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2024年2月1日，上海交通大學(xué)醫(yī)療機器人研究院楊廣中院士團隊聯(lián)合華中科技大學(xué)陶光明教授團隊在Cell Press細胞出版社期刊Matter上在線發(fā)表了題為“Flexible fiberbotic laser scalpels: material and fabrication challenges”的展望文章。

文章闡述了激光手術(shù)刀和連續(xù)體機器人技術(shù)的基本工作機理與潛在應(yīng)用，討論了其在精準(zhǔn)外科醫(yī)療領(lǐng)域的研究進展，并提出了柔性纖維機器人激光手術(shù)刀作為潛在的新型微創(chuàng)外科手術(shù)加工技術(shù)，在提升智能化醫(yī)療機器人功能性和臨床適應(yīng)性方面的優(yōu)勢和巨大挑戰(zhàn)，并對該領(lǐng)域的未來方向進行了展望。

微創(chuàng)手術(shù)具有安全、切口小和術(shù)后恢復(fù)快等獨特優(yōu)勢，極大促進了精準(zhǔn)外科醫(yī)療的發(fā)展。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物工程學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，手術(shù)刀已從單一的金屬刀具發(fā)展到超聲刀、射頻電刀等，這極大地提升了手術(shù)效率。盡管如此，在復(fù)雜手術(shù)場景中，手術(shù)刀存在器件尺度大、剛性強和操控性不足等問題，嚴(yán)重降低了手術(shù)治療效果。激光手術(shù)刀技術(shù)的出現(xiàn)是精準(zhǔn)外科醫(yī)療領(lǐng)域的重要里程碑，大量臨床研究證明其具有高消融精度和效率、出血少和副損傷小等顯著優(yōu)勢，在微創(chuàng)手術(shù)組織加工中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，微創(chuàng)手術(shù)對于小尺度柔性激光能量傳輸介質(zhì)的機械和光學(xué)性能的高要求，以及傳輸介質(zhì)與醫(yī)療機器人的集成方式的局限性，給激光手術(shù)刀技術(shù)在微創(chuàng)手術(shù)中的深入應(yīng)用帶來了巨大挑戰(zhàn)。

與基于機械加工的傳統(tǒng)手術(shù)工具不同，激光手術(shù)刀通過獨特的組織光學(xué)作用實現(xiàn)高效生物組織加工。文章詳細闡述了針對軟組織與硬組織切除的光熱消融與光致機械消融機理，并討論了水介導(dǎo)和超短脈沖激光技術(shù)在緩解組織凝結(jié)、碳化等熱損傷方面的研究進展（圖1）。進一步地，文章分析了以Nd、Ho、Tm、Er和CO2激光為主的紅外醫(yī)療光源在牙科、泌尿外科等多種手術(shù)領(lǐng)域的特點、優(yōu)勢與應(yīng)用價值，并強調(diào)新型手術(shù)激光光源技術(shù)的進步給激光傳輸介質(zhì)在靈活性、穩(wěn)定性和操控性等方面帶來的巨大挑戰(zhàn)。

激光傳輸介質(zhì)作為激光手術(shù)刀系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，需要穩(wěn)定地將激光能量遞送至特定手術(shù)部位。文章系統(tǒng)闡述了導(dǎo)光臂、空心波導(dǎo)和紅外光纖三類主要醫(yī)用激光傳輸介質(zhì)的研究現(xiàn)狀，并強調(diào)小尺度、高靈活性的紅外光纖器件在微創(chuàng)外科醫(yī)療中的應(yīng)用潛力。文章全面分析了紅外光纖器件的研究進展，從激光傳輸閾值、光學(xué)損耗和機械柔性角度比較了光纖在Er激光和CO2激光中的器件性能（圖2），并指出高光學(xué)損耗和低機械強度是限制紅外光纖器件在外科手術(shù)中深度應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來多材料纖維技術(shù)的快速發(fā)展，不同光、力、電、磁等物理性能的復(fù)合材料高度一體化集成，為開發(fā)高柔性低損耗中紅外光纖并進一步提升手術(shù)器械功能性提供了可靠研究支撐。

手術(shù)器械的精準(zhǔn)操控是實現(xiàn)高效微創(chuàng)手術(shù)的重要因素。材料科學(xué)與生物工程學(xué)科的快速發(fā)展，催生了驅(qū)動方式多樣的連續(xù)體手術(shù)機器人研究，促進了精準(zhǔn)外科醫(yī)療發(fā)展。文章全面分析了現(xiàn)有連續(xù)體機器人的驅(qū)動機理與特性（圖3），指出基于磁驅(qū)動方式的連續(xù)體機器人在安全、精準(zhǔn)和智能化外科手術(shù)介入中的巨大潛力。此外，文章進一步提出了柔性纖維機器人激光手術(shù)刀的概念，激光手術(shù)刀與醫(yī)療連續(xù)體機器人的結(jié)合推動了其更為廣泛的臨床應(yīng)用，這些系統(tǒng)已成功應(yīng)用于泌尿外科、婦科和耳鼻喉科手術(shù)。

為適應(yīng)更為復(fù)雜的臨床生理結(jié)構(gòu)和手術(shù)環(huán)境，需要進一步提升手術(shù)器械功能性。文章重點介紹了醫(yī)療機器人在定位、成像和信息感知等方面的研究進展，探討了基于電磁追蹤（EM）和布拉格光纖光柵（FBG）傳感器的定位系統(tǒng)、基于電荷耦合元件CCD/CMOS和光纖束的成像系統(tǒng)、力感知以及溫度感知反饋器件等技術(shù)的發(fā)展、特點與應(yīng)用潛力。此外，文章提出了一種基于連續(xù)體機器人架構(gòu)的柔性纖維機器人激光手術(shù)刀，它集成有定位、成像和感知功能，由連續(xù)體機器人骨架和功能裝置組成，其核心功能是激光消融、驅(qū)動和獲取信息，通過激光傳輸介質(zhì)、驅(qū)動模塊和嵌入機器人骨架中的傳感器來實現(xiàn)（圖4）。

外科手術(shù)器械的創(chuàng)新發(fā)展是驅(qū)動精準(zhǔn)外科醫(yī)療技術(shù)快速進步的重要因素。激光手術(shù)刀正不斷朝著小尺度、高度靈活、高效率的方向發(fā)展，并通過與導(dǎo)航操控、定位、成像和信息感知等功能器件深度融合，以滿足更為狹窄、復(fù)雜多樣的手術(shù)環(huán)境需求，在臨床領(lǐng)域取得了諸多突破性進展。文章的最后總結(jié)了未來柔性纖維機器人激光刀在精準(zhǔn)外科醫(yī)療中的優(yōu)勢和巨大挑戰(zhàn)，并對該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進行展望（圖5）：（1）激光傳輸介質(zhì)的材料、結(jié)構(gòu)與制造，通過高性能生物相容材料創(chuàng)新與高性能波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合先進纖維制造手段，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效醫(yī)療激光輸出的柔性激光傳輸介質(zhì)開發(fā)。（2）醫(yī)療機器人的驅(qū)動、建模與傳感，面向狹窄的解剖結(jié)構(gòu)空間，深入探究醫(yī)療機器人驅(qū)動機理與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)精準(zhǔn)、安全的外科診斷與操作。（3）多材料纖維器件的開發(fā)，為臨床介入提供更為靈活和智能化的手術(shù)工具。（4）光纖尖端微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造，豐富纖維機器人的多模態(tài)操作策略。（5）光纖側(cè)表面上的分布式傳感，為機器人提供了精確獲取局部環(huán)境信息的能力。

華中科技大學(xué)博士生鄒郁祁、任志禾、向遠卓、碩士生劉超為論文共同第一作者，上海交通大學(xué)楊廣中院士與華中科技大學(xué)陶光明教授為論文共同通訊作者，合作單位還包括中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所等。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、華中科技大學(xué)交叉研究支持計劃等項目的支持。

圖1 激光消融機理與臨床應(yīng)用。

圖2 典型中紅外光纖器件及其性能對比。

圖3 醫(yī)療連續(xù)體機器人驅(qū)動方式。

圖4 可定位、成像與感知的多功能連續(xù)體機器人。

圖5 未來的柔性纖維機器人激光手術(shù)刀。

作者專訪

Cell Press細胞出版社公眾號特別邀請?zhí)展饷鹘淌诖硌芯繄F隊接受了專訪，為大家進一步詳細解讀。

CellPress：

近年來醫(yī)療機器人研究發(fā)展迅速，那么請問陶教授，您是如何踏上醫(yī)療機器人研究之路的呢？

陶光明教授：

我在從事科研初期，致力于紅外光纖、功能纖維的基礎(chǔ)研究工作，我們也不斷嘗試將我們的科研成果回饋社會、造福人民。后來在與本文共同作者、上海交通大學(xué)楊廣中院士的交流中，我也逐漸意識到醫(yī)療機器人的巨大潛力。楊院士在醫(yī)療機器人領(lǐng)域取得的卓越成就、傳遞的科研思維觀念，特別是他在Science Robotics創(chuàng)刊文中的經(jīng)典論述[Sci. Robot. 2018，3, eaar7650]，闡明了醫(yī)療機器人的未來發(fā)展方向，深刻地影響啟發(fā)了許多像我一樣的年輕科研工作者。

CellPress：

您能否介紹一下您團隊目前在醫(yī)療機器人前沿領(lǐng)域的研究工作？這些工作的應(yīng)用前景如何？

陶光明教授：

我們團隊目前在醫(yī)療機器人領(lǐng)域的研究工作主要聚焦于開發(fā)用于微創(chuàng)外科手術(shù)的多功能醫(yī)療纖維機器人，我們認(rèn)為這類高操縱性和強操作性的纖維態(tài)智能手術(shù)器件在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。通過纖維機器人數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計與多材料纖維制造技術(shù)，我們已經(jīng)實現(xiàn)了200 mm/s流速下亞毫米血管內(nèi)醫(yī)療纖維機器人逆流進動與多重級聯(lián)栓塞操控，解決了遠端亞毫米血管病灶的靶向精準(zhǔn)抵達與多模態(tài)操作問題[Sci. Robot. 2024, 9, eadh2479]。此外，我們開發(fā)的柔性激光消融多材料纖維機器人，可實現(xiàn)了小彎曲半徑下的穩(wěn)定強激光輸出，解決了微創(chuàng)硬組織手術(shù)中手術(shù)工具靈活操作受限的問題[iScience 2022, 25, 105167]。在未來的研究工作中，我們?nèi)悦媾R材料科學(xué)、光學(xué)、工程制造和臨床醫(yī)學(xué)等不同學(xué)科交叉帶來的新問題，解決這些問題需要多學(xué)科科研人員的共同協(xié)作和努力。

CellPress：

文章指出，在所有連續(xù)體機器人驅(qū)動方式中，磁驅(qū)動技術(shù)更適用于柔性纖維機器人激光手術(shù)刀，實現(xiàn)精準(zhǔn)微創(chuàng)醫(yī)療手術(shù)。您認(rèn)為該技術(shù)的優(yōu)勢在哪里？

陶光明教授：

不管是基于繩索和同心管等外源驅(qū)動方式，還是基于氣壓、液壓和形狀記憶材料等內(nèi)源驅(qū)動方式的醫(yī)療連續(xù)體機器人，在不同的外科領(lǐng)域均有其適用性，本文作者團隊也進行了大量基于不同驅(qū)動機理的機器人研究工作[Sci. Adv. 2020, 6, eaba5660] [Sci. Adv. 2024, 10, eadj1984]。但我們均認(rèn)為在微創(chuàng)手術(shù)中，往往涉及更為狹窄、彎曲的復(fù)雜手術(shù)環(huán)境，這對醫(yī)療機器人的器件尺度、安全性、靈活性和功能性提出了更高要求，相比之下，磁驅(qū)動技術(shù)已被大量研究證明是一種安全、精準(zhǔn)、高頻及遠程的小尺度多功能醫(yī)療機器人驅(qū)動方式。

CellPress：

您在博士階段從事了特種光纖的基礎(chǔ)研究工作，從光學(xué)到多學(xué)科交叉領(lǐng)域，您在不同學(xué)科切換中遇到了哪些困難和挑戰(zhàn)？

陶光明教授：

我在博士期間致力于從事紅外特種光纖的關(guān)鍵技術(shù)研究，此后，進一步拓展到多材料光電功能纖維材料與器件的相關(guān)研究，在這個過程中，我逐漸認(rèn)識到，當(dāng)面對實際問題時，單一學(xué)科是有界限的，需要通過多學(xué)科交叉融合，不斷吸收各學(xué)科的養(yǎng)分。在這個過程中，不同學(xué)科的研究人員打破單一學(xué)科的固定觀念是極其困難的，我們需要保持耐心、包容和樂觀的心態(tài)，為解決實際問題去攻關(guān)，盡自己學(xué)科的一份力。

作者介紹

楊廣中

英國皇家工程院院士

楊廣中，上海交通大學(xué)講席教授、上海交通大學(xué)醫(yī)療機器人研究院創(chuàng)始人及首席科學(xué)家、英國皇家工程院院士。主要研究領(lǐng)域為醫(yī)療成像技術(shù)、傳感技術(shù)與機器人。他創(chuàng)立了著名的英國帝國理工醫(yī)學(xué)院的漢姆林中心，2017年被英女皇授勛CBE勛章，是首位獲此殊榮的大陸科學(xué)家。