抖圈官网

Matter 柔性纤维机械人激光手术刀的资料与造作挑战

 

颁布日期：[2024/3/4]
 

Physical science

2024年2月1日，上海交通大学医疗机械人钻研院杨广中院士团队结合华中科技大学陶光明教授团队在Cell Press细胞出版社期刊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陆续体机械人技术的根基工作机理与潜在利用，会商了其在精准表科医疗领域的钻研进展，并提出了柔性纤维机械人激光手术刀作为潜在的新型微创表科手术加工技术，在提升智能化医疗机械人职能性和临床适应性方面的优势和巨大挑战，并对该领域的未来方向进行了瞻望
。

微创手术拥有安全、隐语幼和术后复原快等怪异优势，极大推进了精准表科医疗的发展
。随着现代医学和生物工程学等学科的发展，手术刀已从单一的金属刀具发展到超声刀、射频电刀等，这极大地提升了手术效能
。只管如此，在复杂手术场景中，手术刀存在器件尺度大、刚性强和操控性不及等问题，严沉降低了手术医治成效
。激光手术刀技术的出现是精准表科医疗领域的沉要里程碑，大量临床钻研证明其拥有高消融精度和效能、出血少和副危险幼等显著优势，在微创手术组织加工中拥有辽阔的利用远景
。然而，微创手术对于幼尺度柔性激光能量传输介质的机械和光学机能的高要求，以及传输介质与医疗机械人的集成方式的局限性，给激光手术刀技术在微创手术中的深刻利用带来了巨大挑战
。

与基于机械加工的传统手术工具分歧，激光手术刀通过怪异的组织光学作用实现高效生物组织加工
。文章具体论述了针对软组织与硬组织切除的光热消融与光致机械消融机理，并会商了水介导和超短脉冲激光技术在缓解组织凝固、碳化等热危险方面的钻研进展（图1）
。进一步地，文章分析了以Nd、Ho、Tm、Er和CO2激光为主的红表医疗光源在牙科、泌尿表科等多种手术领域的特点、优势与利用价值，并强调新型手术激光光源技术的进取给激光传输介质在矫捷性、不变性和操控性等方面带来的巨大挑战
。

激光传输介质作为激光手术刀系统中的关键器件，必要不变地将激光能量递送至特定手术部位
。文章系统论述了导光臂、空心波导和红表光纤三类重要医用激光传输介质的钻研近况，并强调幼尺度、高矫捷性的红表光纤器件在微创表科医疗中的利用潜力
。文章全面分析了红表光纤器件的钻研进展，从激光传输阈值、光学损耗和机械柔性角度比力了光纤在Er激光和CO2激光中的器件机能（图2），并指出高光学损耗和低机械强度是限度红表光纤器件在表科手术中深杜爪用的关键成分
。近年来多资料纤维技术的急剧发展，分歧光、力、电、磁等物理机能的复合伙料高度一体化集成，为开发高柔性低损耗中红表光纤并进一步提升手术器械职能性提供了靠得住钻研支持
。

手术器械的精准操控是实现高效微创手术的沉要成分
。资料科学与生物工程学科的急剧发展，催生了驱动方式多样的陆续体手术机械人钻研，推进了精准表科医疗发展
。文章全面分析了现有陆续体机械人的驱动机理与个性（图3），指出基于磁驱动方式的陆续体机械人在安全、精准和智能化表科手术染指中的巨大潜力
。此表，文章进一步提出了柔性纤维机械人激光手术刀的概想，激光手术刀与医疗陆续体机械人的结合推动了其更为宽泛的临床利用，这些系统已成功利用于泌尿表科、妇科和耳鼻喉科手术
。

为适应更为复杂的临床生理结构和手术环境，必要进一步提升手术器械职能性
。文章沉点介绍了医疗机械人在定位、成像和信息感知等方面的钻研进展，探求了基于电磁追踪（EM）和布拉格光纤光栅（FBG）传感器的定位系统、基于电荷耦合元件CCD/CMOS和光纤束的成像系统、力感知以及温度感知反馈器件等技术的发展、特点与利用潜力
。此表，文章提出了一种基于陆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、成像和感知职能，由陆续体机械人骨架和职能装置组成，其主题职能是激光消融、驱动和获守信息，通过激光传输介质、驱动？楹颓度牖等斯羌苤械拇衅骼词迪郑ㄍ4）
。

表科手术器械的创新发展是驱动精准表科医疗技术急剧进取的沉要成分
。激光手术刀正不休朝着幼尺度、高度矫捷、高效能的方向发展，并通过与导航操控、定位、成像和信息感知等职能器件深度融合，以满足更为狭幼、复杂多样的手术环境需要，在临床领域获得了诸多突破性进展
。文章的最后总结了未来柔性纤维机械人激光刀在精准表科医疗中的优势和巨大挑战，并对该领域的未来发展方向进行瞻望（图5）：（1）激光传输介质的资料、结构与造作，通过高机能生物相容资料创新与高机能波导结构设计，结合先进纤维造作伎俩，实现不变、高效医疗激光输出的柔性激光传输介质开发
。（2）医疗机械人的驱动、建模与传感，面向狭幼的解剖结构空间，深刻探索医疗机械人驱动机理与新型结构设计，实现精准、安全的表科诊断与操作
。（3）多资料纤维器件的开发，为临床染指提供更为矫捷和智能化的手术工具
。（4）光纤尖端微纳结构的设计与造作，丰硕纤维机械人的多模态操作战术
。（5）光纤侧表表上的散布式传感，为机械人提供了精确获取部门环境信息的能力
。

华中科技大学博士生邹郁祁、任志禾、向远卓、硕士生刘超为论文共同第一作者，上海交通大学杨广中院士与华中科技大学陶光明教授为论文共同通讯作者，合作单元还蕴含中国科学院西安光学精密机械钻研所等
。该工作得到了国度沉点研发打算、国度天然科学基金、华中科技大学交叉钻研支持打算等项主张支持
。

图1 激光消融机理与临床利用
。

图2 典型中红表光纤器件及其机能对比
。


图3 医疗陆续体机械人驱动方式
。

图4 可定位、成像与感知的多职能陆续体机械人
。

图5 未来的柔性纤维机械人激光手术刀
。