Мініатюрний маніпулятор, натхненний оригами, покращує точність та контроль оперативних операцій

Мінімально інвазивна лапароскопічна хірургія, в якій хірург використовує інструменти та крихітну камеру, вставлену в невеликі розрізи для виконання операцій, зробила хірургічні процедури безпечнішими як для пацієнтів, так і для лікарів протягом останнього півстоліття. Останнім часом хірургічні роботи почали з’являтися в операційних, щоб надалі надавати допомогу хірургам, дозволяючи їм маніпулювати декількома інструментами одночасно з більшою точністю, гнучкістю та контролем, ніж це можливо за допомогою традиційних методик. Однак цих робототехнічних систем надзвичайно багато, вони часто займають цілу кімнату, і їх інструменти можуть бути набагато більшими, ніж делікатні тканини та структури, на яких вони працюють.

Співпраця між доцентом факультету Wyss Робертом Вудом, доктором наук. та інженер з робототехніки Хіроюкі Сузукі з корпорації Sony принесла хірургічну робототехніку до мікромасштабу, створивши новий мініатюрний дистанційний центр маніпулятора руху (націлений на орігамі) (міні-RCM). Робот розміром з тенісний м'яч, важить приблизно стільки ж копійки, і успішно виконав важке хірургічне завдання, як описано в недавньому випуску журналу Природа машинного інтелекту.

"Унікальні технічні можливості лабораторії Вуд для виготовлення мікророботів привели до ряду вражаючих винаходів за останні кілька років. Я був переконаний, що він також має потенціал зробити прорив і в галузі медичних маніпуляторів". сказав Сузукі, який почав працювати з Вудом над міні-RCM у 2018 році в рамках співпраці Гарварда і Соні. "Цей проект мав великий успіх".

Міні-робот для мікрозадач

Щоб створити свого мініатюрного хірургічного робота, Suzuki і Wood звернулися до технології виготовлення Pop-Up MEMS, розробленої в лабораторії Вуда, в якій матеріали наносяться один на одного шарами, які з'єднані між собою, а потім вирізаються лазером за певним малюнком, дозволяє бажаній тривимірній формі "спливати", як у дитячій спливаючій картинці. Ця методика значно спрощує масове виробництво невеликих складних конструкцій, які в іншому випадку повинні бути кропітко побудовані вручну.

Команда створила паралелограмну форму, яка слугувала б основною структурою робота, потім виготовила три лінійні приводи (міні-ЛА) для управління рухом роботи: один паралельний до нижньої частини паралелограма, який піднімає і опускає його, один перпендикулярно до паралелограм, який обертає його, і один на кінчику паралелограма, який розширює та втягує інструмент у користування. В результаті вийшов робот, який значно менший і легший, ніж інші мікрохірургічні пристрої, розроблені раніше в академічних колах.

Міні-ЛА самі по собі дивуються мініатюрі, побудованій навколо п'єзоелектричного керамічного матеріалу, який змінює форму при застосуванні електричного поля. Зміна форми підштовхує «бігунний блок» міні-LA уздовж його «рейкового вузла», як поїзд на поїзних коліях, і цей лінійний рух використовується для переміщення робота. Оскільки п'єзоелектричні матеріали за своєю суттю деформуються, коли вони змінюють форму, команда також інтегрує оптичні датчики на основі світлодіодів у міні-ЛА для виявлення та виправлення будь-яких відхилень від потрібного руху, таких як спричинені тремтінням руки.

Більш міцні, ніж руки хірурга

Щоб імітувати умови операції з телеоперацією, команда підключила mini-RCM до пристрою Phantom Omni, який маніпулював mini-RCM у відповідь на рухи користувача користувача, керуючи інструментом, подібним до пера. У їх першому тесті було оцінено здатність людини простежити крихітний квадрат, менший від кінчика кулькової ручки, переглянувши мікроскоп і простежити його вручну, або простежити його за допомогою міні-RCM. Тести mini-RCM різко підвищили точність користувача, зменшивши помилку на 68% порівняно з ручним керуванням — особливо важлива якість з огляду на точність, необхідну для ремонту дрібних і делікатних структур в організмі людини.

Враховуючи успіх міні-RCM в дослідженні на тестування слідів, тоді дослідники створили макетну версію хірургічної процедури під назвою кануляція сітківки сітківки, в якій хірург повинен обережно вставити голку через око, щоб ввести терапевтичні засоби в крихітні вени в задній частині очне яблуко. Вони виготовили силіконову трубку такого ж розміру, як вена сітківки (приблизно вдвічі більше за товщину людського волосся), і успішно проколювали її голкою, прикріпленою до кінця міні-RCM, не спричиняючи місцевих пошкоджень чи порушень.

Окрім своєї ефективності у виконанні делікатних хірургічних маневрів, невеликий розмір mini-RCM надає ще одну важливу перевагу: його легко встановити та встановити, а у випадку ускладнення чи відключення електрики робота може бути легко знята з тіло пацієнта вручну.

"Метод Pop-Up MEMS виявляється цінним підходом у ряді областей, де потрібні невеликі, але вдосконалені машини, і це було дуже задоволення, знаючи, що він має потенціал для підвищення безпеки та ефективності операцій, щоб зробити їх рівними менш інвазивний для пацієнтів ", — сказав Вуд, який також є професором інженерно-прикладних наук Чарльз-Рівер Гарвардської школи інженерно-прикладних наук Джона А. Полсона (SEAS).

Дослідники мають на меті збільшити силу приводів робота, щоб покрити максимальні сили, що виникають під час операції, та підвищити його точність позиціонування. Вони також проводять дослідження за допомогою лазера з більш коротким імпульсом під час обробки, щоб поліпшити роздільну здатність міні-ЛА.

"Ця унікальна співпраця між лабораторією Вуда та Sony ілюструє переваги, які можуть виникнути при поєднанні реального фокусу галузі з інноваційним духом наукових колективів, і ми з нетерпінням чекаємо, як вплине ця робота на хірургічну робототехніку найближчим часом. в майбутньому ", — сказав засновник інституту Wyss Дон Інгбер, доктор наук, доктор наук, який також є професором судинної біології в Гарвардській медичній школі та Бостонській дитячій лікарні в Джуді Фолкманом і професором біоінженерії в SEAS.

Facebook Comments