Matter 柔性纤维机械人激光手术刀的资料与制作挑衅

 

宣布日期：[2024/3/4]
 

Physical science

2024年2月1日，上海交通大学医疗机械人研讨院杨广中院士团队连系华中科技大学陶光亮传授团队在Cell Press细胞出书社期刊Matter上在线颁发了题为“Flexible fiberbotic laser scalpels: material and fabrication challenges”的瞻望文章。

文章论述了激光手术刀和持续体机械人手艺的根基任务机理与潜伏利用，会商了其在精准内科医疗范畴的研讨停顿，并提出了柔性纤维机械人激光手术刀作为潜伏的新型微创内科手术加工手艺，在晋升智能化医疗机械人功效性和临床顺应性方面的上风和庞大挑衅，并对该范畴的将来标的目的停止了瞻望。

微创手术具备宁静、暗语小和术后规复快等怪异上风，极大增进了精准内科医疗的成长。跟着古代医学和生物工程学等学科的成长，手术刀已从单一的金属刀具成长到超声刀、射频电刀等，这极大地晋升了手术效力。虽然如斯，在庞杂手术场景中，手术刀存在器件标准大、刚性强和操控性缺乏等题目，严峻下降了手术医治结果。激光手术刀手艺的呈现是精准内科医疗范畴的首要里程碑，大批临床研讨证实其具备高融化精度和效力、出血少和副毁伤小等明显上风，在微创手术构造加工中具备广漠的利用远景。但是，微创手术对小标准柔性激光能量传输介质的机械和光学机能的高请求，和传输介质与医疗机械人的集成体例的范围性，给激光手术刀手艺在微创手术中的深切利用带来了庞大挑衅。

与基于机械加工的传统手术东西差别，激光手术刀经由过程怪异的构造光学感化完成高效生物构造加工。文章具体论述了针对软构造与硬构造切除的光热融化与光致机械融化机理，并会商了水介导和超短脉冲激光手艺在减缓构造固结、碳化等热毁伤方面的研讨停顿（图1）。进一步地，文章阐发了以Nd、Ho、Tm、Er和CO2激光为主的红外医疗光源在牙科、泌尿内科等多种手术范畴的特色、上风与利用代价，并夸大新型手术激光光源手艺的前进给激光传输介质在矫捷性、不变性和操控性等方面带来的庞大挑衅。

激光传输介质作为激光手术刀体系中的关头器件，须要不变地将激光能量递送至特定手术部位。文章体系论述了导光臂、空心波导和红外光纤三类首要医用激光传输介质的研讨近况，并夸大小标准、高矫捷性的红外光纤器件在微创内科医疗中的利用潜力。文章周全阐发了红外光纤器件的研讨停顿，从激光传输阈值、光学消耗和机械柔性角度比拟了光纤在Er激光和CO2激光中的器件机能（图2），并指出高光学消耗和低机械强度是限定红外光纤器件在内科手术中深度利用的关头身分。最近几年来多资料纤维手艺的疾速成长，差别光、力、电、磁等物理机能的复合资料高度一体化集成，为开辟高柔性低消耗中红外光纤并进一步晋升手术东西功效性供给了靠得住研讨撑持。

手术东西的精准操控是完成高效微创手术的首要身分。资料迷信与生物工程学科的疾速成长，催生了驱动体例多样的持续体手术机械人研讨，增进了精准内科医疗成长。文章周全阐发了现有持续体机械人的驱动机理与特征（图3），指出基于磁驱动体例的持续体机械人在宁静、精准和智能化内科手术参与中的庞大潜力。另外，文章进一步提出了柔性纤维机械人激光手术刀的观点，激光手术刀与医疗持续体机械人的连系鞭策了其更加普遍的临床利用，这些体系已成功利用于泌尿内科、妇科和耳鼻喉科手术。

为顺应更加庞杂的临床心理布局和手术情况，须要进一步晋升手术东西功效性。文章重点先容了医疗机械人在定位、成像和信息感知等方面的研讨停顿，切磋了基于电磁追踪（EM）和布拉格光纤光栅（FBG）传感器的定位体系、基于电荷耦合元件CCD/CMOS和光纤束的成像体系、力感知和温度感知反应器件等手艺的成长、特色与利用潜力。另外，文章提出了一种基于持续体机械人架构的柔性纤维机械人激光手术刀，它集成有定位、成像和感知功效，由持续体机械人骨架和功效装配构成，其焦点功效是激光融化、驱动和获得信息，经由过程激光传输介质、驱动模块和嵌入机械人骨架中的传感器来完成（图4）。

内科手术东西的立异成长是驱动精准内科医疗手艺疾速前进的首要身分。激光手术刀正不时朝着小标准、高度矫捷、高效力的标的目的成长，并经由过程与导航操控、定位、成像和信息感知等功效器件深度融会，以知足更加狭小、庞杂多样的手术情况需要，在临床范畴获得了诸多冲破性停顿。文章的最初总结了将来柔性纤维机械人激光刀在精准内科医疗中的上风和庞大挑衅，并对该范畴的将来成长标的目的停止瞻望（图5）：（1）激光传输介质的资料、布局与制作，经由过程高机能生物相容资料立异与高机能波导布局设想，连系前进前辈纤维制作手腕，完成不变、高效医疗激光输入的柔性激光传输介质开辟。（2）医疗机械人的驱动、建模与传感，面向狭小的剖解布局空间，深切探讨医疗机械人驱动机理与新型布局设想，完成精准、宁静的内科诊断与操纵。（3）多资料纤维器件的开辟，为临床参与供给更加矫捷和智能化的手术东西。（4）光纤尖端微纳布局的设想与制作，丰硕纤维机械人的多模态操纵战略。（5）光纤侧外表上的散布式传感，为机械人供给了切确获得部分情况信息的才能。

华中科技大学博士生邹郁祁、任志禾、向远卓、硕士生刘超为论文配合第一作者，上海交通大学杨广中院士与华中科技大学陶光亮传授为论文配合通信作者，协作单元还包含中国迷信院西安光学紧密机械研讨所等。该任务获得了国度重点研发打算、国度天然迷信基金、华中科技大学穿插研讨撑持打算等名目的撑持。

图1 激光融化机理与临床利用。

图2 典范中红外光纤器件及其机能对照。


图3 医疗持续体机械人驱动体例。

图4 可定位、成像与感知的多功效持续体机械人。

图5 未来职业的主动仟维机械制造人缴光项目刀。