激光转向微型机器人旨在完善微创手术燕妮

激光转向微型机器人旨在完善微创手术

在微创手术中，外科医生通过自然孔口或小的外部切除进入内部组织是医学中的常见做法。它们用于解决各种各样的问题，例如通过导管输送支架、治疗腹部并发症以及在神经系统疾病患者的颅底进行经鼻手术。

用于此类手术的设备的末端具有高度的灵活性，可以对目标组织中的手术部位进行可视化和特定操作对于允许外科医生切割或干燥组织并阻止体内深处出血的能量输送设备，在设备的末端添加了一个发热能源。

然而，目前通过光纤或电极传送的可用能源，例如射频电流，必须靠近目标部位，这限制了手术精度，并可能导致相邻组织部分不必要的灼伤和烟雾的产生。

激光技术已经广泛用于许多外部手术，例如在眼睛或皮肤上进行的手术，将是一个有吸引力的解决方案。对于内窥镜手术，激光束需要在内窥镜的远端精确地转向、定位和快速重新定位，这是目前可用的相对庞大的技术无法完成的。

现在，由 Wyss 副教员 Robert Wood 博士和博士后研究员 Peter York 博士领导的机器人工程师在哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所和 John A. Paulson 工程与应用科学学院（ SEAS) 开发了一种采用 6×16 毫米微型封装的激光转向微型机器人，可高速、精确地运行，并可与现有的内窥镜工具集成。他们的方法可以帮助显着提高众多微创手术的能力。

“为了在体内进行微创激光手术，我们设计了一种微型机器人方法，使我们能够在感兴趣的解剖区域内以复杂的模式将激光束精确地引导到小目标部位，”该研究的第一作者和通讯作者约克说。研究和伍德的微型机器人团队的博士后研究员。

“凭借其大范围的关节、最小的占地面积以及快速而精确的动作，这种激光转向末端执行器具有巨大的潜力，只需以即插即用的方式添加到现有的内窥镜设备中即可提高手术能力。”

该团队需要克服光学转向机构在设计、驱动和微制造方面的基本挑战，该机构能够在激光束从光纤中射出后对其进行严格控制。这些挑战，以及对速度和精度的需求，因尺寸限制而加剧——整个机构必须安装在一个圆柱形结构中，直径大致相当于一根吸管的直径，才能用于内窥镜手术。

“我们发现，为了控制和重新定向激光束，在小型‘检流计’设计中可以相对于彼此快速旋转的三个小镜子的配置为我们的小型化工作提供了一个最佳点，”第二作者 Rut 说。 Pe?a 是 Wood 集团中具有微型制造专业知识的机械工程师。

“为了实现这一目标，我们利用了微制造库中的方法，其中模块化组件以毫米级逐步层压到上层结构上——这是一种高效的制造过程，可以快速迭代设计以寻找最佳方案，并交付大规模制造成功产品的稳健战略。”

该团队展示了他们的激光导向末端执行器，微型化为一个直径仅为 6 毫米，长度为 16 毫米的圆柱体，能够绘制并遵循复杂的轨迹，在这些轨迹中可以高速执行多次激光烧蚀，超过范围大，重复精度高。

激光转向微型机器人

激光转向装置可以追踪复杂的轨迹，例如暴露的电线以及几何形状内的单词。图片来源：哈佛大??学 Wyss 研究所

为了进一步表明该装置连接到普通结肠镜的末端后，可以应用于逼真的内窥镜任务，在 Wyss 临床研究员 Daniel Kent 的建议下，York 和 Pe?a 通过导航成功模拟了息肉的切除他们的设备通过远程操作在由橡胶制成的台式幻影组织中进行。肯特还是贝斯以色列女执事医疗中心普通外科的住院医师。

“在这种多学科方法中，我们设法利用我们在过去十年中开发的复杂微型机器人机制的快速原型设计能力，为临床医生提供了一种非破坏性的解决方案，使他们能够推进微创手术的可能性。具有改变生命或可能挽救生命的影响的人体，”资深作者伍德博士说，他也是 SEAS 工程与应用科学的查尔斯河教授。

Wood 的微型机器人团队与 Wyss 研究所的技术翻译专家一起为他们的方法申请了专利，现在正在进一步降低他们的医疗技术作为外科内窥镜附加组件的风险。

“Wyss 研究所专注于微型机器人设备，而这款由 Robert Wood 团队与临床医生和翻译专家跨学科合作开发的新型激光转向设备有望彻底改变在许多疾病领域进行微创外科手术的方式，”Wyss 说创始董事 Donald Ingber, MD, Ph.D.，同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学的 Judah Folkman 教授，以及 SEAS 的生物工程教授。

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