Akustiset energialähettimet saattavat pian poistaa leikkauksen leikkausaukon tarpeen

Leikkaus ilman leikkaamista

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 robottileikkausosaketta” and “Sony esittelee kirurgista tarkkuutta robotiikalla äskettäisessä mikrokirurgiademossa”.

Tämä edistys on mahdollistanut leikkauksen yhä vähemmän invasiiviseksi. Nykyään hyvin pieni sisäänpääsyriippu riittää yleensä, jättäen tuskin arven, vähentäen verenvuotoa ja lyhentäen toipumisaikaa.

Robotit saattavat tehdä leikkauksesta vielä paremman lähitulevaisuudessa, kiitos tutkijoiden testaaman tavan suorittaa leikkaus ilman minkäänlaista kehon leikkausaukon avaamista. He saavuttivat tämän käyttämällä pelkästään ääniaaltoja.

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

Ääniin perustuva leikkaus

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.

Parantaakseen pääsyä he käyttivät “chirality-tunable acoustic vortex tweezers”, joka on pohjimmiltaan ultraääniaaltojen lähettimen, suunniteltu liikuttamaan kohdetta etäisyydeltä.

Because sound waves travel throughout the body, they can move on-demand particles or  micro- to millimeter-sized objects inside the body without direct contact. This control included “controlling object rotation, and translating objects along arbitrary-shaped paths.”

Akustinen vortex-säde voidaan siirtää mikrometrin tarkkuudella. Tämän seurauksena hiukkasen ansainta-alue voidaan asettaa tarkasti 3D-tilassa, ja hiukkasen siirtämisen ansaitun jälkeen voidaan suunnitella. Kun siirretään pieni kohde verisuonen mutkittelevan polun mukaan, tämä voi olla kriittinen ominaisuus.

Zhenhua Tian, apulaisprofessori Virginiassa Techissä.

Miten se toimii?

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

Lähde: Science Advances

Ei ainoastaan toimi luiden tai kudoksen läpi, vaan se voi myös siirtää soluja, lääkkeitä tai leikkauslaitteita suonissa. Ja siirtää niitä tarkasti mikrometrin tarkkuudella.

Yhdistämällä nopeasti kehittyvän akustisten pihdisten konseptin robotin (samankaltaiseen kuin jo leikkauksissa käytetyt) kanssa, tutkijat saavuttivat ensimmäistä kertaa kosketuksettomman 4-asteen vapauden (4-DOF) manipuloinnin. Tämä tarkoittaa liikettä kaikissa kolmessa avaruuden ulottuvuudessa sekä kiertoa.

Suorituskyky oli myös vaikuttava, koska se pystyi manipuloimaan kohteita mikrometreistä millimetreihin, sekä mahdollisti manipuloinnin suuressa 3D-tilassa, jonka koko on 10 cm × 10 cm × 10 cm.

Lähde: Science Advances

Viimeinen edistysaskel oli ratkaista akustisten pihdisten yleinen rajoitus. Useimmat vaativat läpinäkyviä materiaaleja liikkeen ohjaamiseen. Mikä tietysti olisi itseään vastaan leikkauksessa luiden ja biologisten kudosten takana.

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.

Kuvantamisalgoritmimme minimoi tarvittavat pulssi-eko -syklit ultraäänisignaalien keräämiseksi ja toteuttaa taajuusalueen suodatuksen akustisten pihdisten aiheuttaman signaalikohinan poistamiseksi.

Lähde: Science Advances

Sovellukset leikkauksen ulkopuolella

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

• Solujen (mikrometrien) ja kokonaisen kalalasten siirtäminen.
• Ulkosolukalvojen eristäminen tautidiagnostiikkaa varten tai kasvainsolujen eristäminen.
• Soluja järjestetään bioprinttausta varten.
• Biomarkkereiden konsentrointi signaalin vahvistamiseksi.
• Mikrorobottien ohjaaminen.

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.

Teknologiaa voitaisiin käyttää myös biologian ulkopuolella. Esimerkiksi vaarallisten pisaroiden turvalliseen manipulointiin tai kolloidimateriaalien itsekoostumisen ja nanomateriaalien järjestämisen ohjaamiseen komposiittien valmistuksessa.

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.

Kaiken kaikkiaan tämä löytö todennäköisesti otetaan ensin käyttöön leikkausalueella, mutta se voi myöhemmin saada lisäsovelluksia kohdennetussa lääkeannostelussa, 3D‑bioprinttauksessa ja materiaalitieteen edistymisessä, mukaan lukien nanomateriaalit.

Robottileikkausyritys

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

Vaikka yksi kehittyneimmistä robottileikkausjärjestelmistä myydään Intuitive Surgical (ISRG) -yrityksen toimesta, sillä on vähemmän asiantuntemusta ultraäänessä tai endoskopiassa kuin joillakin kilpailijoistaan.

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.

Siksi on todennäköistä, että ensimmäinen todellinen lääketieteellinen sovellus äänipihdeille saattaa tulla lääkintälaitteiden yrityksiltä, jotka ovat jo taitavia yhdistämään monia lääkintälaitteiden järjestelmiä, kuten robotteja tai leikkausvälineitä.

1. Medtronic plc

Medtronic on lääkintälaitteiden johtaja, erityisesti kirurgiassa ja tehohoidossa. Vaikka muut segmentit voisivatkin olla siihen liittyviä, Medtronicin lääkirurginen segmentti edustaa 2,1 miljardia dollaria liikevaihdosta, jonka kokonaismäärä on 7,7 miljardia dollaria.

Lähde: Medtronic

Yritys on kasvanut orgaanisen kasvun kautta, kiitos suuren osan tutkimus- ja kehitysbudjetista (2,7 miljardia dollaria vuonna 2022) ja yritysostojen (9 vuonna 2022 ja 3,3 miljardia dollaria arvoisia lisäostoksia, joita harkitaan vuodelle 2023).

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

“vain 2 % leikkauksista maailmanlaajuisesti tehdään robottien avustuksella. 98 % tarvitsee robottiavusteista leikkausta, mutta ei vielä tänään kustannus- ja käyttökuormitusten takia”

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

Tämän strategian mielessä Medtronic on kehittänyt Hugo-järjestelmän.

Lähde: Medtronic

Se myös myy Mazor X Stealth -selkäydinrobotin avustama leikkauslaite, kiitos 1,7 miljardia dollaria maksaneen Mazor Roboticsin yritysoston joulukuussa 2018.

Kaiken kaikkiaan Medtronicin erinomainen maine ja sen läsnäolo lähes jokaisessa sairaalassa ainakin joidenkin laitteiden osalta antaa sille hyvän lähtökohdan valloittaa merkittävä osa nousevasta robottileikkausmarkkinasta, joko sisäisen kehityksen tai yritysostojen kautta.

Se myy myös jo endoskooppisia ultraäänijärjestelmiä, ja sen läsnäolo kardiologiassa voisi auttaa soveltamaan äänipihde-teknologiaa sydän- ja verisuoniterapioihin sekä leikkauksiin.

2. Stryker Corporation

Stryker on toinen lääkintälaitteiden johtaja, joka on läsnä lähes jokaisessa hyvin varustellussa sairaalassa tai klinikassa, hoitaen jopa 130 miljoonaa potilasta vuodessa. Suurimmat segmentit ovat traumatologia, endoskopia ja instrumentit.

Lähde: Stryker

Yritys investoi voimakkaasti innovaatioon, 1,45 miljardia dollaria R&D:ssä vuonna 2022. Se on myös sarjallinen yritysostaja, 3 ostoa vuonna 2021. Suurin osa myynnistä on Yhdysvalloille (74 %), ja suunnitelmissa on jatkaa kasvua ulkomaisilla markkinoilla.

Yritys on kasvanut leikkaussegmentissä, erityisesti 2019 yritysostonsa OrthoSpace:n kautta ortopedisiin leikkauksiin.

Se tarjoaa myös Mako‑robottikäsivarren avustama leikkaus, joka on omistettu ortopediseen leikkaukseen.

Vahvan läsnäolon ansiosta traumassa, neurologiassa, selkärangassa, endoskopiassa ja muissa sisäisissä leikkauksissa, Stryker voi olla yksi yrityksistä, jotka hyötyvät eniten leikkausaukon puuttumisesta akustisten pihdisten avulla.

Lähde: Stryker

Vahvan endoskopiaan ja ortopediseen leikkaukseen keskittymisensä ansiosta Stryker todennäköisesti nousee robottileikkauksen johtajaksi tässä segmentissä, joka kasvaa myös ikääntyvän väestön vuoksi.