天津大学王树新教授:精准微创手术器械创成与制造

医学是保护和恢复健康的艺术,是人类文明的一个重要组成部分。巴甫洛夫曾说:“有了人类就有了医疗的活动。”它的历史如水滴,涓流成河……从最原始的神的医学开始,随着人本思想涟漪的泛起走向人的医学,而后基于对人体解剖结构的认识,科学医学初露端倪,再后来依托高新技术的融入,医学迎来了它的科技时代。

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手术方式作为医疗的一种有效方式,其发展经历了漫长的演变过程。外科手术最早以开放手术模式为主,所用器械单一且简单。但伴随科技进步狂澜踏至外科各个领域,外科手术方式渐由传统开放术式向微创手术(Minimally invasive surgery, MIS)迈进。1987年,法国成功实施第一例微创手术标志着外科微创时代的来临,但相应手术器械只是传统器械的简单变化,且大多为硬质器械。在微创器械实现方面,国际上最具代表性的有美国da Vinci机器人辅助手术器械,也是目前商业化最成功的系统。单纯的硬质器械在微创约束特征下,其两端运动不再遵循直观的映射规律,对手术质量有重要影响的精确力映射也大大减弱。由于器械与组织交互作用机理尚未突破,使具有结构刚性的器械对组织进行夹持、切割等操作时,力矢量与运动矢量不易精准把握而致损伤组织或器官。

近年来,自然腔道手术因其对人体创伤很小,逐渐受到医学界青睐。自然腔道手术(Natural orifice transluminal endoscopic surgery, NOTES)是经过人体自然腔道,例如经食道、阴道、肠道,而实施手术。自然腔道手术器械不仅要求具有对人体的适应性,即柔性可达,而且要求器械操作过程精准稳定,并具备缝合打结、切割止血等基本功能。围绕自然腔道手术,英国伦敦大学国王学院开发了具有刚度可控的柔性连续体手术器械,约翰霍普金斯大学TAYLOR等开发了具有34个活动度的蛇形结构手术器械,哥伦比亚大学NABIL等利用Ni-Ti合金开发了多自由双臂协调操作手术器械,意大利理工学院与比萨圣安娜高等学校研制高灵活性柔性“章鱼”机械臂等。但柔性手术器械存在着操作精度较低、体积较大、控制复杂等工程问题,与之相关的创成基本原理、机构基础设计模型及与柔性驱动机理相关的基础理论问题还远未解决。因此,探索先进手术器械创新设计与仿生制造的科学原理是机械工程学科的重要任务之一。

国家自然科学基金重大项目“精准微创手术器械创成与制造基础”,是针对传统器械设计中存在的能量作用界面机理不清、柔性适应性不足、组织附着问题、服役性能不安全等不足之处,探究生/机接触机制与交互作用规律、刚柔耦合机构运动映射关系、结构/功能一体化制造新原理等基础科学问题,天津大学王树新教授项目团队开展了微创器械生理相容与交互作用机理研究,仿生界面的设计与制造基础研究,微创器械创成与实现方法研究,材料/结构一体化精确造技术研究,以及器械可靠性及服役性能理论研究,以期解决精准微创器械的界面问题、设计与制造问题。研究团队在相关基础理论与关键技术方面开展了系统研究,研究成果在国际重要刊物或有重要影响的国际会议上发表论文145篇,其中在《Nature》和《Science》期刊分别发表1篇论文。

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成功研制了具有刚度可控特征的自然腔道手术器械,主要技术指标为外径20mm,双4.7 mm工具腔道,可实现180°摆动,具有刚度可控功能,并完成系列动物实验。

天津大学王树新教授:精准微创手术器械创成与制造的图4

具有刚度可控特征的自然腔道手术器械

通过探索微创器械设计理论与制造新原理,提出了柔性器械设计理论与方法,促进了医工交叉融合,提供了精准手术操作工具,对满足我国微创手术量大、面广的临床器械需求,达到精准微创手术操作,以提高患者治疗质量,促进国家战略性新兴产业发展,提高全民健康具有重要的经济和社会意义。

柔性器械

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