Origami’den ilham alan minyatür manipülatör, teleoperasyonlu cerrahi prosedürlerin hassasiyetini ve kontrolünü iyileştirir
Teleoperasyonlu cerrahi robotlar ameliyathanelerde yaygın hale geliyor, ancak çoğu büyük (bazen bütün bir odayı kaplıyor) ve manipüle edilmesi zor. Harvard’ın Wyss Enstitüsü ve Sony Corporation arasındaki yeni bir işbirliği, bir kuruş kadar ağırlığa sahip bir tenis topu büyüklüğünde ve hassas sahte cerrahi prosedürlerde elle çalıştırılan araçlardan önemli ölçüde daha iyi performans gösteren bir cerrahi robot olan mini RCM’yi yarattı.
Cerrahın ameliyatları gerçekleştirmek için küçük kesiklere yerleştirilen küçük bir kamera ve aletler kullandığı minimal invaziv laparoskopik cerrahi, cerrahi prosedürleri son yarım yüzyılda hem hastalar hem de doktorlar için daha güvenli hale getirdi. Son zamanlarda cerrahi robotlar, cerrahlara geleneksel tekniklerle mümkün olandan daha fazla hassasiyet, esneklik ve kontrol ile aynı anda birden fazla aleti kullanmalarına izin vererek daha fazla yardımcı olmak için ameliyathanelerde görünmeye başladı. Bununla birlikte, bu robotik sistemler son derece büyüktür, genellikle bütün bir odayı kaplar ve aletleri, üzerinde çalıştıkları hassas dokulardan ve yapılardan çok daha büyük olabilir.
Wyss Associate Öğretim üyesi Robert Wood (Doktora dereceli) ve Sony Corporation’dan Robotik Mühendisi Hiroyuki Suzuki arasındaki işbirliği, yeni, origamiden ilham alan minyatür uzak hareket manipülatörü merkezi (“mini RCM”) oluşturarak cerrahi robotikleri mikro ölçeğe indirdi. Robot, bir tenis topu büyüklüğünde, yaklaşık bir kuruş ağırlığında ve Nature Machine Intelligence’ın son sayısında açıklandığı gibi, zor bir sahte cerrahi görevi başarıyla gerçekleştirdi.
Harvard-Sony işbirliğinin bir parçası olarak 2018’de mini RCM’de Wood ile çalışmaya başlayan Suzuki “Wood laboratuvarının mikro robotlar yapmak için benzersiz teknik yetenekleri, son birkaç yılda bir dizi etkileyici icatlara yol açtı ve tıbbi manipülatörler alanında da bir atılım yapma potansiyeline sahip olduğuna ikna oldum,” dedi. “Bu proje çok başarılı oldu.”
Mikro görevler için bir mini robot
Suzuki ve Wood, minyatür cerrahi robotlarını oluşturmak için Wood’un laboratuvarında geliştirilen Pop-Up MEMS üretim tekniğine başvurdular, burada malzemeler birbirine yapıştırılmış katmanlar halinde üst üste yerleştirildi ve daha sonra, istenen üç boyutlu şeklin bir çocuk pop-up resimli kitabında olduğu gibi “pop-up” olmasını sağlayan belirli bir modelde lazerle kesildi. Bu teknik, aksi takdirde titizlikle elle inşa edilmesi gereken küçük, karmaşık yapıların seri üretimini büyük ölçüde basitleştirir.
Ekip, robotun ana yapısı olarak hizmet etmek için paralelkenar bir şekil oluşturdu, ardından robotun hareketini kontrol etmek için üç doğrusal aktüatör (mini LA’lar) üretti: Paralelkenarı yükselten ve alçaltan bir paralelkenarın tabanına paralel, biri onu döndüren paralelkenara dik ve kullanımda aracı uzatan ve geri çeken paralelkenarın ucunda. Sonuç, daha önce akademide geliştirilen diğer mikrocerrahi cihazlarından çok daha küçük ve daha hafif olan bir robottu.
Mini LA’lar, bir elektrik alanı uygulandığında şekil değiştiren piezoelektrik seramik bir malzemenin etrafına inşa edilmiş minyatür harikalardır. Şekil değişikliği, mini-LA’nın “yolluk birimini” tren rayları üzerindeki bir tren gibi “ray birimi” boyunca iter ve bu doğrusal hareket robotu hareket ettirmek için kullanılır. Piezoelektrik malzemeler şekil değiştirdikçe doğal olarak deforme olduklarından, ekip ayrıca istenen hareketten el titremelerinin neden olduğu sapmalar gibi herhangi bir sapmayı tespit etmek ve düzeltmek için mini-LA’ya LED tabanlı optik sensörler entegre etti.
Bir cerrahın ellerinden daha sağlam
Ekip, teleoperasyonlu bir ameliyatın koşullarını taklit etmek için mini-RCM’yi, bir kullanıcının kalem benzeri bir aleti kontrol eden elinin hareketlerine yanıt olarak mini RCM’yi manipüle eden bir Phantom Omni cihazına bağladı. İlk testleri, bir insanın tükenmez kalemin ucundan daha küçük bir kareyi, mikroskoptan bakma ve onu elle izleme veya mini RCM kullanarak izleme becerisini değerlendirdi. Mini RCM testleri, kullanıcı doğruluğunu önemli ölçüde artırdı ve manuel çalışmaya kıyasla hatayı %68 oranında azalttı – insan vücudundaki küçük ve hassas yapıları onarmak için gereken hassasiyet göz önüne alındığında özellikle önemli bir kalite.
Mini-RCM ‘nin izleme testindeki başarısı göz önüne alındığında, araştırmacılar daha sonra retina ven kanülasyonu adı verilen bir cerrahi prosedürün sahte bir versiyonunu yarattılar; burada bir cerrah, terapötikleri göz küresinin arkasındaki küçük damarlara enjekte etmek için göze dikkatlice bir iğne sokmak zorundadır. Retina veniyle aynı boyutta (bir insan saçının yaklaşık iki katı kalınlığında) silikon bir tüp imal ettiler ve mini RCM’nin ucuna takılan bir iğne ile lokal hasara veya bozulmaya neden olmadan başarılı bir şekilde deldiler.
Hassas cerrahi manevralar gerçekleştirmedeki etkinliğine ek olarak, mini RCM’nin küçük boyutu başka bir önemli fayda sağlar: Kurulumu kolaydır ve bir komplikasyon veya elektrik kesintisi durumunda robot, bir hastanın vücudundan elle kolayca çıkarılabilir.
Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’nda (SEAS) Charles River Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Profesörü Wood, ” Pop-Up MEMS yöntemi, küçük ancak gelişmiş makineler gerektiren birçok alanda değerli bir yaklaşım olduğunu kanıtlıyor ve ameliyatların güvenliğini ve verimliliğini artırarak hastalar için daha az invaziv hale getirme potansiyeline sahip olduğunu bilmek çok tatmin ediyor.” dedi.
Araştırmacılar, bir operasyon sırasında karşılaşılan maksimum kuvvetleri karşılamak için robotun aktüatörlerinin gücünü artırmayı ve konumlandırma hassasiyetini geliştirmeyi hedefliyor. Ayrıca, mini-LA’lerin algılama çözünürlüğünü iyileştirmek için işleme sürecinde daha kısa darbeli bir lazer kullanmayı da araştırıyorlar.
Wyss Institute Founding Director Don Ingber “Wood laboratuvarı ve Sony arasındaki bu benzersiz işbirliği, endüstrinin gerçek dünya odağı ile yenilikçi akademinin ruhunu birleştirmekten doğabilecek faydaları gösteriyor ve yakın gelecekte bu çalışmanın cerrahi robotikler üzerindeki etkisini görmek için sabırsızlanıyoruz,” dedi.
Kaynak: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard
Yazar: Lindsay Brownell
Dergi Kaynağı: Hiroyuki Suzuki, Robert J. Wood. Origami-inspired miniature manipulator for teleoperated microsurgery. Nature Machine Intelligence, 2020; 2 (8): 437 DOI: 10.1038/s42256-020-0203-4
Bir yanıt yazın