风险相关的脑结构是通过考虑特定区域健康受试者的神经功能和与潜在局部损伤相关的功能障碍的严重程度来开发的。根据植入损伤后可能引起的神经预后,将大脑“区域”分为6组,从“可接近”到“避免”,再到“常见”、“小心”、“警告”和“危险”。
生物灵感
大自然往往是高要求工程任务的灵感来源,特别是一种新型智能驱动器的灵感来自于产卵的黄蜂的渗透策略:这些昆虫可以穿透不同的组织(木材、树叶、宿主幼虫)产卵。例如,木蜂(Sirex noctilio)的产卵器的主要功能是通过沿着其长度的空心管产卵。它的尖端直径约为0.2~0.3毫米,可以钻到树的边缘深度达20毫米。木蜂解剖结构的适用性在于钻孔机制,不需要旋转运动或撞击。
产卵器是由两个相互锁紧的半部分(或“阀门”)组成的,就像“拉链锁”聚乙烯袋上的拉链一样,它们彼此相对滑动。向后指向的齿(编号在图1b中)固定在基板上,抵抗拉力。对其中一个阀门的拉力可以沿着产卵器的长度提供稳定,以防止屈曲,这样另一个阀门就可以以相等的反方向的力推动,产生接近零的净力。两个阀门的往复运动驱动着产卵器的穿透,因为其中一个阀门被推入更深的木材,另一个阀门产生的张力稳定下来。由于产卵器组件中没有净力,所以不存在稳定性问题,也没有理论上的长度限制。
J. F. V.文森特和J.金。木蜂产卵器钻孔的机理。生物模拟,3(4):187-201,1995。
这个项目
伦敦帝国理工学院目前正在开发一种仿生柔性可操纵探针:目的是以最小的损伤进入大脑深部区域,以便准确地放置微创仪器(导管,用于大脑深部刺激的电极),进行临床分析和诊断(活检,取样),局部给药和微神经外科手术。
FP7 ROBOCAST,欧洲项目
ROBOCAST是一个为期3年的欧洲项目(框架7资助),旨在开发综合神经外科套件。机器人辅助、智能传感器、增强现实和智能用户界面都是该项目的交付成果。帝国理工公司参与ROBOCAST的项目涉及如上所述的用于大脑干预的生物启发柔性探针的开发。访问www.robocast.eu获取更多信息。
项目联盟:
米兰理工大学(意大利,协调员),Azienda Ospedaliera di Verona(意大利),Università di Siena(意大利),帝国理工学院(英国),Prosurgics有限公司(英国),耶路撒冷希伯来大学(以色列),Technion -以色列理工学院(以色列),Mazor外科技术有限公司(以色列),Technische Universität Müchen(德国),Universität Karlsruhe (TH)(德国),CF咨询S.r.l(意大利)
膝关节置换手术要求用假体置换膝关节处的骨头,因为假体的每个部分都必须与骨头和彼此良好地配合。Acrobot为外科医生提供了这种准确性。当普通机器人接替外科医生的工作时,Acrobot与他一起工作,允许他在力量控制下移动切割器。机器人还能约束外科医生在安全区域内切割,防止周围组织受损。
这个项目导致了Acrobot有限公司的成立,这是一个将研究商业化的衍生公司。
强超声波可用于治疗体内深处的肿瘤(例如,深部脑瘤)。超声波的作用是将组织头部加热到可以杀死它的温度,之后死亡的组织会逐渐被人体重新吸收,并通过自然过程去除。
为了有效地进行肿瘤治疗,来自换能器的超声波必须聚焦到肿瘤内的一个小区域。这要求换能器经过精心设计,以产生适当的光束轮廓,从而形成一个紧密的焦点,并且换能器的正确定位和对齐使焦点位于肿瘤内部。
为了实现换能器的校准,采用了一种机器人方法,将换能器安装在机器人上,换能器和大脑之间有一个可变尺寸的接口匹配包,以允许调整大脑内的焦点深度,并提供阻抗匹配,使能量更好地转移到大脑。进行了一个评估机器人可行性的项目-下面的动画展示了机器人在三个位置的设计。塞尔万·帕瑟(Selvan Pather)正在研发一种更适用于外科手术的机器人。
该项目旨在调查在医疗过程中获得的力信息如何被机电一体化装置使用。所选择的特殊程序是从前臂采集血液样本,因为这一程序依赖于感觉静脉的存在和感觉针刺入静脉的瞬间。手工取样的一个问题是针头过冲,导致针头刺穿两侧静脉,造成挫伤。机器人可以通过触摸找到静脉,并在插入针头时监测插入力,并根据血管的弹性特性做出反应,以防止超冲。
经尿道前列腺切除术机器人。PROBOT是一种用于前列腺切除术的主动机器人。它被设计成允许外科医生指定前列腺内要切除的体积,然后自动切除,无需外科医生进一步干预。超声图像用于计划手术过程。
深部脑肿瘤的切除需要内窥镜手术和高精度。作为一个欧洲多国项目的一部分,一种机器人正在被开发,它拥有一个内窥镜,可以让外科医生在大脑中操作它。机器人利用主动约束原理将运动约束到特定区域。该项目是一个多学科的项目,涉及MRI处理、超声引导、机器人和可视化。