قد تسمح أجهزة انبعاث الطاقة الصوتية بإلغاء الحاجة إلى الشق أثناء الجراحة قريبًا

الجراحة بدون قطع

Surgery is a medical field that has made tremendous progress in the past. First with general anesthesia, then increasingly advanced procedures and precise tools, and more recently robots, as we discussed in “أفضل 5 أسهم للجراحة الروبوتية” and “سوني تعرض الدقة الجراحية بالروبوتات في عرض الميكروجراحة الأخير”.

سمح هذا التقدم للجراحة بأن تصبح أقل توغلاً بشكل متزايد. اليوم، عادةً ما يكون نقطة دخول صغيرة جدًا كافية، تكاد لا تترك ندبة، وتقلل النزيف، وتُقصر فترة التعافي.

قد تجعل الروبوتات الجراحة أفضل حتى في المستقبل القريب، بفضل الباحثين الذين يختبرون طريقة لإجراء الجراحة دون فتح شق في الجسم على الإطلاق. وقد حققوا ذلك باستخدام موجات صوتية فقط.

This project was conducted by researchers at the Virginia Polytechnic Institute and State University, University of North Carolina, and Michigan State University.

الجراحة القائمة على الصوت

In their publication titled “ملاقط دوامة صوتية قابلة لتعديل التشابك بمساعدة الروبوت لتلاعب كائنات بدون اتصال، متعددة الوظائف، بأربع درجات حرية”, the researchers focused on places in the body that surgery robots are struggling to reach—for example, regions shielded by tissue and bone barriers.

لتحسين الوصول، استخدموا “ملاقط دوامة صوتية قابلة لتعديل التشابك”, essentially an ultrasound wave emitter designed to move an object at a distance.

نظرًا لأن الموجات الصوتية تنتقل عبر الجسم، يمكنها تحريك الجسيمات حسب الطلب أو الأجسام ذات الأحجام من الميكرو إلى المليمتر داخل الجسم دون اتصال مباشر. وشمل هذا التحكم “التحكم في دوران الكائن، وترجمة الكائنات على مسارات ذات أشكال عشوائية”.

The acoustic vortex beam can be moved at the micrometer scale. Accordingly, the particle trapping area can be precisely set in a 3D space, and moving a particle after its capture can be engineered. When moving a tiny object along the winding path of a blood vessel, this can be a critical feature.

Zhenhua Tian, Assistant Professor At Virginia Tech.

كيف يعمل؟

Acoustic tweezers are acoustic vortex fields that cross over one another to form tiny ring-shaped acoustic traps.

المصدر: Science Advances

ليس فقط يمكن لهذا أن يعمل عبر العظام أو الأنسجة، بل يمكنه أيضًا تحريك الخلايا أو الأدوية أو أدوات الجراحة داخل الأوردة. وتحريكه بدقة على مقياس الميكرو متر.

من خلال الجمع بين مفهوم الملقط الصوتي المتطور بسرعة مع روبوت (مشابه لتلك المستخدمة في الجراحة بالفعل)، حقق الباحثون للمرة الأولى تلاعبًا بدون اتصال بأربع درجات حرية (4-DOF). وهذا يعني حركة في جميع الأبعاد الثلاثة للمكان بالإضافة إلى الدوران.

كان الأداء أيضًا مثيرًا للإعجاب بفضل القدرة على تلاعب الأجسام التي تتراوح أحجامها من الميكرو متر إلى المليمتر، بالإضافة إلى السماح بالتلاعب في مساحة ثلاثية الأبعاد كبيرة تبلغ 10 سم × 10 سم × 10 سم.

المصدر: Science Advances

آخر تقدم كان حل قيود شائعة لملاقط الصوت. معظمها يتطلب مواد شفافة لتوجيه الحركة. وهو ما سيكون بطبيعة الحال عائقًا للجراحة خلف العظام والأنسجة الحيوية.

So, they combined the acoustic tweezer with an ultrasound probe. They also developed dedicated software to enable the probe to work despite the “noise” of the acoustic tweezer.

Our imaging algorithm minimizes the required pulse-echo cycles for collecting ultrasound signals and implements a frequency-domain filtering step to remove acoustic tweezer–induced signal noise.

المصدر: Science Advances

التطبيقات خارج الجراحة

Acoustic tweezers have already been used for a wide range of biological applications:

• تحريك الخلايا (ميكرو متر) واليرقات السمكية بالكامل.
• عزل الحويصلات خارج الخلية لتشخيص الأمراض، أو عزل خلايا الأورام.
• ترتيب الخلايا للطباعة الحيوية.
• تركيز العلامات الحيوية لتعزيز الإشارة.
• توجيه الميكرو روبوتات.

The technology could also be used beyond biology. For example to manipulate safely hazardous droplets, or to control the self-assembly of colloidal materials and the arranging of nanomaterials for composite fabrication.

So overall, this discovery is likely to be first applied to the field of surgery, but could later have further applications in targeted drug delivery, 3D bioprinting, and progress in material science, including nanomaterials.

شركة الجراحة الروبوتية

While one of the most advanced robotic surgery systems is sold by Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG), the company has less expertise in ultrasound or endoscopy than some of its competitors.

So, it is likely that the first real-life medical application of sonic tweezers might come from medical device companies already adept at integrating together many medical device systems like robots or surgery tools.

1. Medtronic plc

Medtronic is a medical device leader, especially in الجراحة والرعاية المكثفة. While the other segments could also be considered as afferent to it, the medical surgical segment of Medtronic represents $2.1B of revenues, out of a total of $7.7B.

المصدر: Medtronic

The company has been growing through organic growth, thanks to a large percentage of the R&D budget ($2.7B in 2022) and acquisitions (9 in 2022 and $3.3 worth of further acquisitions considered for 2023).

Medtronic sees a massive opportunity for simpler, low-cost robotic surgery:

“only 2% of surgeries around the world are held with the assistance of robots. There’s 98% out there that needs to be done via robotically-assisted surgery but not today because of the cost and utilization burdens”

It is with that strategy in mind that Medtronic has developed the Hugo system.

المصدر: Medtronic

It also sells the Mazor X Stealth spinal robot-assisted surgery device, thanks to its $1.7 billion acquisition of Mazor Robotics in ديسمبر 2018.

Overall, the sterling reputation of Medtronics and its presence in virtually every hospital for at least some equipment gives it a good entry point to capture a solid part of the nascent robotic surgery market, either through internal development or acquisitions.

It also already sells endoscopic ultrasound systems, and its presence in cardiology could help apply the sonic tweezer technology to cardiovascular therapies and surgeries.

2. Stryker Corporation

Stryker is another leader in medical devices present in virtually every well-equipped hospital or clinic, treating up to 130 million patients annually. The largest segments are traumatology, endoscopy, and instruments.

المصدر: Stryker

The company invests heavily in innovation, with $1.45B in R&D in 2022. It is also a serial acquirer, with 3 acquisitions in 2021. Most of its sales have been to the US (74%), with plans to keep growing in foreign markets.

The company has been growing in the surgery segment, notably through its 2019 acquisition of OrthoSpace for orthopedic surgeries.

It also has the Mako, for a robotic-arm-assisted surgery dedicated to orthopedic surgery.

With a strong presence in trauma, neurology, spine, endoscopy, and other internal surgery, Stryker could be among the companies to benefit the most from incision-less surgery with acoustic tweezers.

المصدر: Stryker

With its strong focus on endoscopy and orthopedic surgery, Stryker is likely to become the robotic surgery leader in this segment, which is also growing due to an aging population.