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Matter：フレキシブル繊維ロボットレーザーメスの资料と製造への挑戦

 

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钻研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」と題する瞻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根基的な仕事のメカニズムと潜在的な応用を述べ、精密表科医療分野におけるその钻研の進展を討論し、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表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、そしてこの分野の未来の方向に対して瞻望を行った
。
低侵襲手術は安全、切り口が幼さい、術後の回復が速いなどの怪异な優位性があり、精密表科医療の発展を大いに促進した，F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、操作性が不及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表科医療分野の沉要なマイルストーンであり、大量の臨床钻研により、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幼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未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机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、レーザーメスは怪异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
。本文は軟組織づ撞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钻研進展を討論した（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表医療光源の歯科、泌尿器表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、安谧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沉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谧して送出する必要がある
。本文システムは導光腕、中空導波路と赤表光ファイバの3種類の重要な医療用レーザー伝送媒体の钻研現状を述べ、そして幼尺度、高霊活性の赤表光ファイバデバイスの低侵襲表科医療における応用潜在力を強調した
。本文は赤表光ファイバデバイスの钻研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机能を比較した（図2）、そして高光学損失と低機械強度は赤表光ファイバデバイスの表科手術における深さ応用を造限する沉要な身分であることを责备した
。ここ数年来、多资料繊維技術の急速な発展は、光、力、電気、磁気などの物理机能を異にする複合伙料の高度な一体化集積は、高可撓性低損失中赤表光ファイバを開発し、手術用具の機能性をさらに向上させるために信頼性のある钻研サポートを提供した
。
手術用具の正確な操作は高効率低侵襲手術を実現する沉要な身分である
。资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钻研を生み出し、精密表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个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、知能化表科手術染指における巨大な潜在力を责备した
。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想を提案し、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表科、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
。本文は沉点的に医療ロボットの地位決め、イメージングと情報感知などの方面の钻研進展を紹介し、電磁追跡（EM）とブラッグ光ファイバ格子（FBG）センサーに基づく地位決めシステム、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、それは地位決め、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、その主题機能はレーザーアブレーション、駆動と情報获得であり、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）
。
表科手術用具の改革的発展は精密表科医療技術の急速な進歩を駆動する沉要な身分である
。レーザーメスは幼尺度、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、地位決め、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必要を満たすために、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表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瞻望を行った（図5）：（1）レーザー伝送媒体の资料、構造と製造、高机能生体適合伙料の改革と高机能導波構造の設計を通じて、先進的な繊維製造伎俩を結合して、安谧、高効率医療用レーザ着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索し、正確で安全な表科診断と操作を実現する
。（3）多资料繊維デバイスの開発は、臨床染指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获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、建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讯著者であり、協力機関には中国科学院西安光学精密機械钻研所なども含まれる
。この仕事は国度沉点钻研開発計画、国度天然科学基金、華中科学技術大学交差钻研增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
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図2の典型的な中赤表光ファイバデバイス及びその机能比較
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図3医療連続体ロボット駆動方式
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図4地位決め、イメージング、知覚が可能な多機能連続体ロボット
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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
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