液压驱动软体机器人直肠稳定器：降低前列腺放疗中直肠运动变异性的硅胶模型研究

《Frontiers in Oncology》：Hydraulic endorectal actuator for prostate radiotherapy reduces variations in motion in a silicone rectal phantom

本研究开发了一种创新的液压驱动软体机器人直肠稳定器（endorectal actuator），通过硅胶直肠模型验证其在前列腺放疗中降低直肠运动变异性的有效性。该装置通过液压膨胀实现"软插入-硬稳定"特性，可将直肠前后径变化从25mm降至5mm以内，前直肠壁（ARW）位移从15mm降至5mm以下，并能将直肠容积变化从132.3cm3减少至59.7cm3。研究证实该装置能稳定肛门直肠角（从+12°偏差降至+2°）并重现直肠位置，为改善放疗靶区精度和降低放射性直肠毒性提供了新技术方案。

　　

背景

前列腺癌放疗的精准度和并发症发生率受到直肠充盈度变化和患者运动的显著影响。传统直肠稳定装置如直肠球囊（ERB）和刚性闭孔器（ProSpare?）在运动控制方面存在局限性。本研究团队开发了一种新型液压驱动软体机器人直肠稳定器，该装置在插入时保持柔软特性，膨胀后则呈现刚性，旨在通过恢复肛门直肠角、提高靶区精度和降低毒性来优化放疗过程。

材料与方法

研究团队采用硅胶材料制备了具有生物力学特性的直肠模型，通过电机控制的弹性带模拟直肠张力和蠕动变化。模型验证显示其直肠顺应性为4.19ml/mmHg（40-60ml容积范围），故意设置为低顺应性以挑战装置性能。装置评估包括两个主要方面：抵抗动态蠕动力的能力，以及在不同初始位移下重现直肠位置和肛门直肠角的能力。

直肠模型的构建精细复现了人体直肠的关键参数：直径30-40mm（静息状态），壁厚2.5mm，长度80mm，肛门直肠角85°-125°。弹性带模拟puborectalis肌肉功能，而Ecoflex? 00-10硅胶材料（拉伸强度0.827MPa）确保了模型的机械真实性。通过barostat气球验证显示，模型直肠容量为134-140ml（40mmHg压力下），符合人体生理范围（100-250ml）。

装置性能验证

动态压缩测试中，直肠稳定器表现出卓越的运动控制能力。在模拟持续漂移、短暂偏移、持续偏移和高频偏移四种运动模式下，装置将直肠前后径变化从25mm降至5mm以内，前直肠壁位移从15mm降至5mm以下。视频追踪软件记录显示，装置植入后直肠中心和前直肠壁的二维位移均控制在3mm以内，显著优于无装置状态下的>5mm位移。

容积重现性评估表明，装置能将直肠容积变化从132.3cm³（对照组）减少至59.7cm³（装置组）。根据文献报道的直肠容积每增加1cm³导致前列腺前移0.06mm的规律，预计前列腺位移可从7.94mm降低至3.58mm，位移幅度减少超过50%。

位置稳定性研究

在肛门直肠角重现性方面，当前列腺模型前旋时，装置将角度偏差从+12°降至+2°，前直肠壁前位移从13mm减少至4mm。这种"锁定"机制确保了放疗过程中直肠位置的稳定性，特别是在术后放疗中，前直肠壁构成靶区边界的情况下尤为重要。

讨论与展望

本研究首次在生物力学验证的直肠模型中系统评估了液压驱动直肠稳定器的性能。装置通过降低直肠运动变异性，有望减少放疗分次内的前列腺运动误差，同时通过控制前直肠壁位移降低放射性直肠毒性风险。虽然模型在温度模拟（37°C）和黏液特性方面存在局限，但核心机械性能测试为临床转化提供了有力证据。

未来研究方向包括评估装置对放疗剂量分布的影响，改进装置设计实现单注射器操作以便患者自行植入，以及开展临床试验验证其安全性和有效性。该技术有望成为前列腺癌放疗领域的重要创新，通过提高治疗精度同时降低并发症风险，为患者带来显著临床获益。

结论

液压驱动软体机器人直肠稳定器在直肠模型中有效降低了直肠运动变异性，通过稳定直肠容积和位置改善了放疗靶区精度。该装置具备临床转化潜力，未来临床试验将验证其在人体中的实际效果。