Akustische Energieemitter könnten bald die Notwendigkeit von Einschnitten bei Operationen beseitigen

Operation ohne Schnitt

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 “Top 5 Robotik‑Chirurgie‑Aktien” and “Sony demonstriert chirurgische Präzision mit Robotik in jüngster Mikrochirurgie‑Demonstration”.

Dieser Fortschritt hat es ermöglicht, dass Operationen immer weniger invasiv werden. Heute reicht in der Regel ein sehr kleiner Zugang aus, der kaum eine Narbe hinterlässt, Blutungen reduziert und die Erholungszeit verkürzt.

Robotik könnte die Chirurgie in naher Zukunft noch weiter verbessern, dank Forschern, die eine Methode testen, Operationen überhaupt ohne Einschnitt am Körper durchzuführen. Und sie haben dies erreicht, indem sie ausschließlich Schallwellen verwenden.

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

Schallbasierte Chirurgie

In their publication titled “Robotergestützte chirality‑anpassbare akustische Wirbelzangen für kontaktlose, multifunktionale 4‑DOF‑Objektmanipulation”, the researchers focused on places in the body that surgery robots are struggling to reach—for example, regions shielded by tissue and bone barriers.

Um den Zugang zu verbessern, nutzten sie „chirality‑tunable acoustic vortex tweezers“, im Wesentlichen einen Ultraschallwellen‑Emitter, der ein Objekt aus der Ferne bewegen kann.

Da Schallwellen sich im gesamten Körper ausbreiten, können sie nach Bedarf Teilchen oder mikro‑ bis millimetergroße Objekte im Inneren des Körpers ohne direkten Kontakt bewegen. Diese Steuerung umfasste „die Kontrolle der Objektrotation und das Verschieben von Objekten entlang beliebig geformter Pfade“.

Der akustische Wirbelstrahl kann im Mikrometerbereich verschoben werden. Folglich kann das Teilchen‑Fanggebiet präzise in einem 3‑D‑Raum festgelegt werden, und das Bewegen eines Teilchens nach seiner Erfassung kann gesteuert werden. Beim Verschieben eines winzigen Objekts entlang des gewundenen Pfades eines Blutgefäßes kann dies ein entscheidendes Merkmal sein.

Zhenhua Tian, Assistenzprofessor an der Virginia Tech.

Wie funktioniert das?

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

Quelle: Science Advances

Dies kann nicht nur durch Knochen oder Gewebe wirken, sondern auch Zellen, Medikamente oder chirurgische Geräte in Venen bewegen. Und es kann präzise im Mikrometerbereich bewegt werden.

Durch die Kombination des sich rasch verbessernden Konzepts einer akustischen Pinzette mit einem Roboter (ähnlich denen, die bereits in der Chirurgie verwendet werden) erreichten die Forscher zum ersten Mal eine kontaktlose 4‑Grad‑der‑Freiheit (4‑DOF)-Manipulation. Das bedeutet Bewegung in allen drei Raumdimensionen sowie Rotation.

Die Leistung war ebenfalls beeindruckend, da Objekte von Mikrometer‑ bis Millimetergröße manipuliert werden konnten und die Manipulation in einem großen 3‑D‑Raum von 10 cm × 10 cm × 10 cm ermöglicht wurde.

Quelle: Science Advances

Ein letzter Fortschritt bestand darin, eine häufige Einschränkung von akustischen Pinzetten zu lösen. Die meisten benötigen transparente Materialien, um die Bewegung zu steuern. Das wäre natürlich für Operationen hinter Knochen und biologischem Gewebe kontraproduktiv.

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.

Unser Bildgebungsalgorithmus minimiert die erforderlichen Puls‑Echo‑Zyklen zur Erfassung von Ultraschallsignalen und implementiert einen frequenzdomänenspezifischen Filterschritt, um durch die akustische Pinzette verursachtes Signalrauschen zu entfernen.

Quelle: Science Advances

Anwendungen über die Chirurgie hinaus

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

• Bewegung von Zellen (Mikrometer) und ganzen Fischlarven.
• Isolation von extrazellulären Vesikeln zur Krankheitsdiagnose oder Isolation von Tumorzellen.
• Anordnung von Zellen für das Bioprinting.
• Konzentration von Biomarkern zur Signalverstärkung.
• Steuerung von Mikrorobotern.

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.

Roboterchirurgie‑Unternehmen

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 ist ein führender Anbieter von Medizintechnik, insbesondere im Bereich Chirurgie und Intensivpflege. Während die anderen Segmente ebenfalls als zugehörig betrachtet werden könnten, macht das medizinisch‑chirurgische Segment von Medtronic 2,1 Mrd. $ an Einnahmen aus, von insgesamt 7,7 Mrd. $.

Quelle: Medtronic

Das Unternehmen ist durch organisches Wachstum gewachsen, dank eines hohen Anteils am F&E‑Budget (2,7 Mrd. $ im Jahr 2022) und durch Akquisitionen (9 im Jahr 2022 und weitere Akquisitionen im Wert von 3,3 Mrd. $, die für 2023 in Betracht gezogen werden).

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

„Nur 2 % der Operationen weltweit werden mit Robotikunterstützung durchgeführt. Es gibt 98 % die mittels robotergestützter Chirurgie durchgeführt werden sollten, jedoch heute nicht, wegen der Kosten‑ und Nutzungslast“

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

Quelle: Medtronic

Es verkauft außerdem das the Mazor X Stealth spinal robot‑assisted surgery device, dank der Übernahme von Mazor Robotics im Dezember 2018 für 1,7 Mrd. $.

Insgesamt ermöglicht der hervorragende Ruf von Medtronic und seine Präsenz in praktisch jedem Krankenhaus für zumindest einige Geräte einen guten Einstieg, um einen soliden Teil des aufstrebenden Marktes für robotergestützte Chirurgie zu erobern, sei es durch interne Entwicklung oder Akquisitionen.

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 ist ein weiterer führender Anbieter von Medizintechnik, der in praktisch jedem gut ausgestatteten Krankenhaus oder jeder Klinik vertreten ist und jährlich bis zu 130 Millionen Patienten behandelt. Die größten Segmente sind Traumatologie, Endoskopie und Instrumente.

Quelle: Stryker

Das Unternehmen investiert stark in Innovationen, mit 1,45 Mrd. $ in F&D im Jahr 2022. Es ist zudem ein Serienakquisiteur, mit 3 Akquisitionen im Jahr 2021. Der Großteil seiner Verkäufe entfiel auf die USA (74 %), mit Plänen, das Wachstum auf ausländischen Märkten fortzusetzen.

Das Unternehmen hat im Chirurgiesegment gewachsen, insbesondere durch die Akquisition von OrthoSpace im Jahr 2019 für orthopädische Operationen.

Es verfügt außerdem über Mako, ein robotergestütztes Arm‑Assistenzsystem, das speziell für orthopädische Operationen entwickelt wurde.

Mit einer starken Präsenz in den Bereichen Trauma, Neurologie, Wirbelsäule, Endoskopie und anderen inneren Operationen könnte Stryker zu den Unternehmen gehören, die am meisten von schnittloser Chirurgie mit akustischen Pinzetten profitieren.

Quelle: Stryker

Mit seinem starken Fokus auf Endoskopie und orthopädische Chirurgie wird Stryker voraussichtlich zum führenden Unternehmen für robotergestützte Chirurgie in diesem Segment werden, das aufgrund einer alternden Bevölkerung ebenfalls wächst.