機(jī)器人輔助手術(shù)器械小型化設(shè)計(jì)需要考慮的三種方法

小型化是許多機(jī)器人輔助手術(shù) （RAS） 公司的關(guān)鍵創(chuàng)新目標(biāo)。較小的儀器和攝像頭減少了進(jìn)入手術(shù)部位所需路徑的侵入性，有助于最大限度地減少手術(shù)的創(chuàng)傷。

然而，小型化也會(huì)影響 RAS 系統(tǒng)導(dǎo)航到手術(shù)部位、可視化手術(shù)和執(zhí)行有用工作的能力。需要通過將對(duì)科學(xué)原理的理解與外科應(yīng)用的知識(shí)相結(jié)合來取得平衡。本文專門介紹了使用小型化儀器執(zhí)行有用工作的能力。

儀器小型化需要考慮系統(tǒng)輸出端所做功的物理概念 — 力乘以距離。這就是“有用的工作”的構(gòu)成，它決定了在狹窄的空間內(nèi)用小型儀器可以實(shí)現(xiàn)什么。盡管儀器小型化，但它們必須能夠施加足夠的力和足夠的控制。驅(qū)動(dòng)方法計(jì)劃在小型化挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

機(jī)械工作和手術(shù)機(jī)器人小型化：需要考慮的三種方法

目前，商業(yè)上成功的 RAS 系統(tǒng)通常使用相對(duì)較大的外部電動(dòng)機(jī)，其驅(qū)動(dòng)通過儀器傳輸?shù)綆в袕埦o線的遠(yuǎn)端執(zhí)行器。

然而，減小器械尺寸會(huì)影響力傳遞、電纜張力和摩擦，這反過來又會(huì)影響靈巧性和控制力，以及執(zhí)行有用工作的能力。因此，對(duì)于具有小型化儀器的 RAS 系統(tǒng)，可能需要不同的驅(qū)動(dòng)方法。有幾種方法值得考慮。

1. 在應(yīng)用點(diǎn)啟動(dòng)

這涉及到低成本微型執(zhí)行器的開發(fā)。這些必須在使用周期數(shù)可能有限的儀器中具有商業(yè)可行性。它假設(shè)驅(qū)動(dòng)方式與常見的滅菌技術(shù)兼容。

一方面，盡管經(jīng)過多年的學(xué)術(shù)探索，但基于壓電致動(dòng)和磁致伸縮等公認(rèn)現(xiàn)象的微型致動(dòng)器尚未交付。使用碳納米管制造微型驅(qū)動(dòng)組件的軟機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了誘人的進(jìn)展，但迄今為止，這還沒有為商業(yè)系統(tǒng)開辟一條可行的道路。

另一方面，形狀記憶合金 （SMA） 為 RAS 系統(tǒng)提供了有趣的驅(qū)動(dòng)可能性。它們提供非常緊湊的肌肉，可通過電信號(hào)而不是電纜進(jìn)行控制。一旦 SMA 被加熱，它們確實(shí)需要時(shí)間來冷卻，但這種方法可能適用于可以非常緩慢地執(zhí)行的任務(wù)。

2. 氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)

用于儀器控制的流體動(dòng)力也值得考慮。氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)往往與重型機(jī)械相關(guān)聯(lián)，但輕型工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展可以轉(zhuǎn)移到外科手術(shù)應(yīng)用。

雖然它在商業(yè) RAS 系統(tǒng)中通常受到抵制（可能是由于對(duì)故障模式的臨床擔(dān)憂），但流體動(dòng)力作為一種低摩擦、低串?dāng)_的傳輸方式，在精細(xì)和復(fù)雜的應(yīng)用中可能很有用。

在單端口或腔內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)包括一個(gè)具有液壓驅(qū)動(dòng)閉合力的末端執(zhí)行器，將為額外的拉繩驅(qū)動(dòng)儀器或更大的成像系統(tǒng)釋放空間。有足夠的創(chuàng)新潛力值得繼續(xù)研究，尤其是在一些自然腔道手術(shù)中。

3. 新穎的機(jī)械配置

目前，RAS 系統(tǒng)上的末端執(zhí)行器通常類似于人類手臂。唯一的變化是鉸鏈?zhǔn)菢休S/球窩關(guān)節(jié)（如手臂）還是分段關(guān)節(jié)（如脊柱）。但是，還有其他方法可以形成鉸接式致動(dòng)器。

同心管機(jī)器人的原型已用于狹窄空間內(nèi)的微創(chuàng)手術(shù)，包括腔內(nèi)應(yīng)用。它們由預(yù)先彎曲的超彈性管制成，這些管子在柔性驅(qū)動(dòng)軸組件中開槽在一起，可以呈現(xiàn)復(fù)雜的 3D 曲線，單獨(dú)的管組旨在為給定的外科手術(shù)產(chǎn)生必要的曲線。其中一些解決方案使用磁驅(qū)動(dòng)，便于通過狹窄的管腔進(jìn)入難以進(jìn)入的區(qū)域，同時(shí)遵守解剖學(xué)限制。

腔內(nèi)手術(shù)期間圍繞工具更換的挑戰(zhàn)意味著多功能工具的開發(fā)也充滿希望。然而，由于機(jī)器人儀器通常是使用受限的產(chǎn)品，因此材料和制造工藝必須在每個(gè)程序的可接受成本范圍內(nèi)。在將高度復(fù)雜的組件或新穎的材料設(shè)計(jì)到器械中之前，應(yīng)仔細(xì)考慮這一點(diǎn)。

將實(shí)用主義與創(chuàng)造性的問題解決相結(jié)合

使用小型化工具開發(fā) RAS 系統(tǒng)需要實(shí)用主義和創(chuàng)造性解決問題的結(jié)合。雖然機(jī)械工作是一個(gè)重要因素，但還有其他方法可以執(zhí)行有用的工作。例如，對(duì)于某些形式的治療，有可能使用以射頻、微波、超聲波或激光形式提供的能量來切割、密封或消融組織。組合式切割和密封儀器已經(jīng)可用，取代了對(duì)機(jī)械復(fù)雜切割機(jī)構(gòu)的需求。

RAS 創(chuàng)新需要利用新的使能技術(shù)和材料，并使用第一性原理科學(xué)理解來應(yīng)用。總之，這些因素將使工具進(jìn)一步小型化，從而提高 RAS 系統(tǒng)執(zhí)行有用工作的能力，無論是機(jī)械工作還是其他工作。