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哈佛大学开发激光转向微机器人

2021年1月14日,来自哈佛大学Wyss研究所和John A.Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的机器人工程师开发了一种激光转向微机器人,它可以与现有的内窥镜工具集成,用于微创手术。他们的方法被报道在《科学机器人》上。

内窥镜工具的末端必须高度灵活,以实现对目标组织中手术部位的可视化和操作。目前,通过光纤或电极输送的可用的能量源,限制了手术精度,并可能在相邻组织造成不必要的灼伤,产生烟雾。虽然激光技术将是一个有吸引力的解决方案,但激光束需要在内窥镜的远端进行精确的引导、定位和快速重新定位,而目前可用的相对笨重的技术无法做到这一点。

该团队面临着光学转向机构的设计、致动和微细加工方面的挑战,微型机器人能够严格控制激光束从光纤中出来后的路径。这些挑战,再加上对速度和精度的要求,尺寸的限制让开发设计难上加难。整个机器必须被安置在一个圆柱形结构中,直径约为饮管的直径,才能用于内窥镜手术。

在怀斯研究所(Wyss)副教授查尔斯·瑞文(Charles River)工程与应用科学教授罗伯特-伍德(Robert Wood)和怀斯研究所(Wyss)生物启发工程研究所和SEAS的博士后彼得-约克(Peter York)的带领下,研究人员开发了一个尺寸为6×16毫米的微型机器人,它能够高速而精确地操作,并且可以与现有的内窥镜工具集成。

研究员约克说:“凭借其大范围的衔接、最小的足迹和快速精确的动作,激光转向末端执行器具有很大的潜力,只需要简单地将它插入到现有的内窥镜设备中,就可以提高手术效果。”

在橡胶制的结肠中演示

激光转向装置在一个真人结肠大小的模型中进行演示。

该团队展示了他们的激光转向末端执行器,微型化到直径仅6毫米、长度仅16毫米的圆柱体。演示表明,该微型机器人能够有效地绘制和跟踪复杂的轨迹,例如可以在大范围内高速地进行多次激光消融,并且可以高度准确地重复。

"对于转向和重新引导激光束,我们发现用三个小镜子来配置直径为6毫米,长度为16毫米的设备,可在一个小小的振镜中相对于彼此快速旋转。"机械工程师Rut Pena说:“为了达到这一目标,我们利用了我们的微加工武器库中的方法:模块化组件逐步层压在毫米级的上层建筑上。这个微加工武器的方法是涉及到快速迭代设计时候的最佳方案,是提供大规模制造成功产品的稳健策略。”

教授伍德表示:“在这种多学科的方法中,我们设法利用我们的能力,迅速建立复杂的微型机器人机制,我们在过去十年中开发了这种机制,为临床医生提供一种非破坏性的解决方案,使他们能够在挽救生命或者发现潜在生命威胁的情况下,在人体内推进微创手术。”

为了进一步证明该设备在连接到普通结肠镜末端时,可以应用于内窥镜任务,York和Pea在Wyss临床研究员Daniel Kent的建议下,该设备连接到结肠镜的末端,在一个由橡胶制成的台式幻影组织上模拟切除息肉。该团队利用远程操作成功地引导该设备穿过组织,并切除息肉。

这项研究由美国国家科学基金会(National Science Foundation)以及怀斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)资助。

Wood的微机器人研究人员与Wyss研究所的技术转化专家对此项研究成果申请了专利。


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