Οι περισσότερες χειρουργικές επεμβάσεις στον εγκέφαλο απαιτούν από τους γιατρούς να αφαιρέσουν μέρος του κρανίου για να αποκτήσουν πρόσβαση σε δυσπρόσιτες περιοχές ή όγκους. Είναι επεμβατική, ριψοκίνδυνη και χρειάζεται πολύς χρόνος για να αναρρώσει ο ασθενής.
Έχουμε αναπτύξει νέα, μικροσκοπικά ρομποτικά χειρουργικά εργαλεία που μπορεί να επιτρέψουν στους χειρουργούς να κάνουν «χειρουργική επέμβαση κλειδαρότρυπας» στον εγκέφαλο. Παρά το μικρό τους μέγεθος, τα εργαλεία μας μπορούν να μιμηθούν το πλήρες εύρος κίνησης του καρπού ενός χειρουργού, δημιουργώντας νέες δυνατότητες για λιγότερο επεμβατική χειρουργική στον εγκέφαλο.
Μικροσκοπικά εργαλεία για τη χειρουργική του εγκεφάλου
Τα ρομποτικά χειρουργικά εργαλεία (διαμέτρου περίπου 8 χιλιοστών) χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες στη χειρουργική κλειδαρότρυπα για άλλα μέρη του σώματος. Η πρόκληση ήταν να κατασκευαστεί ένα εργαλείο αρκετά μικρό (διάμετρος 3 χιλιοστά) για τη νευροχειρουργική.
Σε ένα πρόγραμμα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Τορόντο, όπου ήμουν μεταδιδακτορικός υπότροφος, συνεργαστήκαμε με το Νοσοκομείο για τα άρρωστα παιδιά (SickKids) στον Καναδά για την ανάπτυξη μιας σειράς πολύ μικρών εργαλείων νευροχειρουργικής.
Τα εργαλεία έχουν διάμετρο μόνο περίπου 3 χιλιοστά. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στο Science Robotics, αποδείξαμε ότι αυτά τα εργαλεία μπορούσαν να πιάσουν, να τραβήξουν και να κόψουν ιστό.
Το εξαιρετικά μικρό τους μέγεθος είναι εφικτό καθώς δεν τροφοδοτούνται από κινητήρες αλλά από εξωτερικά μαγνητικά πεδία.
Τα σημερινά ρομποτικά χειρουργικά εργαλεία κινούνται συνήθως με καλώδια συνδεδεμένα με ηλεκτρικούς κινητήρες. Λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως τα ανθρώπινα δάχτυλα, τα οποία χειρίζονται από τένοντες στο χέρι που συνδέονται με μύες στον καρπό.
Ωστόσο, οι τροχαλίες πλάτους μικρότερου από μερικά χιλιοστά για τον έλεγχο των εργαλείων είναι αδύναμες και επιρρεπείς σε τριβές, τεντώματα και σπασίματα. Αυτό δημιουργεί προκλήσεις στην κλιμάκωση των οργάνων, λόγω των δυσκολιών στην κατασκευή των τμημάτων του συστήματος, στη συναρμολόγηση των μηχανισμών και στη διαχείριση της τριβής στα καλώδια.
Μαγνητικοί έλεγχοι
Το νέο ρομποτικό σύστημα αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο είναι τα ίδια τα μικροσκοπικά εργαλεία: μια λαβίδα, ένα νυστέρι και μια σειρά λαβίδων. Το δεύτερο μέρος είναι αυτό που ονομάζουμε «τραπέζι πηνίων», το οποίο είναι ένα χειρουργικό τραπέζι με πολλά ηλεκτρομαγνητικά πηνία ενσωματωμένα στο εσωτερικό του.
Σε αυτό το σχέδιο, ο ασθενής θα τοποθετείται με το κεφάλι του πάνω στα ενσωματωμένα πηνία και τα ρομποτικά εργαλεία θα εισάγονται στον εγκέφαλο μέσω μιας μικρής τομής.
Μεταβάλλοντας την ποσότητα του ηλεκτρισμού που ρέει στα πηνία, μπορούμε να χειραγωγήσουμε τα μαγνητικά πεδία, προκαλώντας τα εργαλεία να πιάσουν, να τραβήξουν ή να κόψουν ιστό όπως επιθυμούμε.
Στην ανοικτή χειρουργική του εγκεφάλου, ο χειρουργός βασίζεται στον δικό του επιδέξιο καρπό για να περιστρέφει τα εργαλεία και να γέρνει τις άκρες τους για να έχει πρόσβαση σε δυσπρόσιτες περιοχές, όπως η αφαίρεση ενός όγκου μέσα στην κεντρική κοιλότητα του εγκεφάλου. Σε αντίθεση με άλλα εργαλεία, τα ρομποτικά νευροχειρουργικά εργαλεία μας μπορούν να το μιμηθούν αυτό με κινήσεις «με τον καρπό».
Εκπληκτική ακρίβεια
Δοκιμάσαμε τα εργαλεία σε προκλινικές δοκιμές όπου προσομοιώσαμε τις μηχανικές ιδιότητες του εγκεφαλικού ιστού με τον οποίο θα έπρεπε να συνεργαστούν. Σε ορισμένες δοκιμές, χρησιμοποιήσαμε κομμάτια τόφου και βατόμουρου που τοποθετήθηκαν μέσα σε ένα μοντέλο του εγκεφάλου.
Συγκρίναμε τις επιδόσεις αυτών των εργαλείων που λειτουργούν με μαγνήτες με αυτές των τυπικών εργαλείων που χειρίζονται εκπαιδευμένοι χειρουργοί.
Διαπιστώσαμε ότι οι τομές που έγιναν με το μαγνητικό νυστέρι ήταν συνεπείς και στενές, με μέσο πλάτος 0,3-0,4 χιλιοστά. Αυτό ήταν ακόμη πιο ακριβές από εκείνα των παραδοσιακών εργαλείων χειρός, τα οποία κυμαίνονταν από 0,6 έως 2,1 χιλιοστά.
Από το εργαστήριο στο χειρουργείο
Μας εξέπληξε το πόσο καλά λειτουργούσαν τα ρομποτικά εργαλεία. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος μέχρι να μπορέσει αυτή η τεχνολογία να βοηθήσει τους ασθενείς. Μπορεί να χρειαστούν χρόνια, ακόμη και δεκαετίες, για την ανάπτυξη ιατρικών συσκευών, ιδίως χειρουργικών ρομπότ.
Η μελέτη αυτή αποτελεί μέρος ενός ευρύτερου προγράμματος που βασίζεται σε πολυετή εργασία με επικεφαλής τον Eric Diller από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο, ειδικό στα μικρορομπότ με μαγνήτες.
Τώρα, η ομάδα θέλει να βεβαιωθεί ότι ο ρομποτικός βραχίονας και το μαγνητικό σύστημα μπορούν να χωρέσουν άνετα σε μια χειρουργική αίθουσα νοσοκομείου. Η ομάδα θέλει επίσης να το καταστήσει συμβατό με συστήματα απεικόνισης, όπως η φθοριοσκόπηση, η οποία χρησιμοποιεί ακτίνες Χ. Μετά από αυτό, τα εργαλεία μπορεί να είναι έτοιμα για κλινικές δοκιμές.
Είμαστε ενθουσιασμένοι με τις δυνατότητες για μια νέα εποχή ελάχιστα επεμβατικών νευροχειρουργικών εργαλείων.
*O Changyan He είναι Λέκτορας, Σχολή Μηχανικών, Πανεπιστήμιο του Newcastle. Το άρθρο του αναδημοσιεύεται αυτούσιο στο Liberal μέσω άδειας Creative Commons από τον ιστότοπο TheConversation.
