27/05/2024
Door Ad Spijkers
Het ‘onzichtbare pincet’ gebruikt robotica en akoestische energie om te bereiken wat menselijke handen niet kunnen, en niet alleen in de geneeskunde.
Een operatie ondergaan is zelden een prettige ervaring en kan soms invasief zijn. Chirurgische procedures zijn door de eeuwen heen gestaag geëvolueerd en gegroeid met de kennis van anatomie en biologie. De methoden zijn ook versterkt met nieuwe hulpmiddelen; groei in het gebruik van robotica heeft sinds de jaren tachtig de gezondheidszorg aanzienlijk vooruit geholpen. Onderzoekers van Virgininia Tech in Blacksburghebben met behulp van robotica en niet-invasieve akoestiek een nieuwe stap gezet in de vooruitgang.
Door robot ondersteunde chirurgie
Chirurgie met behulp van robots is invasief: er is sprake van snijden en vaak worden andere instrumenten in de incisie ingebracht. Omdat door robots ondersteunde hulpmiddelen kleiner kunnen zijn, zijn de incisies doorgaans ook kleiner dan bij traditionele operaties, waardoor robotica de voorkeur verdient. Deze vorm van chirurgie heeft zijn voordelen bewezen en is in de loop van de tijd verder verbeterd. Voordelen voor patiënten zijn onder meer minder ongemak en bloedingen, minder tijd in het ziekenhuis en snellere herstelperioden.
Volgens het American College of Surgeons was in 2012 bij 1,8 %van de operaties een robot betrokken. In 2018 was dat percentage gestegen tot 15,1% en het blijft stijgen dankzij de vooruitgang op het gebied van de robotica. Enkele van de meest voorkomende procedures waarbij robotica betrokken is, zijn blindedarmoperaties, hysterectomieën (baarmoederverwijderingen) en maag-bypasses.
Niet-invasieve geluidsbehandeling
Hoewel door robots geassisteerde chirurgie een aantal voordelen heeft, heeft het team aan Virginia Tech dat idee een stap verder gebracht dan het huidige idee. De teamleden ontwikkelen een methode om kleine doelen, zoals cellen en medicijnen, niet-invasief te verplaatsen binnen een lichaam dat is. Dat betekent dat de methode geen incisies vereist.
Het geheim wordt gevonden in akoestische energie-emitters die het team gebruikt om deeltjes te omringen en op te vangen. De emitters werken als een onzichtbaar pincet. De creëren 3D-akoestische vortexvelden die door barrières zoals bot en weefsel kunnen gaan en elkaar kunnen kruisen om kleine ringvormige akoestische vallen te vormen. Objecten van micro- tot millimeterformaat die in het midden van een akoestische val worden gevangen, kunnen worden verplaatst en gedraaid.
Door een akoestische vortexzender op een robotplatform te monteren, kan de akoestische vortexbundel op micrometerschaal worden verplaatst. Dienovereenkomstig kan het deeltjesvanggebied nauwkeurig worden ingesteld in een 3D-ruimte. Hierdoor kan het verplaatsen van een deeltje nadat het is gevangen worden ingesteld. Wanneer een klein voorwerp langs het kronkelende pad van een bloedvat wordt verplaatst, kan dit een cruciaal kenmerk zijn.
Meer dan medicijnen
Het vermogen om cellen en medicijnen door de aderen te verplaatsen zonder de huid te beschadigen creëert nieuwe mogelijkheden in de geneeskunde. De onderzoekers verwachten dat ze tijdens dit onderzoek een groot aantal nieuwe toepassingen zullen vinden.
Het onderzoeksteam kan een klein object achter een vaste structuur verplaatsen, maar de akoestische vortexbundels kunnen ook deeltjes in zowel gassen als vloeistoffen verplaatsen. De huidige aanpak richt zich op kleine deeltjes in deze stoffen, maar de integratie van de akoestische energie-emitters heeft , samen met robotica, toepassingen die verder gaan dan chirurgie en het verplaatsen van kleine deeltjes. Contactloze robotmanipulatie heeft potentieel in veel andere toepassingen op het gebied van techniek, biologie en scheikunde. Te denken valt aan:
- het besturen van microrobots
- omgaan met delicate biodeeltjes, zoals exosomen en cellen
- transport van gevaarlijke reagensdruppels
- controle van de zelfassemblage van colloïdale materialen
- regelen van nanomaterialen voor composietfabricage
Vervolg
Toen de onderzoekers onlangs deelnamen aan een expositie vonden de kinderen die hen bezochten het leuk om kleine kralen in de onzichtbare akoestische velden te plaatsen die door onze apparaten worden gegenereerd. De onderzoekers willen hen graag de mogelijkheid bieden om grotere objecten te verplaatsen. Volgend jaar hopen ze een grotere zender te hebben die een pingpongbal kan vasthouden. Ze zijn ook benieuwd hoe ze hun aanpak in andere onderzoeken kunnen integreren.
Foto: Alex Parrish/Virginia Tech.