Matter：フレキシブル繊維ロボットレーザーメスの材料と製造への挑戦

 

発売日：[2024/3/4]
 

Physical science
2024年2月1日、上海交通大學(xué)醫(yī)療ロボット研究院の楊広中院士チームは華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶光明教授チームと共同で、Cell Press細(xì)胞出版社の定期刊行物Matterに「Flexible fiberbotic laser scalpels：material and fabrication chalenges」と題する展望文章をオンラインで発表した。
本文はレーザーメスと連続體ロボット技術(shù)の基本的な仕事のメカニズムと潛在的な応用を述べ、精密外科醫(yī)療分野におけるその研究の進(jìn)展を討論し、そしてフレキシブル繊維ロボットレーザーメスを潛在的な新型低侵襲外科手術(shù)加工技術(shù)として提案し、知能化醫(yī)療ロボットの機(jī)能性と臨床適応性を高める上での優(yōu)位性と巨大な挑戦を提出し、そしてこの分野の將來の方向に対して展望を行った。
低侵襲手術(shù)は安全、切り口が小さい、術(shù)後の回復(fù)が速いなどの獨(dú)特な優(yōu)位性があり、精密外科醫(yī)療の発展を大いに促進(jìn)した?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)や生物工學(xué)などの學(xué)科の発展に伴い、メスは単一の金屬工具から超音波ナイフ、無線周波電気ナイフなどに発展し、手術(shù)効率を大幅に向上させた。それでも、複雑な手術(shù)シーンでは、メスはデバイススケールが大きく、剛性が強(qiáng)く、操作性が不足しているなどの問題があり、手術(shù)治療効果を大幅に低下させた。レーザーメス技術(shù)の出現(xiàn)は精密外科醫(yī)療分野の重要なマイルストーンであり、大量の臨床研究により、高いアブレーション精度と効率、出血の少なさと副損傷の小ささなどの顕著な優(yōu)位性があり、低侵襲手術(shù)組織加工において広い応用の將來性があることが証明された。しかし、低スケールのフレキシブルレーザーエネルギー伝送媒體の機(jī)械的及び光學(xué)的性能に対する低侵襲手術(shù)の高い要求、及び伝送媒體と醫(yī)療ロボットの集積方式の限界は、低侵襲手術(shù)におけるレーザーメス技術(shù)の深い応用に大きな挑戦をもたらした。
機(jī)械加工に基づく従來の手術(shù)工具とは異なり、レーザーメスは獨(dú)特の組織光學(xué)作用により効率的な生物組織加工を?qū)g現(xiàn)する。本文は軟組織と硬組織の切除に対する光熱アブレーションと光誘起機(jī)械アブレーションのメカニズムを詳しく述べ、組織の凝結(jié)、炭化などの熱損傷を緩和するための水伝導(dǎo)と超短パルスレーザー技術(shù)の研究進(jìn)展を討論した（図1）。さらに、本文はNd、Ho、Tm、ErとCO 2レーザーを主とする赤外醫(yī)療光源の歯科、泌尿器外科などの多種の手術(shù)領(lǐng)域における特徴、優(yōu)位性と応用価値を分析し、そして新型手術(shù)レーザー光源技術(shù)の進(jìn)歩がレーザー伝送媒體の柔軟性、安定性と操作性などの面でもたらした巨大な挑戦を強(qiáng)調(diào)した。
レーザ伝送媒體は、レーザメスシステムにおける重要なデバイスとして、レーザエネルギーを特定の手術(shù)部位に安定して送出する必要がある。本文システムは導(dǎo)光腕、中空導(dǎo)波路と赤外光ファイバの3種類の主要な醫(yī)療用レーザー伝送媒體の研究現(xiàn)狀を述べ、そして小尺度、高霊活性の赤外光ファイバデバイスの低侵襲外科醫(yī)療における応用潛在力を強(qiáng)調(diào)した。本文は赤外光ファイバデバイスの研究進(jìn)展を全面的に分析し、レーザー伝送閾値、光學(xué)損失と機(jī)械的柔軟性の角度からErレーザーとCO 2レーザーにおけるファイバのデバイス性能を比較した（図2）、そして高光學(xué)損失と低機(jī)械強(qiáng)度は赤外光ファイバデバイスの外科手術(shù)における深さ応用を制限する重要な要素であることを指摘した。ここ數(shù)年來、多材料繊維技術(shù)の急速な発展は、光、力、電気、磁気などの物理性能を異にする複合材料の高度な一體化集積は、高可撓性低損失中赤外光ファイバを開発し、手術(shù)器具の機(jī)能性をさらに向上させるために信頼性のある研究サポートを提供した。
手術(shù)器具の正確な操作は高効率低侵襲手術(shù)を?qū)g現(xiàn)する重要な要素である。材料科學(xué)と生物工學(xué)學(xué)科の急速な発展は、駆動(dòng)方式の多様な連続體手術(shù)ロボットの研究を生み出し、精密外科醫(yī)療の発展を促進(jìn)した。本文は既存の連続體ロボットの駆動(dòng)メカニズムと特性を全面的に分析し（図3）、磁気駆動(dòng)方式に基づく連続體ロボットの安全、正確、知能化外科手術(shù)介入における巨大な潛在力を指摘した。また、本文はさらにフレキシブル繊維ロボットレーザーメスの概念を提案し、レーザーメスと醫(yī)療連続體ロボットの結(jié)合はそれのより広範(fàn)な臨床応用を推進(jìn)し、これらのシステムはすでに泌尿器外科、婦人科と耳鼻咽喉科手術(shù)に成功した。
より複雑な臨床生理構(gòu)造と手術(shù)環(huán)境に適応するためには、手術(shù)機(jī)器の機(jī)能性をさらに向上させる必要がある。本文は重點(diǎn)的に醫(yī)療ロボットの位置決め、イメージングと情報(bào)感知などの方面の研究進(jìn)展を紹介し、電磁追跡（EM）とブラッグ光ファイバ格子（FBG）センサーに基づく位置決めシステム、電荷結(jié)合素子CCD/CMOSと光ファイバビームに基づくイメージングシステム、力感知及び溫度感知フィードバックデバイスなどの技術(shù)の発展、特徴と応用潛在力を検討した。また、本文は連続體ロボット構(gòu)造に基づくフレキシブル繊維ロボットレーザーメスを提案し、それは位置決め、イメージングと感知機(jī)能を集積し、連続體ロボット骨格と機(jī)能裝置から構(gòu)成され、その核心機(jī)能はレーザーアブレーション、駆動(dòng)と情報(bào)取得であり、レーザー伝送媒體、駆動(dòng)モジュールとロボット骨格に埋め込まれたセンサーを通じて実現(xiàn)する（図4）。
外科手術(shù)器具の革新的発展は精密外科醫(yī)療技術(shù)の急速な進(jìn)歩を駆動(dòng)する重要な要素である。レーザーメスは小尺度、高度で柔軟、高効率の方向に向かって発展しており、ナビゲーション操作、位置決め、イメージング、情報(bào)感知などの機(jī)能デバイスと深く融合することで、より狹く、複雑で多様な手術(shù)環(huán)境の需要を満たすために、臨床分野で多くの畫期的な進(jìn)展を遂げている。本文の最後に未來のフレキシブル繊維ロボットレーザーナイフの正確な外科醫(yī)療における優(yōu)位性と巨大な挑戦を総括し、そしてこの分野の未來の発展方向に対して展望を行った（図5）：（1）レーザー伝送媒體の材料、構(gòu)造と製造、高性能生體適合材料の革新と高性能導(dǎo)波構(gòu)造の設(shè)計(jì)を通じて、先進(jìn)的な繊維製造手段を結(jié)合して、安定、高効率醫(yī)療用レーザ出力のフレキシブルレーザ伝送媒體を開発した。（2）醫(yī)療ロボットの駆動(dòng)、モデリングとセンシング、狹い解剖構(gòu)造空間に向け、醫(yī)療ロボットの駆動(dòng)メカニズムと新型構(gòu)造設(shè)計(jì)を深く探究し、正確で安全な外科診斷と操作を?qū)g現(xiàn)する。（3）多材料繊維デバイスの開発は、臨床介入により柔軟かつインテリジェントな手術(shù)ツールを提供する。（4）光ファイバ先端マイクロナノ構(gòu)造の設(shè)計(jì)と製造、繊維ロボットの多モード操作戦略を豊富にする。（5）光ファイバ側(cè)面上の分散センシングは、ロボットに局所環(huán)境情報(bào)を正確に取得する能力を提供する。

華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)の博士課程生である鄒郁祁、任志禾、向遠(yuǎn)卓、修士課程生である劉超は論文共同第一著者であり、上海交通大學(xué)の楊広中院士と華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)の陶光明教授は論文共同通信著者であり、協(xié)力機(jī)関には中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所なども含まれる。この仕事は國家重點(diǎn)研究開発計(jì)畫、國家自然科學(xué)基金、華中科學(xué)技術(shù)大學(xué)交差研究支援計(jì)畫などのプロジェクトの支持を得た。

図1レーザーアブレーション機(jī)構(gòu)と臨床応用。

図2の典型的な中赤外光ファイバデバイス及びその性能比較。

図3醫(yī)療連続體ロボット駆動(dòng)方式。

図4位置決め、イメージング、知覚が可能な多機(jī)能連続體ロボット。

図5未來のフレキシブルファイバーロボットレーザーメス。