用于捕捉类风湿性要道炎的血液能源学。在这里，一种透明的血液模拟物被用于允许机器东说念主在生理条款下的径直可视化。除了省略看到逾越的腹黑里面以外，这项商议还允许在接近RA的位置进行连气儿的压力监测，标明机器东说念主的部署莫得引起格外压力。这是一个迫切的安全推敲，因为静脉禁锢会导致血液停滞和上游压力加多，从而加多血栓的风险74].此外，受过教师和莫得受过教师的用户都省略在几分钟内完成CS插管。这是一个与随后在体内进行的插管窥伺相似的时刻范例，支捏了这么的论断:当尝试插管时，起先的CS定位是主要的艰难。

该机器东说念主随后在猪模子上的五项体内商议中进行了测试，在操作过程中使用X射线荧光镜搜检进行位置反馈。这些商议与圭表导丝和教会导管进行了径直比较，骄贵了进步效果和安全性的总体趋势。在起先的插管尝试中，与圭表介入开拓比较，机器东说念主完成手术所需的时刻更短，X射线透视曝光更少。无益辐射使用量的这种数目级减少使得该过程对于患者和在x光机隔邻责任的临床大夫来说都愈加安全。在起先和随后的插管尝试中，机器东说念主也比对照窥伺需要更少的导丝探伤尝试。这在图中得到了诠释7j腹黑传导系统隔邻的不实导线探针会导致导管诱发的异位，弘扬为心率跳增。通过减少CS插管所需的探针数目，也不错责难医源性毁伤的风险。比较之下，在限度窥伺时间，更多的探伤尝试标明CS定位阶段的位置不笃定性。

临了，动物商议提供了使临床大夫难以放手起搏器导线的因素。通过将起先的插管与随后的尝试分开，咱们发现剖解强劲对操作和透视捏续时刻以及探查尝试的次数有显耀影响。也便是说，使用圭表开拓和机器东说念主大要同期需要CS插管，关联词仅在定位CS后。关联词，在起先的插管尝试中，如果莫得这种剖解强劲，圭表开拓在扫数方针上都弘扬较差。比较之下，机器东说念主提供了位置肃肃性和空间分辨率，改善了扫数方针，即使莫得起先的剖解强劲。

固然这项责任在五项动物商议和一项搀杂生物机器东说念主腹黑逾越商议中诠释了安全性和效果加多的趋势，但将来的责任将集聚在平庸的体内商议上。由具有不同专科水平的临床大夫进行的进一步窥伺可能揭示这些终结奈何受到电生理学家和机器东说念主操作员的手段水平的影响。特地的多用户商议也将有助于笃定操作员的可变性是否可能由教师影响以外的其他因素引起。此外，即使机器东说念主部署时刻很短，在血流中插入外来开拓也会带来血栓形成的风险。将来的窥伺可能会寻求缩小机器东说念主任何可能发生血液停滞的部位周围形成血凝块的可能性。对于肃肃机制，额外的名义处理可能就满盈了[75]，而对于软足下器，不错推敲用光滑的塑料套管掩盖波纹管。另一个商议所在是最大限制地讹诈机器东说念主在不同规律之间不错重复使用的部件。现时，机器东说念主的一次性使用性质意味着在商议之间丢弃扫数组件，这与大多数介入器用一致[76].改姓易代的是，通过使软足下器模块化和可拆卸，从肃肃到用户端的一切都不错用化学消毒剂和高压灭菌器消毒77， 78].通过这种情势，制酿老本仅为100好意思元的软机械手[64]，将是独一的一次性部件，导致在低资源环境和大病院中的潜在接纳。此外，具有不同畅通学的软机械手以致不错在操作过程中互换，从而省略针对一系列剖解学相反进行现场定制。鉴于镍钛诺的高抗疲倦性，最坏的情况是mathematical equation轮回将仍然允许机器东说念主的其余部分捏续数百个规律[79].此外，机器东说念主现时安装在24 Fr或8 mm的导管鞘中。将来的商议途径将不绝缩小机器东说念主的直径，最终主见是18Fr或6 mm的兼容性。为了收场这少许，较小的流体腔室将有用地减小足下器的“壁厚”。夙昔的责任以具有10和5毫米直径腔室的机械手为特色[61， 64]，而这个作品缩小到4毫米直径，其他作品进一步缩小到3毫米[44].此外，减小中央声说念的尺寸mathematical equation到mathematical equation弗雷德以致mathematical equationFr将进一步允许相称的微型化，尽管以机器东说念主不错教会的临床器用为代价。到达mathematical equationFr将允许机器东说念主从不同的参预点参预腹黑，开辟了一条新的可能惩处的规律。

咱们的腹黑内介入软机器东说念主方法代表了向安全、有用和精准调整心力衰退迈进了一步。主动操作和局部肃肃的使用使得在腹黑仍在逾越时省略进行复杂的调整。咱们想象这项本领不仅不错扩展到介动手术，还不错扩展到传统上需要心肺旁路的手术。如果机器东说念主不错在腹黑手术中幸免旁路手术，它有可能使手术愈加有用和安全，显耀减少外科大夫的疲倦并改善患者的预后。

4材料和方法

4.1肃肃机制数值模子

使用在COMSOL中进行的有限元模拟，评估肃肃机构的几何参数，这将最终决定机构的盘算推算(图4a).模拟单个梁而不是通盘肃肃机构，从而不错更快地模拟和分析梁在固定位移下的迂曲。梁的几何样式像一个反向的狗骨，较宽的中心区域两侧是较窄的侧部(图4b).在Fusion 360 (Autodesk，Inc .)中模拟了这种光束的四种变型，每种变型具有3 mm宽的中心区域，材料厚度为mathematical equation，总长度为mathematical equation。横梁仅在侧面宽度上有所不同:mathematical equation。此外，运转几何扰动被添加到每个模子，以使其偏向屈曲景况，并促进模拟敛迹。在这种扰动中使用了长入的曲率，使得每个梁的中心被扰动的值等于梁厚度的一半。

每个模拟都是使用COMSOL的3D固膂力学模块确立的静态商议。因为梁在低应变下会发生大变形，是以推敲了几何非线性。看成大变形假定的终结，梁几何图形对模拟终结的影响最大，而不是材料。因此，使用1095弹簧钢看成材料近似值，其值如下:密度为mathematical equation泊松比为0.29，杨氏模量为210 GPa。梁的一端被置于固定治理下，而相对面在压缩方进取被赐与10 mm的司法位移。对于这种位移，起先界说了1 cm的全局位移参数。在商议中，赞助扫描扩展与一系列mathematical equation，这对应于在100步内从0到10 mm的扫描。字据从初步网格细化商议(S4部分)中赢得的数据，在沿几何图形的12个不同点上不雅察到冯米塞斯应力，正常分辨率的网格被合计是满盈的。正常分辨率网格包含1800–2400个域元素，具体取决于所商议的几何样式，使求解器在3分钟内敛迹。

从每个模拟中采集的数据包括压缩所在和屈曲所在的位移，以及von Mises应力。在12个点和全10 mm位移下评估每个度量。还记载了位移端的协力。在MATLAB中对终结进行分析和比较，以笃定四种梁侧宽度中哪一种在迂曲过程中产生最平坦的中心区域，具有最低的应力集聚庸最低的协力(图4c–e).

4.2带有模拟轮回流动回路的生物机器东说念主腹黑模子

清洗移植的猪心，用10%福尔马林溶液固定，并用mathematical equation磷酸盐缓冲盐水。使用公开的方法，这些固定的腹黑被用于制造生物机器东说念主搀杂腹黑[72， 73， 80].这一过程包括化学处理心内膜结构，以匹配自然组织性情，并部分移除自然心肌，然后用特地为每个腹黑盘算推算的合成软机器东说念主心肌替换。

柔滑的机器东说念主心肌由放手在硅树脂基质(Ecoflex 00-35 Fast)中的六到八块气动东说念主造肌肉组成，肌肉的的确数目和所在由计较建模笃定[62， 63].使用定制的粘合剂将软致动器基质附着到心内膜组织上[81]沿着右心室摆脱壁和室间隔，最终收场腹黑右侧壁的生理畅通。轮回流动回路单独模拟了Windkessel效应，使用定制的丙烯酸室模拟静脉和肺血管的顺应性，使用球阀(McMaster-Carr，4796K71)模拟肺血管的阻力。生物机器东说念主腹黑和流动回路与定制限度箱畅通并以60 bpm的频率启动62， 63].不错对致动速率、血管阻力和血管顺应性进行调整，以收场盼望的右侧血液能源学范围，这是基于在健康东说念主类受试者中典型不雅察到的值[82， 83].

一种光学透明的血液模拟物被用作轮回回路中的责任流体。该流体由以下要素组成mathematical equation去离子水中的丙二醇，产生的动态粘度为mathematical equation。压力传感器(PRESS-S-000，PendoTECH)放手在RA、RV和PA处，包括机器东说念主的上游和下贱位置。一个超声波流量传感器(ME 13 PXN，跨音速)放手在PA处，以记载下贱流量。内窥镜录像机(1080P HD，NIDAGE)以30 fps的速率记载视频，以可视化心房里面。

软机器东说念主通过上腔静脉(SVC)插入到生物机器东说念主腹黑逾越模子中。一个Y型畅通器被集成到流动回路中，一侧允许流体通过SVC流入腹黑，而另一侧用于机器东说念主插入。末端畅通了一个定制的适配器，以确保柔滑机器东说念主周围的流体密封。

4.3体内商议缔造

讹诈体内平台来履行介入机器东说念主的可行性测试。使用猪动物模子，因为它们的心血管系统在剖解尺寸(脉管系统和心腔)和血液能源学方面与东说念主类至极相似。实验时间的生命体征监测包括全身血压(动脉导管)、中心静脉压(中心静脉导管)、氧饱和度(脉搏血氧测定)、核心温度(直肠温度计)和心律(心电图)。这项商议是字据好意思国国立卫生商议院的动物照应和使用指南进行的，并得到了波士顿儿童病院动物照应和使用委员会的批准(决策00001887)。扫数动物都按照《实验动物照应和使用指南》接受东说念主说念照应。

雌性约克夏猪(65-70公斤，n= 5)通过肌肉打针赐与泰拉唑(4.4毫克/千克)、甲苯噻嗪(2.2毫克/千克)和阿托品(0.04毫克/千克)安定，并置于吸入异氟醚(3%诱骗，0.5%-2.0%保管)。将外周静脉导管插中听静脉，以250 cc/h的速率输注等渗液体。将猪插管并平卧在手术台上。右股总静脉中心线(7-Fr三腔；用于监测中心静脉压和给药)和右股总动脉导管(9-Fr；用于监测全身血压)，并动手静脉(IV)输注利多卡因(25微克/千克/分钟)，以古老性责难安装操作时间的心律失常风险，出奇是心室纤颤。

通过沿着胸锁乳突肌前缘的切口在右颈部进行切开。通过钝性和机敏的剖解披露右颈外静脉(EJV )，用血管环环绕静脉的近端和远端以确立血管限度。血管通路接纳径直针刺法，然后放手导丝，并使用系列血管扩张器(12、16和20 Fr)扩张静脉。将带有顽固器和充气阀的24 Fr护套(GORE DRYSEAL Flex导管鞘，Gore Medical，Newark，DE)穿过导丝并固定到位，在荧光镜下笃定护套的远端在腔室畅通处上方4 cm处。静脉打针肝素(200 u/kg )，主见活化凝血时刻卓著350 s，在通盘实验过程中每30分钟搜检一次。

或者，如果EJV弗成充分扩张以允许鞘管插入，则通过从胸骨切迹至剑突的圭表中线切口进行胸骨切开术。在用飘浮骨锯分开胸骨后，放手胸骨牵开器并加宽以提供满盈的披露。打振作包，从新臂静脉汇合处向右心房(RA)披露上腔静脉。在近端上腔静脉放手一个侧咬式血管夹，然后用4–0聚丙烯缝线将一个10 mm的涤纶管移植物端侧吻合到上腔静脉。

4.4体内商议规律

这些动物窥伺的目的是:( 1)诠释安装在脉动流体责任空间中有用责任的本事;( 2)评估安装促进CS插管的本事;( 3)通过进行双心室腹黑起搏评估安装的起搏器导线定位。

为了诠释这些主见，列举了几个方针，包括(1)在到手插入cs之前导丝探伤尝试的次数；(2)CS插管时刻，界说为在SVC中肃肃安装、使用荧光镜教会导航至CS口以及使用7 Fr教会导管插入CS所需的时刻长度；(3)造影赞助考证的时刻，界说为CS插管的时刻加上通过造影剂打针阐明位置所需的额外时刻；以及(4)荧光透视披露的捏续时刻，界说为从通过依然定位的护套插入软机器东说念主平台到对比赞助考证所使用的荧光透视的总捏续时刻。次要主见包括确立电拿获和演示动物心室起搏的本事。

由于机器东说念主的一次性使用性质，每个动物商议都制作了新的原型，幸免了消毒的需要。通过鞘管或移植管插入柔滑的机器东说念主安装，并在荧光镜教会下向右心房股东。肃肃机构部署在远端上腔静脉，软机器东说念主的基座位于右心房内。机器东说念主平台的正确运转定位对于在RA内最大化软机械手的可操作性是至关迫切的。举例，如果机器东说念主在SVC中肃肃得太好，那么足下器将在成角度的腔室畅通处宣战组织。此外，推敲到其曲率半径，将足下器的底座进一步伸入右心房退却了操作家到手进行CS插管。进行荧光透视静止帧图像和血管造影片以确保稳妥的定位。一朝阐明，该安装由任天国Wii Classic限度器足下，并导向CS口的典型剖解位置(沿着下后房室沟)。一根0.035英寸的导丝穿过机器东说念主的中央通说念。通过机器东说念主中央通说念联结使用荧光镜搜检、导线探伤和ioversol对比剂打针，以促进右心房内的导航和冠状动脉窦口的识别。

一朝笃定，足下器的顶端集聚窦口，使用导丝插入CS。一个7 Fr辐照器教会导管(明尼苏达州明尼阿波利斯的好意思敦力公司)通过机器东说念主的中央通说念放手在导丝上，并股东到CS中。移除导线，通过导管打针ioversol对比剂，阐明在血管造影下到手插入CS。4 Fr起搏导线穿过导管参预CS，用于收场电拿获。这完成了实验，通过放血对动物实施安乐死。

看成对照，使用圭表9 Fr Worley冠状窦导管(犹他州南乔丹市Merit Medical公司)看成对照。相似，主要方针是导丝探针尝试次数、cs插管时刻、造影赞助考证时刻和荧光镜搜检总捏续时刻。在放手用于机器东说念主部署的24 Fr插入鞘之前，如上所述通过径直针刺将9 Fr CS教会鞘放手在右EJV。在机器东说念主商议之前，将CS导管鞘插入24 Fr导管鞘预期位置的正上方，并在远端结扎EJV。在荧光镜的教会下，CS导管鞘参预右心房。荧光镜搜检、通过CS导管鞘和/或导管的中央通说念打针造影剂以及导线探伤的组合用于在右心房内导航和识别CS窦口。一朝笃定后，将CS导管鞘股东至窦口隔邻，使用0.035”导丝插入CS。将7 Fr冠状动脉导管置于导丝上，并股东至冠状动脉内。移除导丝，通过导管打针造影剂，在血管造影术下阐明CS到手插管。

在屡次体内会话之间，临床大夫进行了四次运转CS插管尝试:一次使用圭表开拓，两次使用盐水溶液驱动的机器东说念主，一次使用造影剂-盐水搀杂物驱动的机器东说念主。后续插管尝试的次数是字据每次插管的剩余时刻笃定的。最终，用圭表器用进行了五次后续插管，而用机器东说念主进行了四次后续插管。窥伺的礼貌(即从圭表器用照旧机器东说念主动手)是立时选拔的，因为这个礼貌不会影响操作员的弘扬。

感谢

咱们感谢T. Shingade、A. Shi和M. Neduncheliyan(波士顿大学)在临床窥伺前的组件制造和原型准备方面所作念的不懈戮力。咱们感谢s·李、陆虎·盖塔和a·卡梅隆(波士顿大学)对这项责任的反馈。这项责任得到了好意思国国立卫生商议院(NIH)的国度生物医学成像和生物工程商议所(NIBIB)的支捏，奖励R21EB028363。试验实足由作家认真，并不代表NIH的官方不雅点。这项责任还得到了DoE GAANN Award P200A210041和好意思国国立卫生商议院NCATS波斯顿大学CTSI分校1UL1TR001430的资助。j . r . d . r . l . z . d . h .和T.R .是波士顿大学提交的一项专利的发明东说念主，该专利波及“导管足下安装偏执用途”。

利益打破

作家声明莫得利益打破短视频。