Akoestische pincetten kunnen bijdragen aan toekomstige behandelingen zonder incisie

Operatie zonder snijden

De chirurgie heeft grote vooruitgang geboekt, van algemene verdoving tot nauwkeuriger instrumenten en operatierobots. Die laatste bespraken we in “5 aandelen in robotchirurgie” en “Sony demonstreert chirurgische precisie met robots bij microchirurgie”.

Bij veel ingrepen maken minimaal invasieve technieken kleinere incisies mogelijk. Afhankelijk van de ingreep en de patiënt kan dat bloedverlies, littekenvorming en hersteltijd verminderen. Het geldt niet voor iedere operatie.

Onderzoekers testen nu akoestische technieken om kleine voorwerpen zonder direct contact te verplaatsen. Dat zou op termijn medische toepassingen zonder incisie kunnen ondersteunen. Het beschreven onderzoek is echter een laboratoriumdemonstratie en geen bewezen methode om operaties bij patiënten zonder snijden uit te voeren.

Het onderzoek werd uitgevoerd door wetenschappers van Virginia Tech, de University of North Carolina en Michigan State University.

Manipulatie met geluidsgolven

In hun publicatie “Robotgestuurde akoestische vortexpincetten met instelbare draairichting voor contactloze manipulatie met vier vrijheidsgraden” onderzochten zij onder meer hoe kleine voorwerpen kunnen worden bewogen achter barrières van weefsel en bot.

Daarvoor gebruikten zij akoestische vortexpincetten met instelbare draairichting: apparaten die ultrasone geluidsgolven zo vormen dat ze een klein voorwerp op afstand kunnen vasthouden en bewegen.

Geluidsgolven kunnen onder geschikte omstandigheden door biologisch materiaal heen gaan. In laboratoriumproeven werden voorwerpen van micro- tot millimeterformaat contactloos vastgehouden, gedraaid en verplaatst. De onderzoekers demonstreerden rotatie en verplaatsing langs trajecten met verschillende vormen. Dat is nog geen demonstratie van veilige behandeling in een menselijk lichaam.

De akoestische vortexbundel kan op micrometerschaal worden verplaatst. Daardoor kan het gebied waarin een deeltje wordt vastgehouden nauwkeurig in de driedimensionale ruimte worden ingesteld en kan de beweging daarna worden gestuurd. Dat kan belangrijk zijn wanneer een klein voorwerp een kronkelend traject, zoals een bloedvat, moet volgen.

Zhenhua Tian, universitair docent aan Virginia Tech.

Hoe werkt het?

Akoestische pincetten gebruiken zorgvuldig gevormde geluidsvelden om kleine voorwerpen vast te houden. In dit onderzoek zorgen vortexbundels voor ringvormige akoestische vallen. De instelbare draairichting maakt ook rotatie van het gevangen voorwerp mogelijk.

Bron: Science Advances

De onderzoekers bewogen kleine kunststof voorwerpen achter weefsel- en schedelbarrières en in een kunstmatig model met een vertakt kanaal. Dit biedt perspectief voor toekomstige manipulatie van bijvoorbeeld cellen of geneesmiddeldragers. Het onderzoek toonde niet aan dat chirurgische instrumenten al veilig door de aders van patiënten kunnen worden geleid.

Door het akoestische pincet aan een programmeerbaar robotsysteem te koppelen, combineerden de onderzoekers contactloze manipulatie met vier vrijheidsgraden: verplaatsing in drie ruimtelijke richtingen en rotatie om één as.

Het systeem kon voorwerpen van micro- tot millimeterformaat manipuleren in een driedimensionale werkruimte van ongeveer 10 cm bij 10 cm bij 10 cm.

Bron: Science Advances

Een andere verbetering betrof de beeldvorming. Veel bestaande systemen volgen het voorwerp met een optische camera en vereisen daarom een doorzichtig medium. Dat beperkt hun bruikbaarheid achter ondoorzichtig weefsel of bot; het is niet de akoestische vangwerking zelf die altijd transparantie vereist.

De onderzoekers combineerden hun systeem daarom met een echografische sonde. Een aangepast beeldvormingsalgoritme beperkte de benodigde meetcycli en filterde verstoringen uit die het akoestische pincet veroorzaakte.

Ons beeldvormingsalgoritme beperkt het aantal benodigde puls-echo-cycli voor het verzamelen van ultrasone signalen en gebruikt filtering in het frequentiedomein om signaalruis door het akoestische pincet te verwijderen.

Bron: Science Advances

Toepassingen buiten chirurgie

Akoestische pincetten worden onderzocht voor uiteenlopende biologische toepassingen, waaronder:

• Cellen (micrometers) en volledige vislarven verplaatsen.
• Extracellulaire vesikels isoleren voor ziekte‑diagnose, of tumorcellen isoleren.
• Cellen rangschikken voor bioprinten.
• Biomarkers concentreren voor signaalversterking.
• Microrobots sturen.

Ook buiten de biologie zijn toepassingen denkbaar, zoals het contactloos hanteren van gevaarlijke vloeistofdruppels, het sturen van de zelfassemblage van colloïdale materialen en het ordenen van nanomaterialen voor composieten.

Mogelijke toekomstige toepassingen liggen dus in gerichte medicijnafgifte, bioprinten en materiaalonderzoek. Welke toepassing als eerste commercieel of klinisch beschikbaar komt, is nog onzeker. Voor gebruik bij patiënten moeten veiligheid en effectiviteit afzonderlijk worden onderzocht.

Bedrijven in robotchirurgie

Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG) verkoopt geavanceerde operatierobots. Andere fabrikanten hebben daarnaast productlijnen in echografie, endoscopie en uiteenlopende chirurgische instrumenten. Die expertise kan relevant zijn voor de ontwikkeling van nieuwe medische systemen.

Medische technologiebedrijven die verschillende soorten apparatuur integreren, zouden aan toekomstige toepassingen van akoestische pincetten kunnen bijdragen. Dat maakt onderstaande bedrijven nog niet tot ontwikkelaars of verkopers van de hier beschreven onderzoekstechnologie.

1. Medtronic plc

Medtronic is een grote producent van medische apparatuur, onder meer voor chirurgie en intensive care. In het derde kwartaal van boekjaar 2023 bedroeg de omzet van de divisie Medical Surgical ongeveer $2,1 miljard op een totale kwartaalomzet van $7,7 miljard. Dit zijn kwartaalcijfers, geen jaaromzetten.

Bron: Medtronic

Het bedrijf investeert in eigen ontwikkeling en overnames. De uitgaven voor onderzoek en ontwikkeling bedroegen in boekjaar 2022 ongeveer $2,7 miljard. Overnames kunnen het productaanbod verder uitbreiden; toekomstige transacties blijven afhankelijk van onderhandelingen, financiering en goedkeuringen.

Medtronic ziet mogelijkheden om robotondersteunde chirurgie toegankelijker te maken. Een in het artikel aangehaalde bedrijfsuitspraak luidde:

“Slechts 2% van de operaties wereldwijd wordt met behulp van robots uitgevoerd. Er blijft 98% over, waar kosten en de belasting van het gebruik de inzet van robotondersteunde chirurgie beperken.” Dit is een commerciële inschatting van het bedrijf; het betekent niet dat alle overige operaties medisch gezien een robot nodig hebben.

Vanuit die strategie ontwikkelde Medtronic het Hugo-systeem.

Bron: Medtronic

Het bedrijf verkoopt ook het Mazor X Stealth-systeem voor robotondersteunde wervelkolomchirurgie. Medtronic nam Mazor Robotics in december 2018 over voor ongeveer $1,7 miljard.

Medtronic heeft een breed assortiment en bestaande relaties met ziekenhuizen. Dat kan helpen bij de introductie van nieuwe operatiesystemen, via eigen ontwikkeling of overnames. Het garandeert geen bepaald marktaandeel in robotchirurgie.

Het bedrijf levert ook systemen voor endoscopische echografie. Die ervaring en de activiteiten in cardiologie kunnen relevant zijn voor onderzoek naar akoestische manipulatie, maar er is hier geen aangetoonde klinische toepassing van akoestische pincetten door Medtronic beschreven.

2. Stryker Corporation

Stryker is eveneens een grote producent van medische technologie. Volgens zijn jaarverslag over 2022 bereikte het bedrijf samen met zijn klanten jaarlijks meer dan 130 miljoen patiënten. Het productaanbod omvat onder meer traumatologie, endoscopie, chirurgische instrumenten, orthopedie en wervelkolomzorg.

Bron: Stryker

In 2022 besteedde Stryker ongeveer $1,45 miljard aan onderzoek, ontwikkeling en engineering. De Amerikaanse omzet bedroeg ongeveer 74% van het totaal. Het bedrijf groeit ook door overnames; het artikel vermeldt er drie in 2021. Daarnaast wil het zijn positie op internationale markten uitbreiden.

Stryker breidde zijn activiteiten in orthopedische chirurgie onder meer uit door de overname van OrthoSpace in 2019.

Het bedrijf levert ook Mako, een systeem voor chirurgie met ondersteuning van een robotarm, voor bepaalde orthopedische ingrepen.

De activiteiten in trauma, neurologie, wervelkolomzorg en endoscopie geven Stryker ervaring met uiteenlopende operatietechnieken. Of het bedrijf een rol krijgt bij medische toepassingen van akoestische pincetten, is echter niet vastgesteld.

Bron: Stryker

Stryker heeft een sterke positie in endoscopie en orthopedische chirurgie. Een vergrijzende bevolking kan de vraag naar bepaalde behandelingen vergroten, maar bepaalt niet welk bedrijf marktleider wordt of welke nieuwe techniek succesvol zal zijn.