Akustiska energisändare kan snart eliminera behovet av snitt under kirurgi

Kirurgi utan snitt

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”.

Denna utveckling har gjort det möjligt för kirurgi att bli allt mindre invasiv. Idag räcker ofta en mycket liten ingångspunkt, som knappt lämnar ett ärr, minskar blödning och förkortar återhämtningstiden.

Robotik kan göra kirurgi ännu bättre inom en snar framtid, tack vare forskare som testar ett sätt att utföra kirurgi utan att öppna ett snitt i kroppen alls. Och de uppnådde detta genom att endast använda ljudvågor.

Detta projekt genomfördes av forskare vid Virginia Polytechnic Institute and State University, University of North Carolina och Michigan State University.

Ljudbaserad kirurgi

I deras publikation med titeln “Robot-assisted chirality-tunable acoustic vortex tweezers for contactless, multifunctional, 4-DOF object manipulation” fokuserade forskarna på områden i kroppen som kirurgiska robotar har svårt att nå – till exempel regioner som är skyddade av vävnad och ben.

För att förbättra åtkomsten använde de “chirality-tunable acoustic vortex tweezers”, i princip en ultraljudsvågsändare designad för att flytta ett föremål på avstånd.

Eftersom ljudvågor färdas genom hela kroppen kan de flytta partiklar på begäran eller mikro‑ till millimetertunga objekt inuti kroppen utan direkt kontakt. Denna kontroll inkluderade “kontroll av objektrotation och förflyttning av objekt längs godtyckligt formade banor.”

Den akustiska vortexstrålen kan flyttas på mikrometerskala. På så sätt kan partikelfångstområdet exakt placeras i ett 3D‑rum, och förflyttning av en partikel efter dess fångst kan konstrueras. När ett litet objekt flyttas längs den slingrande vägen i ett blodkärl kan detta vara en kritisk funktion.

Zhenhua Tian, biträdande professor vid Virginia Tech.

Hur fungerar det?

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

Källa: Science Advances

Detta kan inte bara verka genom ben eller vävnad, utan kan också flytta celler, läkemedel eller kirurgiska enheter inuti vener. Och flytta dem exakt på mikrometerskala.

Genom att kombinera det snabbt förbättrande konceptet med en akustisk pincett med en robot (liknande de som redan används i kirurgi) uppnådde forskarna för första gången kontaktlös 4-frihetsgraders (4-DOF) manipulation. Detta innebär rörelse i alla 3 rumsdimensioner samt rotation.

Prestandan var också imponerande tack vare förmågan att manipulera objekt från mikrometer till millimeterstorlek, samt möjligheten att manipulera i ett stort 3D‑rum på 10 cm × 10 cm × 10 cm.

Källa: Science Advances

En sista förbättring var att lösa en vanlig begränsning för akustiska pincett. De flesta kräver transparenta material för att leda rörelsen, vilket naturligtvis skulle vara självförstörande för kirurgi bakom ben och biologisk vävnad.

Så kombinerade de den akustiska pincetten med en ultraljudsprobe. De utvecklade också dedikerad programvara för att möjliggöra att proben fungerar trots “bruset” från den akustiska pincetten.

Vår avbildningsalgoritm minimerar de nödvändiga puls‑eko‑cyklerna för att samla in ultraljudssignaler och implementerar ett frekvensdomänfiltersteg för att ta bort signalbrus som orsakas av den akustiska pincetten.

Källa: Science Advances

Tillämpningar bortom kirurgi

Akustiska pincett har redan använts för ett brett spektrum av biologiska tillämpningar:

• Flytta celler (mikrometer) och hela fisklarver.
• Isolera extracellulära vesiklar för sjukdomsdiagnostik, eller isolera tumörceller.
• Ordna celler för bioprintning.
• Koncentrera biomarkörer för signalförstärkning.
• Styr mikrorobotar.

Teknologin kan också användas bortom biologi. Till exempel för att säkert manipulera farliga droppar, eller för att kontrollera självmontering av kolloidala material och arrangemang av nanomaterial för komposittillverkning.
Således är det troligt att denna upptäckt först kommer att tillämpas inom kirurgi, men kan senare ha ytterligare tillämpningar inom riktad läkemedelsleverans, 3D‑bioprintning och framsteg inom materialvetenskap, inklusive nanomaterial.

Företag för robotkirurgi

Medan ett av de mest avancerade robotkirurgisystemen säljs av Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG), har företaget mindre expertis inom ultraljud eller endoskopi än vissa av sina konkurrenter.
Så är det sannolikt att den första verkliga medicinska tillämpningen av soniska pincett kan komma från medicintekniska företag som redan är skickliga på att integrera många medicintekniska system som robotar eller kirurgiska verktyg.

1. Medtronic plc

Medtronic är en ledande leverantör av medicintekniska produkter, särskilt inom kirurgi och intensivvård. Även om de andra segmenten också kan betraktas som relaterade, representerar Medtronic:s medicinska kirurgisegment $2,1 Mrd i intäkter av totalt $7,7 Mrd.

Källa: Medtronic

Företaget har vuxit genom organisk tillväxt, tack vare en stor andel av FoU‑budgeten ($2,7 Mrd år 2022) och förvärv (9 år 2022 och förvärv till ett värde av $3,3 Mrd som övervägs för 2023).

Medtronic ser en enorm möjlighet för enklare, lågt kostnad robotkirurgi:

”endast 2 % av operationer världen över utförs med robotassistans. Det finns 98 % som behöver utföras med robotassisterad kirurgi men inte idag på grund av kostnads- och utnyttjandebördan”

Med detta i åtanke har Medtronic utvecklat Hugo‑systemet.

Källa: Medtronic

Det säljer också Mazor X Stealth spinal robot-assisterad kirurgienhet, tack vare sitt förvärv av Mazor Robotics för $1,7 Mrd i december 2018.

Sammanfattningsvis ger Medtronic:s utmärkta rykte och närvaro i praktiskt taget varje sjukhus för åtminstone viss utrustning dem en bra ingångspunkt för att erövra en solid del av den framväxande robotkirurgimarknaden, antingen genom intern utveckling eller förvärv.

Det säljer också redan endoskopiska ultraljudssystem, och dess närvaro inom kardiologi kan hjälpa till att tillämpa sonisk pincett‑teknik på kardiovaskulära terapier och operationer.

2. Stryker Corporation

Stryker är en annan ledare inom medicintekniska produkter som finns i praktiskt taget varje välutrustat sjukhus eller klinik och behandlar upp till 130 miljoner patienter årligen. De största segmenten är traumatologi, endoskopi och instrument.

Källa: Stryker

Företaget investerar kraftigt i innovation, med $1,45 Mrd i FoU år 2022. Det är också en serieförvärvare, med 3 förvärv år 2021. De flesta av dess försäljning har gått till USA (74 %), med planer på fortsatt tillväxt på utländska marknader.

Företaget har vuxit inom kirurgisegmentet, särskilt genom sitt förvärv av OrthoSpace 2019 för ortopediska operationer.

Det har också Mako, för robotarm‑assisterad kirurgi dedikerad till ortopedisk kirurgi.

Med en stark närvaro inom trauma, neurologi, ryggrad, endoskopi och annan intern kirurgi kan Stryker vara bland de företag som drar mest nytta av snittfri kirurgi med akustiska pincett.

Källa: Stryker

Med sitt starka fokus på endoskopi och ortopedisk kirurgi är Stryker sannolikt på väg att bli ledande inom robotkirurgi i detta segment, vilket också växer på grund av en åldrande befolkning.