Gli emettitori di energia acustica potrebbero presto eliminare la necessità di incisione durante la chirurgia

Chirurgia senza incisioni

La chirurgia è un campo medico che ha compiuto enormi progressi in passato. Prima con l’anestesia generale, poi con procedure sempre più avanzate e strumenti precisi, e più recentemente con i robot, come abbiamo discusso in “Le 5 migliori azioni di chirurgia robotica” e “Sony dimostra la precisione chirurgica con la robotica in una recente dimostrazione di microchirurgia”.

Questo progresso ha permesso alla chirurgia di diventare sempre meno invasiva. Oggi, un punto di accesso molto piccolo è di solito sufficiente, lasciando appena una cicatrice, riducendo il sanguinamento e accorciando il periodo di recupero.

La robotica potrebbe rendere la chirurgia ancora migliore nel prossimo futuro, grazie a ricercatori che stanno testando un modo per eseguire interventi senza aprire alcuna incisione sul corpo. E hanno raggiunto questo risultato usando solo onde sonore.

Questo progetto è stato condotto da ricercatori della Virginia Polytechnic Institute and State University, dell’University of North Carolina e della Michigan State University.

Chirurgia basata sul suono

Nella loro pubblicazione intitolata “Robot-assisted chirality-tunable acoustic vortex tweezers for contactless, multifunctional, 4-DOF object manipulation”, i ricercatori si sono concentrati su aree del corpo in cui i robot chirurgici faticano ad arrivare — ad esempio regioni protette da barriere di tessuto e osso.

Per migliorare l’accesso, hanno utilizzato “chirality-tunable acoustic vortex tweezers”, essenzialmente un emettitore di onde ultrasoniche progettato per spostare un oggetto a distanza.

Poiché le onde sonore viaggiano attraverso tutto il corpo, possono spostare particelle su richiesta o oggetti di dimensioni da micro a millimetri all’interno del corpo senza contatto diretto. Questo controllo includeva “controllare la rotazione dell’oggetto e tradurre gli oggetti lungo percorsi di forma arbitraria.”

Il fascio di vortice acustico può essere spostato a scala micrometrica. Di conseguenza, l’area di cattura delle particelle può essere impostata con precisione in uno spazio 3D, e lo spostamento di una particella dopo la cattura può essere progettato. Quando si sposta un piccolo oggetto lungo il percorso tortuoso di un vaso sanguigno, questa può essere una caratteristica critica.

Zhenhua Tian, Assistant Professor at Virginia Tech.

Come funziona?

Le pinze acustiche sono campi di vortice acustico che si sovrappongono per formare minuscole trappole acustiche a forma di anello.

Fonte: Science Advances

Non solo può agire attraverso ossa o tessuti, ma può anche spostare cellule, farmaci o dispositivi chirurgici all’interno delle vene. E muoverli con precisione a scala micrometrica.

Combinando il concetto in rapida evoluzione di una pinza acustica con un robot (simile a quelli già usati in chirurgia), i ricercatori hanno ottenuto per la prima volta una manipolazione senza contatto a 4 gradi di libertà (4-DOF). Ciò significa movimento in tutte le 3 dimensioni dello spazio oltre alla rotazione.

Le prestazioni sono state anche impressionanti grazie alla capacità di manipolare oggetti di dimensioni da micrometri a millimetri, oltre a consentire la manipolazione in un ampio spazio 3D di 10 cm per 10 cm per 10 cm.

Fonte: Science Advances

Un’ulteriore innovazione è stata la risoluzione di una limitazione comune delle pinze acustiche. La maggior parte richiede materiali trasparenti per guidare il movimento, il che ovviamente sarebbe controproducente per la chirurgia dietro ossa e tessuti biologici.

Pertanto, hanno combinato la pinza acustica con una sonda ecografica. Hanno inoltre sviluppato un software dedicato per consentire alla sonda di funzionare nonostante il “rumore” della pinza acustica.

Il nostro algoritmo di imaging minimizza i cicli di impulso-eco necessari per raccogliere i segnali ecografici e implementa un passaggio di filtraggio in frequenza per rimuovere il rumore di segnale indotto dalla pinza acustica.

Fonte: Science Advances

Applicazioni oltre la chirurgia

Le pinze acustiche sono già state utilizzate per una vasta gamma di applicazioni biologiche:

• Spostamento di cellule (micrometri) e di interi avannotti di pesce.
• Isolamento di vescicole extracellulari per la diagnosi di malattie, o isolamento di cellule tumorali.
• Disposizione di cellule per la biostampa.
• Concentrazione di biomarcatori per il potenziamento del segnale.
• Direzione di microrobot.

La tecnologia potrebbe essere utilizzata anche al di fuori della biologia. Ad esempio per manipolare in modo sicuro goccioline pericolose, o per controllare l’autoassemblaggio di materiali colloidali e la disposizione di nanomateriali per la fabbricazione di compositi.

In sintesi, è probabile che questa scoperta venga prima applicata al campo della chirurgia, ma in seguito potrebbe avere ulteriori applicazioni nella somministrazione mirata di farmaci, nella biostampa 3D e nei progressi della scienza dei materiali, inclusi i nanomateriali.

Azienda di chirurgia robotica

Mentre uno dei sistemi di chirurgia robotica più avanzati è venduto da Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG), l’azienda ha meno esperienza in ecografia o endoscopia rispetto a alcuni dei suoi concorrenti.

Pertanto, è probabile che la prima applicazione medica reale delle pinze sonore provenga da aziende di dispositivi medici già esperte nell’integrazione di numerosi sistemi di dispositivi medici, come robot o strumenti chirurgici.

1. Medtronic plc

Medtronic è un leader nei dispositivi medici, soprattutto in chirurgia e terapia intensiva. Sebbene gli altri segmenti possano anche essere considerati afferenti, il segmento chirurgico medico di Medtronic rappresenta 2,1 miliardi di dollari di ricavi, su un totale di 7,7 miliardi.

Fonte: Medtronic

L’azienda è cresciuta grazie alla crescita organica, grazie a una grande percentuale del budget R&D (2,7 miliardi di dollari nel 2022) e alle acquisizioni (9 nel 2022 e 3,3 miliardi di ulteriori acquisizioni previste per il 2023).

Medtronic vede una enorme opportunità per una chirurgia robotica più semplice e a basso costo:

“solo il 2 % degli interventi chirurgici in tutto il mondo è effettuato con l’assistenza di robot. C’è il 98 % che dovrebbe essere eseguito tramite chirurgia assistita da robot, ma non oggi a causa dei costi e dei vincoli di utilizzo”

Con questa strategia in mente, Medtronic ha sviluppato il sistema Hugo.

Fonte: Medtronic

Vende anche il dispositivo di chirurgia robotica spinale Mazor X Stealth, grazie alla sua acquisizione da 1,7 miliardi di dollari di Mazor Robotics nel dicembre 2018.

Nel complesso, l’ottima reputazione di Medtronic e la sua presenza in praticamente ogni ospedale per almeno alcuni apparecchi le conferiscono un buon punto di ingresso per catturare una parte solida del nascente mercato della chirurgia robotica, sia tramite sviluppo interno sia tramite acquisizioni.

Vende già anche sistemi di ecografia endoscopica, e la sua presenza in cardiologia potrebbe aiutare ad applicare la tecnologia delle pinze sonore alle terapie e alle chirurgie cardiovascolari.

2. Stryker Corporation

Stryker è un altro leader nei dispositivi medici presente in praticamente ogni ospedale o clinica ben attrezzata, trattando fino a 130 milioni di pazienti all’anno. I segmenti più grandi sono traumatologia, endoscopia e strumenti.

Fonte: Stryker

L’azienda investe molto nell’innovazione, con 1,45 miliardi di dollari in R&D nel 2022. È anche un acquirente seriale, con 3 acquisizioni nel 2021. La maggior parte delle sue vendite è avvenuta negli Stati Uniti (74 %), con piani per continuare a crescere nei mercati esteri.

L’azienda è cresciuta nel segmento chirurgico, in particolare grazie alla sua acquisizione del 2019 di OrthoSpace per le chirurgie ortopediche.

Ha anche Mako, per una chirurgia assistita da braccio robotico dedicata alla chirurgia ortopedica.

Con una forte presenza in trauma, neurologia, colonna vertebrale, endoscopia e altre chirurgie interne, Stryker potrebbe essere tra le aziende che trarranno maggior beneficio dalla chirurgia senza incisioni con le pinze acustiche.

Fonte: Stryker

Con il suo forte focus su endoscopia e chirurgia ortopedica, è probabile che Stryker diventi il leader della chirurgia robotica in questo segmento, che sta crescendo anche a causa di una popolazione in invecchiamento.