Een nieuwe continuümrobot, ontworpen door ingenieurs van Vanderbilt, bereikt beweging op meerdere schalen en kan een enorme wereld openen van voorheen onmogelijke complexe microchirurgie.

De robot kan zowel een grote werkruimte voor macrobewegingen bieden als nodig is voor chirurgische ingrepen, als een werkruimte voor kleine microbewegingen met bewegingsresoluties van 1 micron of minder. Voor een gevoel van schaal, een inch bevat 25, 400 micron. Een menselijke rode bloedcel is ongeveer acht micron breed, even groot als sommige bacteriën en beduidend kleiner dan de breedte van het gemiddelde mensenhaar.

"Ons ontwerp bereikt bewegingsresoluties van 1 micron of minder door goedkope actuatoren te gebruiken. Deze herconfiguratie - met minimale extra kosten - zou de ontwikkeling kunnen versnellen van een nieuwe klasse chirurgische robots die in staat zijn tot zowel macrobewegingen voor chirurgische ingrepen als microschaalbewegingen voor beeldvorming of interventie op cellulair niveau, " zei Nabil Simaan, hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Advanced Robotics and Mechanism Applications Laboratory.

"Dit breidt de mogelijkheden van robotica in minimaal invasieve chirurgie aanzienlijk uit, " hij zei.

De miniaturisatie en het bewegingsbereik zouden nauwkeurige controle mogelijk maken tijdens procedures op complexe aneurysma's, kleine aderen en slagaders, zenuwen en de delicate structuren van het oog, het binnenoor en de stembanden. Mogelijke toepassingen zijn biopsieën, tumoruitroeiing en gerichte medicijnafgifte op cellulair niveau.

Simaan en zijn team hebben de flexibele architectuur van zijn vorige continuümrobot aangepast om op macro- en microschaal te presteren door de evenwichtshouding van de robot te veranderen, die Simaan continuümrobots met evenwichtsmodulatie noemt, of CREM.

De flexibele architectuur van eerdere continuümrobots zorgde voor een wormachtige beweging voor macromanipulatie. De robot is gesegmenteerd met schijven of ringen zoals het lichaam van een regenworm. Elke schijf is met elkaar verbonden door kleine ruggengraat, of bedieningsbuizen. Door kleine elastische draden in de bedieningsbuizen toe te voegen en draden omhoog of omlaag te bewegen, het statische evenwicht van de platen verandert, beweging creëren op micrometerschaal.

"Deze nieuwe klasse robots zal microprecisie bieden tijdens het doorkruisen van kronkelige paden op macroschaal naar de operatieplaats. Mogelijke voordelen zijn onder meer exacte weefselreconstructie en volledige chirurgische uitroeiing van tumoren, " zei Simaan, een filiaal van het Vanderbilt Institute for Surgery and Engineering.

De robot maakt gebruik van buisvormige secundaire ruggengraat om de grote schaal van beweging te bereiken. Door ze te duwen en te trekken, de configuratie van de continuümrobot verandert. De toevoeging van draden die in en uit de buisvormige ruggengraat kunnen schuiven, stelde het onderzoeksteam in staat om de evenwichtsvorm te moduleren.

Aanvullend, uitgebreide tests zijn aan de gang voor de integratie van optische coherentietomografie, wat in feite "optische echografie" is waarmee reflecties vanuit het weefsel worden weergegeven.

Simaan en zijn collega's, afgestudeerde student werktuigbouwkunde Giuseppe Del Giudice, Onderzoeksassistent-hoogleraar Oogheelkunde en Visuele Wetenschap Jin-Hui Shen en arts Karen M. Joos, Joseph N. en Barbara H. Ellis Familie Hoogleraar Oogheelkunde, hebben een voorlopige integratie van een op maat gemaakte OCT-sonde bereikt.

Joos' bijzondere onderzoeksinteresse is het gebruik van miniatuur OCT-sondes met robotchirurgische instrumenten om de visualisatie van procedures in het oog te verbeteren. Del Giudice's expertise ligt in het ontwerp en de besturing van medische micro-continuümrobots, specifiek micromanipulatie voor oogheelkundige chirurgie.

Het uitbreiden van de mogelijkheden van een standaard continuümrobot in termen van beweging en richten op microschaal zou een grote impact kunnen hebben in de microchirurgie door aanzienlijk meer behendigheid te bieden, controleerbaarheid en precisie voor chirurgen of zelfs het pionieren van voorheen onmogelijke procedures, zei Simaan.