Изобретение роботизированной руки для минимально инвазивной хирургии головного мозга

Крошечная роботизированная рука, созданная для улучшения нейрохирургии, стала на шаг ближе к клинической практике. Микроробот создан командой исследователей Университета Торонто под руководством Эрика Диллера, доцента кафедры машиностроения и промышленного инжиниринга факультета прикладных наук и инженерии. Устройство, управляемое электромагнитной системой, позволяет хирургам получить доступ к труднодоступные участки головного мозга с минимальным уровнем инвазивности, обещающие более быстрое лечение и выздоровление пациентов. «Мы разрабатываем механизм, который приводит в движение эту роботизированную руку, которая по сути будет действовать как рука хирурга», — говорит Диллер. «Мы также используем магнитные поля, чтобы заставить эту крошечную руку двигаться, и это наш уникальный подход к этому». Позднее этой весной команда представит свои последние результаты на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) 2023 года. В их новом докладе на конференции рассматривается возможность использования недавно разработанных инструментов, чтобы гарантировать их готовность к доклиническим испытаниям. «Никто раньше не разрабатывал эти магнитные инструменты с беспроводным управлением», — говорит Диллер. «Итак, нам нужно было классифицировать различные типы основных элементов операции, которые будет выполнять хирург, например, натяжение ткани, втягивание и применение силы для разрезания ткани. «Мы определили, что для хирургии головного мозга, включая процедуры, направленные на эпилепсию или удаление опухоли – мы можем получить достаточно силы для выполнения необходимых нейрохирургических задач». Проекты, представленные в новом исследовании, являются продолжением двух предыдущих статей, опубликованных в 2021 году в сотрудничестве с Джеймсом Дрейком, главным хирургом Больницы для больных детей ( SickKids) и профессором хирургии медицинского факультета Темерти Университета Т. С тех пор команда разработала систему электромагнитных катушек клинического масштаба, которая была спроектирована и построена выпускником Инженерного университета Университета Т. Адамом Шоневиллем, бывшим студентом Университета Диллера. Система имеет рабочий объем размером примерно с голову взрослого человека, при этом все электромагниты расположены под плоской поверхностью – требование к конструкции для команды Дрейка из SickKids, поскольку хирургам требуется беспрепятственный доступ к пациенту. «Существующие хирургические роботы уже занимают много места в операционной, поэтому мы хотели, чтобы наша система была как можно более незаметной, но при этом придавала магнитному полю силу, необходимую для выполнения работы», — говорит Кэмерон Форбриггер, получивший докторскую степень. из Университета T Engineering в прошлом году и является ведущим автором новой статьи. «Эта электромагнитная система является важным шагом вперед в плане осуществимости нашего хирургического подхода, и мы заметили большой интерес к ней со стороны международных исследователей в нашей области». Значительный вклад в докторскую диссертацию Форбриггера включал моделирование того, как магнитная конструкция инструмента влияет на его реакцию на магнитное поле. Используя эту модель, он смог ранжировать конструкции инструментов на основе их прогнозируемых характеристик. «Это ускоряет наш процесс проектирования, поскольку нам не нужно создавать инструмент и тестировать его, чтобы знать, как он будет себя вести», — говорит он. «Эта модель также позволила нам разработать стратегию управления, которая автоматически рассчитывает оптимальное магнитное поле, необходимое для перемещения инструмента в желаемом направлении». Команда также работает над решением серьезной проблемы, с которой сталкиваются многие хирургические роботы: получение информации в реальном времени о местоположении и ориентации инструмента. Хирургам, использующим этот инструмент, необходимо будет вставить его в канал мозга и знать, где он находится. Чтобы смоделировать это, исследовательская группа использует «фантомные» мозги из резины, вставляя длинный тонкий инструмент в модель, которая имеет тот же размер и форму, что и настоящий мозг. Хотя камера на кончике инструмента предоставляет некоторую информацию о местоположении, Диллер говорит, что обратная связь не очень точна из-за плохой точки зрения. Чтобы преодолеть эту визуальную проблему, кандидат наук Эрик Фредин, второй автор доклада на конференции, разрабатывает алгоритм компьютерного зрения с использованием машинного обучения, что имеет решающее значение для полезности инструмента. Результаты компьютерного зрения показывают, что оно может определять углы наклона инструмента, когда им управляет оператор. Следующим шагом на пути к клиническому использованию и коммерциализации станет перемещение электромагнитной системы и инструментов в больницу SickKids для испытаний на живых животных. «Хирурги могут скептически относиться к эффективности нового хирургического инструмента, пока не увидят его испытания в реальных условиях – и это справедливо», – говорит Форбриггер, который сейчас работает научным сотрудником в ETH Zürich. «Мы приложили много усилий, чтобы продемонстрировать количественную эффективность инструментов, но теперь мы достигли точки, когда модели на животных являются следующим важным шагом на пути к дальнейшему развитию».