Matter 柔性纖維機器人激光手術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，上海交通大學醫(yī)療機器人研究院楊廣中院士團隊聯(lián)合華中科技大學陶光明教授團隊在Cell Press細胞出版社期刊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刀和連續(xù)體機器人技術的基本工作機理與潛在應用，討論了其在精準外科醫(yī)療領域的研究進展，并提出了柔性纖維機器人激光手術刀作為潛在的新型微創(chuàng)外科手術加工技術，在提升智能化醫(yī)療機器人功能性和臨床適應性方面的優(yōu)勢和巨大挑戰(zhàn)，并對該領域的未來方向進行了展望。

微創(chuàng)手術具有安全、切口小和術后恢復快等獨特優(yōu)勢，極大促進了精準外科醫(yī)療的發(fā)展。隨著現(xiàn)代醫(yī)學和生物工程學等學科的發(fā)展，手術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效率。盡管如此，在復雜手術場景中，手術刀存在器件尺度大、剛性強和操控性不足等問題，嚴重降低了手術治療效果。激光手術刀技術的出現(xiàn)是精準外科醫(yī)療領域的重要里程碑，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，在微創(chuàng)手術組織加工中具有廣闊的應用前景。然而，微創(chuàng)手術對于小尺度柔性激光能量傳輸介質(zhì)的機械和光學性能的高要求，以及傳輸介質(zhì)與醫(yī)療機器人的集成方式的局限性，給激光手術刀技術在微創(chuàng)手術中的深入應用帶來了巨大挑戰(zhàn)。

與基于機械加工的傳統(tǒng)手術工具不同，激光手術刀通過獨特的組織光學作用實現(xiàn)高效生物組織加工。文章詳細闡述了針對軟組織與硬組織切除的光熱消融與光致機械消融機理，并討論了水介導和超短脈沖激光技術在緩解組織凝結(jié)、碳化等熱損傷方面的研究進展（圖1）。進一步地，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領域的特點、優(yōu)勢與應用價值，并強調(diào)新型手術激光光源技術的進步給激光傳輸介質(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)作為激光手術刀系統(tǒng)中的關鍵器件，需要穩(wěn)定地將激光能量遞送至特定手術部位。文章系統(tǒng)闡述了導光臂、空心波導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)療中的應用潛力。文章全面分析了紅外光纖器件的研究進展，從激光傳輸閾值、光學損耗和機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），并指出高光學損耗和低機械強度是限制紅外光纖器件在外科手術中深度應用的關鍵因素。近年來多材料纖維技術的快速發(fā)展，不同光、力、電、磁等物理性能的復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一步提升手術器械功能性提供了可靠研究支撐。

手術器械的精準操控是實現(xiàn)高效微創(chuàng)手術的重要因素。材料科學與生物工程學科的快速發(fā)展，催生了驅(qū)動方式多樣的連續(xù)體手術機器人研究，促進了精準外科醫(yī)療發(fā)展。文章全面分析了現(xiàn)有連續(xù)體機器人的驅(qū)動機理與特性（圖3），指出基于磁驅(qū)動方式的連續(xù)體機器人在安全、精準和智能化外科手術介入中的巨大潛力。此外，文章進一步提出了柔性纖維機器人激光手術刀的概念，激光手術刀與醫(yī)療連續(xù)體機器人的結(jié)合推動了其更為廣泛的臨床應用，這些系統(tǒng)已成功應用于泌尿外科、婦科和耳鼻喉科手術。

為適應更為復雜的臨床生理結(jié)構(gòu)和手術環(huán)境，需要進一步提升手術器械功能性。文章重點介紹了醫(yī)療機器人在定位、成像和信息感知等方面的研究進展，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的發(fā)展、特點與應用潛力。此外，文章提出了一種基于連續(xù)體機器人架構(gòu)的柔性纖維機器人激光手術刀，它集成有定位、成像和感知功能，由連續(xù)體機器人骨架和功能裝置組成，其核心功能是激光消融、驅(qū)動和獲取信息，通過激光傳輸介質(zhì)、驅(qū)動模塊和嵌入機器人骨架中的傳感器來實現(xiàn)（圖4）。

外科手術器械的創(chuàng)新發(fā)展是驅(qū)動精準外科醫(yī)療技術快速進步的重要因素。激光手術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、復雜多樣的手術環(huán)境需求，在臨床領域取得了諸多突破性進展。文章的最后總結(jié)了未來柔性纖維機器人激光刀在精準外科醫(yī)療中的優(yōu)勢和巨大挑戰(zhàn)，并對該領域的未來發(fā)展方向進行展望（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)新與高性能波導結(jié)構(gòu)設計，結(jié)合先進纖維制造手段，實現(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)療機器人的驅(qū)動、建模與傳感，面向狹窄的解剖結(jié)構(gòu)空間，深入探究醫(yī)療機器人驅(qū)動機理與新型結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)精準、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工具。（4）光纖尖端微納結(jié)構(gòu)的設計與制造，豐富纖維機器人的多模態(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。

華中科技大學博士生鄒郁祁、任志禾、向遠卓、碩士生劉超為論文共同第一作者，上海交通大學楊廣中院士與華中科技大學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院西安光學精密機械研究所等。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、華中科技大學交叉研究支持計劃等項目的支持。

圖1 激光消融機理與臨床應用。

圖2 典型中紅外光纖器件及其性能對比。


圖3 醫(yī)療連續(xù)體機器人驅(qū)動方式。

圖4 可定位、成像與感知的多功能連續(xù)體機器人。

圖5 未來的柔性纖維機器人激光手術刀。