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工程师开发用于膀胱癌治疗的原型遥控机器人平

发布时间:2019-03-07 12:19:52

工程师开发用于膀胱癌治疗的原型遥控机器人平台 2013年4月3日 虽然膀胱癌是美国第六种最常见的癌症形式,也是最昂贵的治疗方法,但医生用来治疗癌症的基本方法在70多年来并没有

  工程师开发用于膀胱癌治疗的原型遥控机器人平台

  2013年4月3日

  虽然膀胱癌是美国第六种最常见的癌症形式,也是最昂贵的治疗方法,但医生用来治疗癌症的基本方法在70多年来并没有太大变化。

  范德比尔特和哥伦比亚大学的工程师和医生的跨学科合作旨在大大改变这种状况。在范德比尔特机械工程副教授Nabil Simaan的带领下,该团队开发了一种远程机器人平台原型,旨在通过天然孔插入 - 在这种情况下是尿道 - 可以为外科医生提供更好的膀胱肿瘤视图,以便他们能够更准确地诊断它们。它还旨在使肿瘤更容易从膀胱内层移除肿瘤,无论其位置如何:称为经尿道衰退的手术。

  “当我观察我的第一次经尿道切除术时,我惊讶于器械的粗糙程度以及需要多大程度地推动和伸展患者的身体”。西马说。

  这种经历激发了工程师开发出一种使用微型机器人来完成这种困难手术的系统。其特征和能力在标题为“用于经尿道监视和干预的微创远程机器人平台的设计和性能评估”的文章中描述。发表于4月出版的IEEE生物医学工程学报。

  专门的遥控机器人系统“不会从外科医生的手中判断出来,它增强了他们的能力并且希望给他们外科超级能力”。评论了Duke Herrell,他是泌尿外科和生物医学工程的副教授,专门研究范德比尔特大学医学中心的微创肿瘤学,并正在合作开展该项目。

  Simaan观察到的传统方法涉及通过尿道插入称为切除镜的刚性管并进入膀胱。该仪器包含多个通道,允许流体循环,为内窥镜提供通道观察和可互换的烧灼工具,用于获取活检组织,用于评估肿瘤的恶性程度和切除小肿瘤。在一些手术中,外科医生用光纤激光器取代烧灼工具以破坏肿瘤细胞。

  虽然内窥镜可以直接从尿道口开始透视膀胱衬里,但检查其他区域更加困难。医疗团队必须按压并扭转示波器或推动患者的身体以使其他区域进入视野。当在不易进入的区域移除肿瘤时,这些扭曲也是必要的。

  如果外科医生使用内窥镜观察或活组织检查确定肿瘤是侵入性的并且已经穿透肌肉层,那么他随后进行膀胱切除术,通过腹部切口移除整个膀胱。通常这是使用普通手术机器人完成的。但是,当外科医生判断肿瘤表面局限于膀胱内层时,他会尝试使用电切镜将其移除。

  膀胱癌的治疗费用非常昂贵,部分原因是膀胱内膜肿瘤特别持久,因此需要持续监测和反复手术。造成这种持续性的因素之一是难以准确识别肿瘤边缘并且无法去除所有癌细胞。

  

  “因为你正在通过长而刚性的管子工作,这可能是一个困难的过程,特别是在膀胱的某些区域,”赫瑞尔说。

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  遥控机器人系统专门设计用于在这个充满挑战的环境中运行。机器本身就是一个大型热水瓶的大小和形状,但它的业务端直径只有5.5毫米 - 大约五分之一英寸 - 并且由一个分段的机械臂组成。微小的手臂可以弯曲180度,使其指向各个方向,包括直接返回其入口点。在手臂的尖端是白色光源,用于烧灼的光纤激光器,用于观察的纤维镜和用于夹持组织的微小镊子。

  工程师们报告说,他们可以控制蛇形臂的位置,精确到亚毫米级:足以在临床条件下操作的水平。他们还证明,该装置可以通过用钳子夹住目标组织然后用激光切割它来移除组织以进行活组织检查。

  纤维镜产生了10,000像素的图像,该图像被导向数字摄像机系统。由于它是可操纵的,因此仪器能够以有利的视角提供膀胱壁的近视图。然而,测试显示相机系统的有效性受到较差距离分辨率的限制。根据研究人员的说法,这可以通过重新设计纤维镜或用微型摄像头替换它来纠正。

  在未来,研究人员打算采用其他成像方法来提高识别肿瘤边界的能力。这些包括荧光内窥镜,光学相干断层扫描,使用红外辐射获得微米分辨率的组织图像和超声波,以增强外科医生的自然视力。

  除了这些观察方法,研究人员还给他们的机器人手臂带来了触觉。使用称为力反馈的技术,他们可以测量与组织接触时作用在尖端上的力。通常,肿瘤从周围组织突出。范德比尔特博士候选人Andrea Bajo利用这一事实成功设计出新的算法,使设备中的机器人手臂能够准确地追踪肿瘤的边缘。他通过将尖端定位在肿瘤边缘并指示其朝着保持相同压力的方向移动来这样做。

  “外科医生通常可以识别毫米内肿瘤的总视觉边缘,但是像这样的机器人具有以亚毫米精度这样做的潜力,并且其他技术实际上可以在细胞水平上区分边缘”。赫瑞尔说。

  该团队计划利用这种精确度来对机器人进行编程,以执行外科医生所称的“整块切除术”:在一次手术中切除整个肿瘤加上一小部分正常组织,这一程序旨在确保不留下可以重新植入肿瘤的癌细胞。

  工程师们还利用该系统的能力为遥控机器人系统设计了许多安全措施。例如,操作员可以设置激光切割的最大深度,然后,即使操作者的手滑动,机器人也不会切得更深。

  这些安全措施是Simaan主要研究目标的一个例子:开发可以插入人体并与之安全互动的手术机器人系统。

  资料来源:范德比尔特大学