Matter 柔性纖維機(jī)器人激光手術(shù)刀的材料與制造挑戰(zhàn)

 

發(fā)布日期：[2024/3/4]
 

Physical science

2024年2月1日，上海交通大學(xué)醫(yī)療機(jī)器人研究院楊廣中院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)陶光明教授團(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社期刊Matter上在線發(fā)表了題為“Flexible fiberbotic laser scalpels: material and fabrication challenges”的展望文章。

文章闡述了激光手術(shù)刀和連續(xù)體機(jī)器人技術(shù)的基本工作機(jī)理與潛在應(yīng)用，討論了其在精準(zhǔn)外科醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并提出了柔性纖維機(jī)器人激光手術(shù)刀作為潛在的新型微創(chuàng)外科手術(shù)加工技術(shù)，在提升智能化醫(yī)療機(jī)器人功能性和臨床適應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)和巨大挑戰(zhàn)，并對(duì)該領(lǐng)域的未來方向進(jìn)行了展望。

微創(chuàng)手術(shù)具有安全、切口小和術(shù)后恢復(fù)快等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，極大促進(jìn)了精準(zhǔn)外科醫(yī)療的發(fā)展。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物工程學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，手術(shù)刀已從單一的金屬刀具發(fā)展到超聲刀、射頻電刀等，這極大地提升了手術(shù)效率。盡管如此，在復(fù)雜手術(shù)場(chǎng)景中，手術(shù)刀存在器件尺度大、剛性強(qiáng)和操控性不足等問題，嚴(yán)重降低了手術(shù)治療效果。激光手術(shù)刀技術(shù)的出現(xiàn)是精準(zhǔn)外科醫(yī)療領(lǐng)域的重要里程碑，大量臨床研究證明其具有高消融精度和效率、出血少和副損傷小等顯著優(yōu)勢(shì)，在微創(chuàng)手術(shù)組織加工中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，微創(chuàng)手術(shù)對(duì)于小尺度柔性激光能量傳輸介質(zhì)的機(jī)械和光學(xué)性能的高要求，以及傳輸介質(zhì)與醫(yī)療機(jī)器人的集成方式的局限性，給激光手術(shù)刀技術(shù)在微創(chuàng)手術(shù)中的深入應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)。

與基于機(jī)械加工的傳統(tǒng)手術(shù)工具不同，激光手術(shù)刀通過獨(dú)特的組織光學(xué)作用實(shí)現(xiàn)高效生物組織加工。文章詳細(xì)闡述了針對(duì)軟組織與硬組織切除的光熱消融與光致機(jī)械消融機(jī)理，并討論了水介導(dǎo)和超短脈沖激光技術(shù)在緩解組織凝結(jié)、碳化等熱損傷方面的研究進(jìn)展（圖1）。進(jìn)一步地，文章分析了以Nd、Ho、Tm、Er和CO2激光為主的紅外醫(yī)療光源在牙科、泌尿外科等多種手術(shù)領(lǐng)域的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用價(jià)值，并強(qiáng)調(diào)新型手術(shù)激光光源技術(shù)的進(jìn)步給激光傳輸介質(zhì)在靈活性、穩(wěn)定性和操控性等方面帶來的巨大挑戰(zhàn)。

激光傳輸介質(zhì)作為激光手術(shù)刀系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，需要穩(wěn)定地將激光能量遞送至特定手術(shù)部位。文章系統(tǒng)闡述了導(dǎo)光臂、空心波導(dǎo)和紅外光纖三類主要醫(yī)用激光傳輸介質(zhì)的研究現(xiàn)狀，并強(qiáng)調(diào)小尺度、高靈活性的紅外光纖器件在微創(chuàng)外科醫(yī)療中的應(yīng)用潛力。文章全面分析了紅外光纖器件的研究進(jìn)展，從激光傳輸閾值、光學(xué)損耗和機(jī)械柔性角度比較了光纖在Er激光和CO2激光中的器件性能（圖2），并指出高光學(xué)損耗和低機(jī)械強(qiáng)度是限制紅外光纖器件在外科手術(shù)中深度應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來多材料纖維技術(shù)的快速發(fā)展，不同光、力、電、磁等物理性能的復(fù)合材料高度一體化集成，為開發(fā)高柔性低損耗中紅外光纖并進(jìn)一步提升手術(shù)器械功能性提供了可靠研究支撐。

手術(shù)器械的精準(zhǔn)操控是實(shí)現(xiàn)高效微創(chuàng)手術(shù)的重要因素。材料科學(xué)與生物工程學(xué)科的快速發(fā)展，催生了驅(qū)動(dòng)方式多樣的連續(xù)體手術(shù)機(jī)器人研究，促進(jìn)了精準(zhǔn)外科醫(yī)療發(fā)展。文章全面分析了現(xiàn)有連續(xù)體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)理與特性（圖3），指出基于磁驅(qū)動(dòng)方式的連續(xù)體機(jī)器人在安全、精準(zhǔn)和智能化外科手術(shù)介入中的巨大潛力。此外，文章進(jìn)一步提出了柔性纖維機(jī)器人激光手術(shù)刀的概念，激光手術(shù)刀與醫(yī)療連續(xù)體機(jī)器人的結(jié)合推動(dòng)了其更為廣泛的臨床應(yīng)用，這些系統(tǒng)已成功應(yīng)用于泌尿外科、婦科和耳鼻喉科手術(shù)。

為適應(yīng)更為復(fù)雜的臨床生理結(jié)構(gòu)和手術(shù)環(huán)境，需要進(jìn)一步提升手術(shù)器械功能性。文章重點(diǎn)介紹了醫(yī)療機(jī)器人在定位、成像和信息感知等方面的研究進(jìn)展，探討了基于電磁追蹤（EM）和布拉格光纖光柵（FBG）傳感器的定位系統(tǒng)、基于電荷耦合元件CCD/CMOS和光纖束的成像系統(tǒng)、力感知以及溫度感知反饋器件等技術(shù)的發(fā)展、特點(diǎn)與應(yīng)用潛力。此外，文章提出了一種基于連續(xù)體機(jī)器人架構(gòu)的柔性纖維機(jī)器人激光手術(shù)刀，它集成有定位、成像和感知功能，由連續(xù)體機(jī)器人骨架和功能裝置組成，其核心功能是激光消融、驅(qū)動(dòng)和獲取信息，通過激光傳輸介質(zhì)、驅(qū)動(dòng)模塊和嵌入機(jī)器人骨架中的傳感器來實(shí)現(xiàn)（圖4）。

外科手術(shù)器械的創(chuàng)新發(fā)展是驅(qū)動(dòng)精準(zhǔn)外科醫(yī)療技術(shù)快速進(jìn)步的重要因素。激光手術(shù)刀正不斷朝著小尺度、高度靈活、高效率的方向發(fā)展，并通過與導(dǎo)航操控、定位、成像和信息感知等功能器件深度融合，以滿足更為狹窄、復(fù)雜多樣的手術(shù)環(huán)境需求，在臨床領(lǐng)域取得了諸多突破性進(jìn)展。文章的最后總結(jié)了未來柔性纖維機(jī)器人激光刀在精準(zhǔn)外科醫(yī)療中的優(yōu)勢(shì)和巨大挑戰(zhàn)，并對(duì)該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望（圖5）：（1）激光傳輸介質(zhì)的材料、結(jié)構(gòu)與制造，通過高性能生物相容材料創(chuàng)新與高性能波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合先進(jìn)纖維制造手段，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效醫(yī)療激光輸出的柔性激光傳輸介質(zhì)開發(fā)。（2）醫(yī)療機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、建模與傳感，面向狹窄的解剖結(jié)構(gòu)空間，深入探究醫(yī)療機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)理與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、安全的外科診斷與操作。（3）多材料纖維器件的開發(fā)，為臨床介入提供更為靈活和智能化的手術(shù)工具。（4）光纖尖端微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造，豐富纖維機(jī)器人的多模態(tài)操作策略。（5）光纖側(cè)表面上的分布式傳感，為機(jī)器人提供了精確獲取局部環(huán)境信息的能力。

華中科技大學(xué)博士生鄒郁祁、任志禾、向遠(yuǎn)卓、碩士生劉超為論文共同第一作者，上海交通大學(xué)楊廣中院士與華中科技大學(xué)陶光明教授為論文共同通訊作者，合作單位還包括中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)交叉研究支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

圖1 激光消融機(jī)理與臨床應(yīng)用。

圖2 典型中紅外光纖器件及其性能對(duì)比。


圖3 醫(yī)療連續(xù)體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式。

圖4 可定位、成像與感知的多功能連續(xù)體機(jī)器人。

圖5 未來的柔性纖維機(jī)器人激光手術(shù)刀。