Maniant un faisceau laser profondément à l’intérieur du corps

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Maniant un faisceau laser profondément à l'intérieur du corps
L’effecteur d’extrémité microrobotique à guidage laser (à droite) peut être utilisé comme accessoire complémentaire adapté pour les systèmes endoscopiques existants (à gauche) pour une utilisation en chirurgie mini-invasive. Crédit: Wyss Institute de l’Université Harvard

Les chirurgies mini-invasives dans lesquelles les chirurgiens ont accès aux tissus internes par des orifices naturels ou de petites excisions externes sont une pratique courante en médecine. Ils sont effectués pour des problèmes aussi divers que la mise en place de stents à travers des cathéters, le traitement des complications abdominales et la réalisation d’opérations transnasales à la base du crâne chez des patients souffrant de troubles neurologiques.

Les extrémités des dispositifs pour de telles chirurgies sont très flexibles (ou «articulées») pour permettre la visualisation et la manipulation spécifique du site chirurgical dans le tissu cible. Dans le cas de dispositifs délivrant de l’énergie qui permettent aux chirurgiens de couper ou de sécher (dessécher) les tissus et d’arrêter les saignements internes (coaguler) profondément à l’intérieur du corps, une source d’énergie génératrice de chaleur est ajoutée à l’extrémité de l’appareil. Cependant, les sources d’énergie actuellement disponibles délivrées via une fibre ou une électrode, telles que les courants de radiofréquence, doivent être rapprochées du site cible, ce qui limite la précision chirurgicale et peut provoquer des brûlures indésirables dans les sections de tissu adjacentes et le développement de fumée.

La technologie laser, qui est déjà largement utilisée dans un certain nombre de chirurgies externes, telles que celles pratiquées dans les yeux ou la peau, serait une solution intéressante. Pour les chirurgies internes, le faisceau laser doit être orienté avec précision, positionné et rapidement repositionné à l’extrémité distale d’un endoscope, ce qui ne peut pas être accompli avec la technologie relativement encombrante actuellement disponible.

Vidéo montrant comment les lasers sont dirigés et dirigés à travers le dispositif robotique. Crédit: York et al., Sci. Robot. 6, eabd5476 (2021)

Maintenant, des ingénieurs en robotique dirigés par Robert Wood, Ph.D., membre de la faculté associée de Wyss, et par le boursier postdoctoral Peter York, Ph.D., au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard et à la John A. Paulson School for Engineering and Applied Science ( SEAS) ont développé un microrobot à guidage laser dans un boîtier miniaturisé de 6×16 millimètres qui fonctionne avec une vitesse et une précision élevées, et peut être intégré aux outils endoscopiques existants. Leur approche, rapportée dans Robotique scientifique, pourrait aider à améliorer considérablement les capacités de nombreuses chirurgies mini-invasives.

« Pour permettre une chirurgie laser mini-invasive à l’intérieur du corps, nous avons conçu une approche microrobotique qui nous permet de diriger avec précision un faisceau laser sur de petits sites cibles dans des motifs complexes dans une zone anatomique d’intérêt », a déclaré York, le premier auteur correspondant sur le étude et un stagiaire postdoctoral dans l’équipe de microrobotique de Wood. « Avec sa large gamme d’articulations, son encombrement minimal et son action rapide et précise, cet effecteur terminal à guidage laser a un grand potentiel pour améliorer les capacités chirurgicales simplement en étant ajouté aux dispositifs endoscopiques existants de manière plug-and-play. »

L’équipe devait surmonter les défis de base en matière de conception, d’actionnement et de microfabrication du mécanisme de direction optique qui permet un contrôle précis du faisceau laser après sa sortie d’une fibre optique. Ces défis, ainsi que le besoin de vitesse et de précision, ont été exacerbés par les contraintes de taille – l’ensemble du mécanisme devait être logé dans une structure cylindrique avec à peu près le diamètre d’une paille pour être utile pour les procédures endoscopiques.

Vidéo démontrant la précision du mouvement du laser, en suivant une trajectoire en forme d’étoile à grande vitesse. Crédit: York et al., Sci. Robot. 6, eabd5476 (2021)

« Nous avons constaté que pour diriger et rediriger le faisceau laser, une configuration de trois petits miroirs qui peuvent tourner rapidement les uns par rapport aux autres dans une petite conception de ‘galvanomètre’ a fourni un point idéal pour notre effort de miniaturisation », a déclaré le deuxième auteur Rut Peña, ingénieur en mécanique avec une expertise en micro-fabrication dans le groupe Wood. «Pour y arriver, nous avons exploité les méthodes de notre arsenal de microfabrication dans lequel les composants modulaires sont stratifiés par étapes sur une superstructure à l’échelle millimétrique – un processus de fabrication très efficace lorsqu’il s’agit d’itérer rapidement des conceptions à la recherche d’un optimum et de livrer une stratégie robuste pour fabriquer en série un produit réussi. « 

Vidéo du petit laser déployé sur un colonoscope dans un modèle de côlon artificiel. Crédit: York et al., Sci. Robot. 6, eabd5476 (2021)

L’équipe a démontré que leur effecteur d’extrémité de direction laser, miniaturisé à un cylindre mesurant seulement 6 mm de diamètre et 16 mm de longueur, était capable de cartographier et de suivre des trajectoires complexes dans lesquelles plusieurs ablations laser pourraient être effectuées à grande vitesse, sur une large gamme, et être répété avec une grande précision.

Pour montrer en outre que l’appareil, lorsqu’il est attaché à l’extrémité d’un coloscope commun, pourrait être appliqué à une tâche endoscopique réaliste, York et Peña, conseillés par le chercheur clinique Wyss Daniel Kent, MD, ont simulé avec succès la résection de polypes en naviguant leur appareil par télé-opération dans un tissu fantôme de paillasse en caoutchouc. Kent est également médecin résident en chirurgie générale au Beth Israel Deaconess Medical Center.

Maniant un faisceau laser profondément à l'intérieur du corps
Une photographie à longue exposition montre le type de contrôle complexe que l’outil de guidage laser peut effectuer. L’image montre l’outil de guidage laser avec l’étiquette «μlase» comme abréviation de «Microlaser». Crédit: Peter York / Université Harvard

«Dans cette approche multidisciplinaire, nous avons réussi à exploiter notre capacité à prototyper rapidement des mécanismes microrobotiques complexes que nous avons développés au cours de la dernière décennie pour fournir aux cliniciens une solution non perturbatrice qui pourrait leur permettre de faire progresser les possibilités de chirurgies mini-invasives en le corps humain avec un impact qui peut changer la vie ou potentiellement sauver des vies », a déclaré l’auteur principal Wood, Ph.D., qui est également professeur Charles River d’ingénierie et de sciences appliquées à SEAS.

L’équipe de microrobotique de Wood, ainsi que des experts en traduction technologique de l’Institut Wyss, ont breveté leur approche et réduisent désormais davantage les risques de leur technologie médicale (MedTech) en tant que complément pour les endoscopes chirurgicaux.

Maniant un faisceau laser profondément à l'intérieur du corps
Outil de guidage laser microrobotique illustré avec un crayon et une règle pour l’échelle. L’appareil mesure 6 millimètres de diamètre et 16 millimètres de longueur. Crédit: Peter York / Université Harvard

«L’accent mis par l’Institut Wyss sur les dispositifs microrobotiques et ce nouveau dispositif de guidage laser développé par l’équipe de Robert Wood travaillant dans plusieurs disciplines avec des cliniciens et des experts en traduction révolutionnera, nous l’espérons, la façon dont les procédures chirurgicales mini-invasives sont effectuées dans un certain nombre de domaines pathologiques», a déclaré Wyss Directeur fondateur Donald Ingber, MD, Ph.D., qui est également professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et au Boston Children’s Hospital, et professeur de bioingénierie à SEAS.


Le manipulateur miniature inspiré de l’origami améliore la précision et le contrôle des procédures chirurgicales téléopérées

Plus d’information: PA York et al., « Direction laser microrobotique pour la chirurgie mini-invasive », Robotique scientifique (2021). robotics.sciencemag.org/lookup… /scirobotics.abd5476

« Amener la lumière à l’intérieur du corps pour effectuer une meilleure chirurgie, » Robotique scientifique (2021). robotics.sciencemag.org/lookup… /scirobotics.abf1523

Fourni par l’Université Harvard

Citation: Maniant un faisceau laser profondément à l’intérieur du corps (2021, 13 janvier) récupéré le 13 janvier 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-01-wielding-laser-deep-body.html

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