Минимально инвазивная лапароскопическая хирургия, при которой хирург использует инструменты и крошечную камеру, вставленную в небольшие разрезы для выполнения операций, за последние полвека сделала хирургические процедуры более безопасными как для пациентов, так и для врачей. В последнее время в операционных стали появляться хирургические роботы, которые помогают хирургам манипулировать несколькими инструментами одновременно с большей точностью, гибкостью и контролем, чем это возможно при использовании традиционных методов. Однако эти робототехнические системы чрезвычайно велики, часто занимают целую комнату, а их инструменты могут быть намного больше, чем хрупкие ткани и структуры, на которых они работают.
Сотрудничество между Ассоциированным членом факультета Висса Робертом Вудом, доктором философии. и инженер-робототехник Хироюки Сузуки из Sony Corporation довели хирургическую робототехнику до микромасштаба, создав новый миниатюрный манипулятор с удаленным центром движения («мини-RCM»), вдохновленный оригами. Робот размером с теннисный мяч, весит примерно как пенни и успешно выполнил сложную имитацию хирургической операции, как описано в недавнем выпуске журнала Nature Machine Intelligence .
«Уникальные технические возможности лаборатории Вуда по созданию микророботов привели к ряду впечатляющих изобретений за последние несколько лет, и я был убежден, что она также может сделать прорыв в области медицинских манипуляторов», — сказал Сузуки, который начал работать с Вудом над мини-RCM в 2018 году в рамках сотрудничества Гарвард-Sony. «Этот проект имел большой успех».
Мини-робот для микрозадач
Чтобы создать своего миниатюрного хирургического робота, Сузуки и Вуд обратились к технологии производства Pop-Up MEMS, разработанной в лаборатории Вуда, при которой материалы наносятся друг на друга слоями, которые соединяются вместе, а затем вырезаются лазером по определенному шаблону, который позволяет желаемой трехмерной форме «всплывать», как в детской книжке с картинками. Этот метод значительно упрощает массовое производство небольших сложных конструкций, которые в противном случае пришлось бы кропотливо строить вручную.
Команда создала форму параллелограмма, которая будет служить основной структурой робота, а затем изготовила три линейных исполнительных механизма (мини-ЛП) для управления движением робота: один параллельно нижней части параллелограмма, который поднимает и опускает его, а второй — перпендикулярно оси. параллелограмм, который его вращает, и один на вершине параллелограмма, который выдвигает и втягивает используемый инструмент. В результате появился робот, который намного меньше и легче, чем другие микрохирургические устройства, ранее разработанные в академических кругах.
Мини-LA сами по себе представляют собой чудеса в миниатюре, построенные на основе пьезоэлектрического керамического материала, который меняет форму при приложении электрического поля. Изменение формы толкает «бегунок» мини-LA вдоль «рельсового узла», как поезд на железнодорожных путях, и это линейное движение используется для перемещения робота. Поскольку пьезоэлектрические материалы по своей природе деформируются при изменении формы, команда также интегрировала оптические датчики на основе светодиодов в мини-LA, чтобы обнаруживать и исправлять любые отклонения от желаемого движения, например, вызванные дрожанием рук.
Твердее рук хирурга
Чтобы имитировать условия удаленной операции, команда подключила мини-RCM к устройству Phantom Omni, которое манипулировало мини-RCM в ответ на движения руки пользователя, управляющего инструментом, похожим на ручку. В их первом тесте оценивалась способность человека обводить крошечный квадрат размером меньше кончика шариковой ручки, глядя в микроскоп и отслеживая его вручную, или отслеживая его с помощью мини-RCM. Тесты mini-RCM значительно повысили точность пользователя, уменьшив ошибку на 68% по сравнению с ручным управлением — особенно важное качество, учитывая точность, необходимую для ремонта небольших и хрупких структур человеческого тела .
Учитывая успех мини-RCM в тесте на отслеживание, исследователи затем создали имитацию хирургической процедуры, называемой канюляцией вены сетчатки, при которой хирург должен осторожно ввести иглу через глаз, чтобы ввести лекарство в крошечные вены на задней стороне глаза. глазное яблоко. Они изготовили силиконовую трубку того же размера, что и вена сетчатки (примерно в два раза толще человеческого волоса), и успешно проткнули ее иглой, прикрепленной к концу мини-RCM, не вызвав местного повреждения или разрушения.
Помимо эффективности выполнения сложных хирургических операций, небольшой размер мини-RCM обеспечивает еще одно важное преимущество: его легко настроить и установить, а в случае осложнения или отключения электроэнергии робот может быть легко удален из тело пациента вручную.
«Метод Pop-Up MEMS оказался ценным подходом в ряде областей, где требуются небольшие, но сложные машины, и было очень приятно узнать, что он может повысить безопасность и эффективность операций, чтобы сделать их даже менее инвазивен для пациентов », — сказал Вуд, который также является профессором инженерных и прикладных наук Чарльз Ривер в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS).
Исследователи стремятся увеличить силу приводов робота, чтобы покрыть максимальные силы, испытываемые во время операции, и повысить точность его позиционирования. Они также изучают возможность использования лазера с более коротким импульсом во время процесса обработки, чтобы улучшить разрешение обнаружения мини-LA.
«Это уникальное сотрудничество между лабораторией Вуда и Sony демонстрирует преимущества, которые могут возникнуть в результате сочетания реального мира промышленности с новаторским духом академических кругов, и мы с нетерпением ожидаем увидеть, какое влияние эта работа окажет на хирургическую робототехнику в ближайшем будущем. будущее », — сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы Джуды Фолкманом, а также профессором биоинженерии в SEAS.