Matter：フレキシブル繊維ロボットレーザーメスの材料と製造への挑戦

 

発売日：[2024/3/4]
 

Physical science
2024年2月1日、上海交通大学医療ロボット研究院の楊広中院士チームは華中科学技術大学陶光明教授チームと共同で、Cell Press細胞出版社の定期刊行物Matterに「Flexible fiberbotic laser scalpels：material and fabrication chalenges」と題する展望文章をオンラインで発表した。
本文はレーザーメスと連続体ロボット技術の基本的な仕事のメカニズムと潜在的な応用を述べ、精密外科医療分野におけるその研究の進展を討論し、そしてフレキシブル繊維ロボットレーザーメスを潜在的な新型低侵襲外科手術加工技術として提案し、知能化医療ロボットの機能性と臨床適応性を高める上での優位性と巨大な挑戦を提出し、そしてこの分野の将来の方向に対して展望を行った。
低侵襲手術は安全、切り口が小さい、術後の回復が速いなどの独特な優位性があり、精密外科医療の発展を大いに促進した。現代医学や生物工学などの学科の発展に伴い、メスは単一の金属工具から超音波ナイフ、無線周波電気ナイフなどに発展し、手術効率を大幅に向上させた。それでも、複雑な手術シーンでは、メスはデバイススケールが大きく、剛性が強く、操作性が不足しているなどの問題があり、手術治療効果を大幅に低下させた。レーザーメス技術の出現は精密外科医療分野の重要なマイルストーンであり、大量の臨床研究により、高いアブレーション精度と効率、出血の少なさと副損傷の小ささなどの顕著な優位性があり、低侵襲手術組織加工において広い応用の将来性があることが証明された。しかし、低スケールのフレキシブルレーザーエネルギー伝送媒体の機械的及び光学的性能に対する低侵襲手術の高い要求、及び伝送媒体と医療ロボットの集積方式の限界は、低侵襲手術におけるレーザーメス技術の深い応用に大きな挑戦をもたらした。
機械加工に基づく従来の手術工具とは異なり、レーザーメスは独特の組織光学作用により効率的な生物組織加工を実現する。本文は軟組織と硬組織の切除に対する光熱アブレーションと光誘起機械アブレーションのメカニズムを詳しく述べ、組織の凝結、炭化などの熱損傷を緩和するための水伝導と超短パルスレーザー技術の研究進展を討論した（図1）。さらに、本文はNd、Ho、Tm、ErとCO 2レーザーを主とする赤外医療光源の歯科、泌尿器外科などの多種の手術領域における特徴、優位性と応用価値を分析し、そして新型手術レーザー光源技術の進歩がレーザー伝送媒体の柔軟性、安定性と操作性などの面でもたらした巨大な挑戦を強調した。
レーザ伝送媒体は、レーザメスシステムにおける重要なデバイスとして、レーザエネルギーを特定の手術部位に安定して送出する必要がある。本文システムは導光腕、中空導波路と赤外光ファイバの3種類の主要な医療用レーザー伝送媒体の研究現状を述べ、そして小尺度、高霊活性の赤外光ファイバデバイスの低侵襲外科医療における応用潜在力を強調した。本文は赤外光ファイバデバイスの研究進展を全面的に分析し、レーザー伝送閾値、光学損失と機械的柔軟性の角度からErレーザーとCO 2レーザーにおけるファイバのデバイス性能を比較した（図2）、そして高光学損失と低機械強度は赤外光ファイバデバイスの外科手術における深さ応用を制限する重要な要素であることを指摘した。ここ数年来、多材料繊維技術の急速な発展は、光、力、電気、磁気などの物理性能を異にする複合材料の高度な一体化集積は、高可撓性低損失中赤外光ファイバを開発し、手術器具の機能性をさらに向上させるために信頼性のある研究サポートを提供した。
手術器具の正確な操作は高効率低侵襲手術を実現する重要な要素である。材料科学と生物工学学科の急速な発展は、駆動方式の多様な連続体手術ロボットの研究を生み出し、精密外科医療の発展を促進した。本文は既存の連続体ロボットの駆動メカニズムと特性を全面的に分析し（図3）、磁気駆動方式に基づく連続体ロボットの安全、正確、知能化外科手術介入における巨大な潜在力を指摘した。また、本文はさらにフレキシブル繊維ロボットレーザーメスの概念を提案し、レーザーメスと医療連続体ロボットの結合はそれのより広範な臨床応用を推進し、これらのシステムはすでに泌尿器外科、婦人科と耳鼻咽喉科手術に成功した。
より複雑な臨床生理構造と手術環境に適応するためには、手術機器の機能性をさらに向上させる必要がある。本文は重点的に医療ロボットの位置決め、イメージングと情報感知などの方面の研究進展を紹介し、電磁追跡（EM）とブラッグ光ファイバ格子（FBG）センサーに基づく位置決めシステム、電荷結合素子CCD/CMOSと光ファイバビームに基づくイメージングシステム、力感知及び温度感知フィードバックデバイスなどの技術の発展、特徴と応用潜在力を検討した。また、本文は連続体ロボット構造に基づくフレキシブル繊維ロボットレーザーメスを提案し、それは位置決め、イメージングと感知機能を集積し、連続体ロボット骨格と機能装置から構成され、その核心機能はレーザーアブレーション、駆動と情報取得であり、レーザー伝送媒体、駆動モジュールとロボット骨格に埋め込まれたセンサーを通じて実現する（図4）。
外科手術器具の革新的発展は精密外科医療技術の急速な進歩を駆動する重要な要素である。レーザーメスは小尺度、高度で柔軟、高効率の方向に向かって発展しており、ナビゲーション操作、位置決め、イメージング、情報感知などの機能デバイスと深く融合することで、より狭く、複雑で多様な手術環境の需要を満たすために、臨床分野で多くの画期的な進展を遂げている。本文の最後に未来のフレキシブル繊維ロボットレーザーナイフの正確な外科医療における優位性と巨大な挑戦を総括し、そしてこの分野の未来の発展方向に対して展望を行った（図5）：（1）レーザー伝送媒体の材料、構造と製造、高性能生体適合材料の革新と高性能導波構造の設計を通じて、先進的な繊維製造手段を結合して、安定、高効率医療用レーザ出力のフレキシブルレーザ伝送媒体を開発した。（2）医療ロボットの駆動、モデリングとセンシング、狭い解剖構造空間に向け、医療ロボットの駆動メカニズムと新型構造設計を深く探究し、正確で安全な外科診断と操作を実現する。（3）多材料繊維デバイスの開発は、臨床介入により柔軟かつインテリジェントな手術ツールを提供する。（4）光ファイバ先端マイクロナノ構造の設計と製造、繊維ロボットの多モード操作戦略を豊富にする。（5）光ファイバ側面上の分散センシングは、ロボットに局所環境情報を正確に取得する能力を提供する。

華中科学技術大学の博士課程生である鄒郁祁、任志禾、向遠卓、修士課程生である劉超は論文共同第一著者であり、上海交通大学の楊広中院士と華中科学技術大学の陶光明教授は論文共同通信著者であり、協力機関には中国科学院西安光学精密機械研究所なども含まれる。この仕事は国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、華中科学技術大学交差研究支援計画などのプロジェクトの支持を得た。

図1レーザーアブレーション機構と臨床応用。

図2の典型的な中赤外光ファイバデバイス及びその性能比較。

図3医療連続体ロボット駆動方式。

図4位置決め、イメージング、知覚が可能な多機能連続体ロボット。

図5未来のフレキシブルファイバーロボットレーザーメス。