Akustiske energisendere kan snart eliminere behovet for snitt under operasjon

Kirurgi uten kutting

Kirurgi er et medisinsk felt som har gjort enorme fremskritt i fortiden. Først med generell anestesi, deretter stadig mer avanserte prosedyrer og presise verktøy, og nylig roboter, som vi diskuterte i “Top 5 Robotic Surgery Stocks” og “Sony Showcases Surgical Precision with Robotics in Recent Microsurgery Demo”.

Denne fremgangen har gjort det mulig for kirurgi å bli stadig mindre invasiv. I dag er et svært lite inngangspunkt vanligvis nok, etterlater knapt et arr, reduserer blødning og forkorter restitusjonsperioden.

Robotikk kan gjøre kirurgi enda bedre i nær fremtid, takket være forskere som tester en metode for å utføre kirurgi uten å åpne et snitt i kroppen i det hele tatt. Og de oppnådde dette ved kun å bruke lydbølger.

Dette prosjektet ble utført av forskere ved Virginia Polytechnic Institute and State University, University of North Carolina og Michigan State University.

Lydbasert kirurgi

I deres publisering med tittelen “Robot-assisted chirality-tunable acoustic vortex tweezers for contactless, multifunctional, 4-DOF object manipulation”, fokuserte forskerne på steder i kroppen som kirurgiroboter sliter med å nå – for eksempel områder skjermet av vev- og benbarrierer.

For å forbedre tilgangen brukte de “chirality-tunable acoustic vortex tweezers”, i hovedsak en ultralydbølge‑emitter designet for å flytte et objekt på avstand.

Fordi lydbølger beveger seg gjennom hele kroppen, kan de flytte etterspurte partikler eller mikro‑ til millimeter‑størrede objekter inne i kroppen uten direkte kontakt. Denne kontrollen inkluderte “kontroll av objektrotasjon, og oversetting av objekter langs vilkårlig formede baner”.

Den akustiske vortex‑strålen kan flyttes på mikrometer‑skala. Følgelig kan partikkelfangstområdet presist settes i et 3D‑rom, og flytting av en partikkel etter fangst kan konstrueres. Når et lite objekt flyttes langs den svingete banen i et blodkar, kan dette være en kritisk funksjon.

Zhenhua Tian, assisterende professor ved Virginia Tech.

Hvordan fungerer det?

Akustiske tweezere er akustiske vortex‑felt som krysser hverandre for å danne små ring‑formede akustiske feller.

Kilde: Science Advances

Dette kan ikke bare virke gjennom ben eller vev, men også flytte celler, medisiner eller kirurgiske enheter inne i årer. Og flytte dem presist på mikrometer‑skala.

Ved å kombinere det raskt forbedrende konseptet med en akustisk tweezers med en robot (lik de som allerede brukes i kirurgi), oppnådde forskerne for første gang kontaktløs 4‑grader‑av‑frihet (4‑DOF) manipulering. Dette betyr bevegelse i alle 3 romlige dimensjoner samt rotasjon.

Ytelsen var også imponerende på grunn av evnen til å manipulere objekter fra mikrometer til millimeter, samt tillate manipulering i et stort 3D‑rom på 10 cm × 10 cm × 10 cm.

Kilde: Science Advances

En siste forbedring var å løse en vanlig begrensning for akustiske tweezere. De fleste krever transparente materialer for å lede bevegelsen. Dette ville selvsagt være selvmotsigende for kirurgi bak ben og biologisk vev.

Så kombinerte de den akustiske tweezeren med en ultralydprobe. De utviklet også dedikert programvare for å få proben til å fungere til tross for “støyen” fra den akustiske tweezeren.

Vår bildediagnostiske algoritme minimerer de nødvendige puls‑ekko‑syklusene for innsamling av ultralydsignaler og implementerer et frekvens‑domene filtreringstrinn for å fjerne støysignaler indusert av akustisk tweezers.

Kilde: Science Advances

Applikasjoner utover kirurgi

Akustiske tweezere har allerede blitt brukt til et bredt spekter av biologiske applikasjoner:

• Flytting av celler (mikrometer) og hele fiskelarver.
• Isolere ekstracellulære vesikler for sykdomsdiagnostikk, eller isolere tumorceller.
• Arrangere celler for bioprinting.
• Konsentrere biomarkører for signalforsterkning.
• Styre mikroroboter.

Teknologien kan også brukes utenfor biologi. For eksempel for å manipulere farlige dråper på en sikker måte, eller for å kontrollere selv‑montering av kolloidale materialer og ordning av nanomaterialer for sammensatt fremstilling.

Så samlet sett vil denne oppdagelsen sannsynligvis først bli anvendt innen kirurgi, men kan senere ha ytterligere applikasjoner innen målrettet medikamentlevering, 3D‑bioprinting og fremskritt innen materialvitenskap, inkludert nanomaterialer.

Robotteknologisk kirurgiselskap

Mens ett av de mest avanserte robotkirurgisystemene selges av Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG), har selskapet mindre ekspertise innen ultralyd eller endoskopi enn noen av konkurrentene.

Derfor er det sannsynlig at den første virkelige medisinske applikasjonen av soniske tweezere kan komme fra medisinsk utstyr‑selskaper som allerede er dyktige til å integrere mange medisinske enhetssystemer som roboter eller kirurgiverktøy.

1. Medtronic plc

Medtronic er en leder innen medisinsk utstyr, spesielt innen kirurgi og intensivbehandling. Mens de andre segmentene også kan betraktes som tilknyttet, representerer Medtronic sitt medisinsk‑kirurgiske segment $2,1 milliarder i inntekter, av totalt $7,7 milliarder.

Kilde: Medtronic

Selskapet har vokst organisk, takket være en stor prosentandel av FoU‑budsjettet ($2,7 milliarder i 2022) og oppkjøp (9 i 2022 og $3,3 milliarder i ytterligere oppkjøp vurdert for 2023).

Medtronic ser en enorm mulighet for enklere, lavkost‑robotkirurgi:

«kun 2 % av operasjoner verden over utføres med robotassistanse. Det er 98 % som trenger robotassistert kirurgi, men ikke i dag på grunn av kostnads‑ og bruksbyrder»

Det er med denne strategien i tankene at Medtronic har utviklet Hugo‑systemet.

Kilde: Medtronic

Det selger også Mazor X Stealth‑spinal robot‑assistert kirurgi‑enhet, takket være oppkjøpet av Mazor Robotics for $1,7 milliarder i desember 2018.

Alt i alt gir Medtronic sitt solide omdømme og tilstedeværelse i praktisk talt hvert sykehus et godt inngangspunkt for å erobre en betydelig del av det gryende robotkirurgimarkedet, enten gjennom intern utvikling eller oppkjøp.

Det selger også endoskopisk ultralyd‑systemer, og deres tilstedeværelse innen kardiologi kan bidra til å anvende sonisk‑tweezers‑teknologi i kardiovaskulære terapier og operasjoner.

2. Stryker Corporation

Stryker er en annen leder innen medisinsk utstyr, tilstede i praktisk talt hvert velutstyrte sykehus eller klinikk, og behandler opptil 130 millioner pasienter årlig. De største segmentene er traumatologi, endoskopi og instrumenter.

Kilde: Stryker

Selskapet investerer tungt i innovasjon, med $1,45 milliarder i FoU i 2022. Det er også en serie‑oppkjøper, med 3 oppkjøp i 2021. De fleste salg har vært til USA (74 %), med planer om fortsatt vekst i utenlandske markeder.

Selskapet har vokst i kirurgisegmentet, spesielt gjennom oppkjøpet av OrthoSpace i 2019 for ortopedisk kirurgi.

Det har også Mako, for robotarm‑assistert kirurgi dedikert til ortopedisk kirurgi.

Med sterk tilstedeværelse innen traume, nevrologi, rygg, endoskopi og annen intern kirurgi, kan Stryker være blant de selskapene som drar mest nytte av snitt‑fri kirurgi med akustiske tweezere.

Kilde: Stryker

Med sitt sterke fokus på endoskopi og ortopedisk kirurgi, er Stryker sannsynligvis på vei til å bli leder innen robotkirurgi i dette segmentet, som også vokser på grunn av en aldrende befolkning.