Οι Εκπομπούς Ακουστικής Ενέργειας Μπορεί Σύντομα Να Απομακρύνουν την Ανάγκη για Τομή Κατά τη Χειρουργική

Χειρουργική Χωρίς Κοπή

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 Robotic Surgery Stocks” and “Sony Showcases Surgical Precision with Robotics in Recent Microsurgery Demo”.

Αυτή η πρόοδος έχει επιτρέψει στη χειρουργική να γίνει όλο και λιγότερο επεμβατική. Σήμερα, ένα πολύ μικρό σημείο εισόδου είναι συνήθως αρκετό, αφήνοντας σχεδόν αόρατο στίγμα, μειώνοντας την αιμορραγία και συντομεύοντας την περίοδο ανάρρωσης.

Τα ρομπότ μπορεί να κάνουν τη χειρουργική ακόμη καλύτερη στο εγγύς μέλλον, χάρη σε ερευνητές που δοκιμάζουν έναν τρόπο εκτέλεσης χειρουργικής χωρίς κανένα άνοιγμα τομής στο σώμα. Και το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μόνο ηχητικά κύματα.

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

Χειρουργική Βασισμένη στον Ήχο

In their publication titled “Robot-assisted chirality-tunable acoustic vortex tweezers for contactless, multifunctional, 4-DOF object manipulation”, the researchers focused on places in the body that surgery robots are struggling to reach—for example, regions shielded by tissue and bone barriers.

Για να βελτιώσουν την πρόσβαση, χρησιμοποίησαν «chirality-tunable acoustic vortex tweezers», ουσιαστικά έναν εκπομπό υπερηχητικών κυμάτων σχεδιασμένο να μετακινεί ένα αντικείμενο από απόσταση.

Επειδή τα ηχητικά κύματα διαδίδονται σε όλο το σώμα, μπορούν να μετακινούν κατά απαίτηση σωματίδια ή αντικείμενα μεγέθους μικρομέτρου έως χιλιοστού μέσα στο σώμα χωρίς άμεση επαφή. Αυτός ο έλεγχος περιελάμβανε «έλεγχο της περιστροφής του αντικειμένου και μετάφραση αντικειμένων κατά μήκος διαδρομών αυθαίρετου σχήματος».

Η ακουστική δέσμη δοντιού μπορεί να μετακινηθεί σε κλίμακα μικρομέτρου. Συνεπώς, η περιοχή σύλληψης σωματιδίων μπορεί να οριστεί με ακρίβεια σε τρισδιάστατο χώρο, και η μετακίνηση ενός σωματιδίου μετά τη σύλληψή του μπορεί να σχεδιαστεί. Όταν μετακινείται ένα μικροσκοπικό αντικείμενο κατά μήκος της σπειροειδούς διαδρομής ενός αιμοφόρου αγγείου, αυτό μπορεί να είναι κρίσιμο χαρακτηριστικό.

Zhenhua Tian, Επίκουρος Καθηγητής στο Virginia Tech.

Πώς Λειτουργεί;

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

Πηγή: Science Advances

Δεν μπορεί μόνο να λειτουργήσει μέσω οστών ή ιστού, αλλά μπορεί επίσης να μετακινεί κύτταρα, φάρμακα ή χειρουργικές συσκευές μέσα σε φλέβες. Και να τα μετακινεί με ακρίβεια σε κλίμακα μικρομέτρου.

Συνδυάζοντας την ταχέως εξελισσόμενη έννοια του ακουστικού πινέλου με ένα ρομπότ (παρόμοιο με αυτά που χρησιμοποιούνται ήδη στη χειρουργική), οι ερευνητές πέτυχαν για πρώτη φορά επαφή-απαγόρευση 4-βαθμών ελευθερίας (4-DOF) χειρισμό. Αυτό σημαίνει κίνηση σε όλες τις 3 διαστάσεις του χώρου καθώς και περιστροφή.

Η απόδοση ήταν επίσης εντυπωσιακή λόγω της δυνατότητας χειρισμού αντικειμένων από μικρόμετρα έως χιλιοστά, καθώς και της δυνατότητας χειρισμού σε μεγάλο τρισδιάστατο χώρο 10 cm x 10 cm x 10 cm.

Πηγή: Science Advances

Μια τελευταία πρόοδος ήταν η επίλυση ενός κοινό περιορισμού των ακουστικών πινέλων. Τα περισσότερα απαιτούν διαφανή υλικά για την καθοδήγηση της κίνησης. Το οποίο φυσικά θα ήταν αυτοκαταστροφικό για χειρουργική πίσω από οστά και βιολογικούς ιστούς.

Έτσι, συνδύασαν το ακουστικό πινέλο με ένα υπερηχητικό ανιχνευτή. Ανέπτυξαν επίσης ειδικό λογισμικό για να επιτρέπουν στον ανιχνευτή να λειτουργεί παρά τον «θόρυβο» του ακουστικού πινέλου.

Ο αλγόριθμος απεικόνισης μας ελαχιστοποιεί τους απαιτούμενους κύκλους παλμού-ηχώ για τη συλλογή υπερηχητικών σημάτων και εφαρμόζει ένα βήμα φιλτραρίσματος στο πεδίο συχνοτήτων για την αφαίρεση του θορύβου σήματος που προκαλείται από το ακουστικό πινέλο.

Πηγή: Science Advances

Εφαρμογές Πέρα από τη Χειρουργική

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

• Μετακίνηση κυττάρων (μικρομέτρων) και ολόκληρων προνυμφών ψαριών.
• Απομόνωση εξωκυτταρικών κυστών για διάγνωση ασθενειών ή απομόνωση κυττάρων όγκου.
• Διάταξη κυττάρων για βιοεκτύπωση.
• Συγκέντρωση βιοδεικτών για ενίσχυση σήματος.
• Καθοδήγηση μικρορομπότ.

Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί πέρα από τη βιολογία. Για παράδειγμα, για τη μετακίνηση ασφαλώς επικίνδυνων σταγονιδίων ή για τον έλεγχο της αυτοσυναρμολόγησης υλικών κολλοειδών και της διάταξης νανοϋλικών για κατασκευή σύνθετων υλικών.
Συνολικά, αυτή η ανακάλυψη είναι πιθανό να εφαρμοστεί αρχικά στον τομέα της χειρουργικής, αλλά μπορεί αργότερα να έχει περαιτέρω εφαρμογές στην στοχευμένη χορήγηση φαρμάκων, τη 3D βιοεκτύπωση και την πρόοδο στην επιστήμη των υλικών, συμπεριλαμβανομένων των νανοϋλικών.

Εταιρεία Ρομποτικής Χειρουργικής

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

Η Medtronic είναι ηγέτης στον τομέα των ιατρικών συσκευών, ιδιαίτερα στην χειρουργική και εντατική θεραπεία. Ενώ τα άλλα τμήματα θα μπορούσαν επίσης να θεωρηθούν συναφή, το ιατρικό χειρουργικό τμήμα της Medtronic αντιπροσωπεύει έσοδα 2,1 δισεκατομμυρίων δολαρίων, από ένα σύνολο 7,7 δισεκατομμυρίων δολαρίων.

Πηγή: Medtronic

Η εταιρεία έχει αυξηθεί μέσω οργανικής ανάπτυξης, χάρη σε μεγάλο ποσοστό του προϋπολογισμού Έρευνας & Ανάπτυξης (2,7 δισεκατομμύρια δολάρια το 2022) και εξαγορών (9 το 2022 και εξαγορές αξίας 3,3 δισεκατομμυρίων δολαρίων που εξετάζονται για το 2023).

Η Medtronic βλέπει μια τεράστια ευκαιρία για πιο απλή, χαμηλού κόστους ρομποτική χειρουργική:

«μόνο το 2 % των χειρουργικών επεμβάσεων παγκοσμίως πραγματοποιείται με τη βοήθεια ρομπότ. Το 98 % που απομένει χρειάζεται να γίνει μέσω ρομποτικά υποστηριζόμενης χειρουργικής, αλλά όχι σήμερα λόγω του κόστους και των περιορισμών χρήσης».

Με αυτή τη στρατηγική στο μυαλό, η Medtronic ανέπτυξε το σύστημα Hugo.

Πηγή: Medtronic

Επίσης, πουλά τη συσκευή Mazor X Stealth για ρομποτική υποβοηθούμενη χειρουργική της σπονδυλικής στήλης, χάρη στην εξαγορά των Mazor Robotics αξίας 1,7 δισεκατομμυρίων δολαρίων τον Δεκέμβριο του 2018.

Συνολικά, η εξαιρετική φήμη της Medtronic και η παρουσία της σχεδόν σε κάθε νοσοκομείο για τουλάχιστον κάποιο εξοπλισμό της δίνουν ένα καλό σημείο εισόδου για να καταλάβει σημαντικό τμήμα της αναδυόμενης αγοράς ρομποτικής χειρουργικής, είτε μέσω εσωτερικής ανάπτυξης είτε μέσω εξαγορών.

Επίσης, πουλά ήδη συστήματα ενδοσκοπικής υπερηχογραφίας, και η παρουσία της στην καρδιολογία θα μπορούσε να βοηθήσει στην εφαρμογή της τεχνολογίας των ηχητικών πινέλων σε καρδιαγγειακές θεραπείες και χειρουργικές επεμβάσεις.

2. Stryker Corporation

Η Stryker είναι ένας άλλος ηγέτης στα ιατρικά συστήματα, παρόν σχεδόν σε κάθε πλήρως εξοπλισμένο νοσοκομείο ή κλινική, εξυπηρετώντας έως 130 εκατομμύρια ασθενείς ετησίως. Τα μεγαλύτερα τμήματα είναι η τραυματολογία, η ενδοσκόπηση και τα εργαλεία.

Πηγή: Stryker

Η εταιρεία επενδύει σημαντικά στην καινοτομία, με 1,45 δισεκατομμύρια δολάρια σε Έρευνα & Ανάπτυξη το 2022. Είναι επίσης σειριακή εξαγορά, με 3 εξαγορές το 2021. Οι περισσότερες πωλήσεις της έχουν γίνει στις ΗΠΑ (74 %), με σχέδια να συνεχίσει την ανάπτυξη σε ξένες αγορές.

Η εταιρεία έχει αυξηθεί στο τμήμα χειρουργικής, ιδιαίτερα μέσω της εξαγοράς OrthoSpace το 2019 για ορθοπεδικές επεμβάσεις.

Διαθέτει επίσης το Mako, για ρομποτική-βραχίονα υποβοηθούμενη χειρουργική αφιερωμένο στην ορθοπεδική χειρουργική.

Με ισχυρή παρουσία στην τραυματική, νευρολογία, σπονδυλική, ενδοσκόπηση και άλλες εσωτερικές χειρουργικές επεμβάσεις, η Stryker θα μπορούσε να είναι μία από τις εταιρείες που θα ωφεληθούν περισσότερο από τη χειρουργική χωρίς τομή με ακουστικά πινέλα.

Πηγή: Stryker

Με την ισχυρή εστίασή της στην ενδοσκόπηση και την ορθοπεδική χειρουργική, η Stryker είναι πιθανό να γίνει η ηγέτης στη ρομποτική χειρουργική σε αυτό το τμήμα, το οποίο επίσης αυξάνεται λόγω του γηράσκοντος πληθυσμού.