Команда инженеров и врачей разработала управляемый катетер, который впервые даст нейрохирургам возможность направлять устройство в любом направлении, в котором они хотят, во время навигации по артериям и кровеносным сосудам головного мозга. Устройство было вдохновлено природой, а именно ногами и жгутиками насекомых — структурами, похожими на хвосты, которые позволяют микроскопическим организмам, таким как бактерии, плавать.
Команда из Калифорнийского университета в Сан-Диего описывает прорыв в выпуске журнала Science Robotics от 18 августа.
Управляемый катетер был успешно протестирован на свиньях в Центре хирургии будущего Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Примерно каждый 50 человек в США имеет неразорвавшуюся внутричерепную аневризму — тонкостенное пузырчатое образование на мозговой артерии, склонное к разрыву. Эти виды поражений поражают более 160 миллионов человек во всем мире, половина из них моложе 50 лет. Более половины пациентов, страдающих разрывом аневризмы, умирают. Половина выживших имеют длительную инвалидность. Исследования показывают, что четверть случаев не могут быть прооперированы из-за труднодоступности аневризмы.
«Как нейрохирургу одна из проблем, с которыми мы сталкиваемся, — это направление катетеров в тонкие глубокие уголки мозга», — сказал доктор Александр Халесси, заведующий отделением неврологической хирургии Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Сегодняшние результаты демонстрируют доказательство концепции мягкого, легко управляемого катетера, который значительно улучшит нашу способность лечить аневризмы головного мозга и многие другие неврологические состояния, и я с нетерпением жду возможности продвинуть это нововведение в области ухода за пациентами».
Современное состояние хирургии аневризмы включает в себя нейрохирурги, вставляющие проволочные направители в артерию около паха, чтобы ввести катетеры через аорту до самого мозга. Хирурги используют проволочные направители с изогнутыми концами для навигации по артериям и соединениям мозга. Но эти проволочные направители необходимо удалить, прежде чем можно будет использовать кончик катетера для лечения.
«Как только проводник будет извлечен, катетер вернется к своей первоначальной форме, часто прямой, что приведет к потере доступа к патологии», — сказала д-р Джессика Вен, которая сыграла важную роль в качестве моста между клиницистами и инженерами и скоординировала работу. с Центром хирургии будущего Калифорнийского университета в Сан-Диего.
В результате чрезвычайно сложно разместить и удерживать его в правильном положении, чтобы освободить платиновые спирали, которые блокируют кровоток к аневризме и предотвращают кровотечение в мозг.
Управляемые катетеры недоступны для нейрохирургии из-за того, что кровеносные сосуды головного мозга очень малы. В частности, устройства должны быть менее одного миллиметра в диаметре — это примерно диаметр нескольких человеческих волос — и около пяти футов в длину (160 см). В таком масштабе промышленные методы производства не справляются. Частично это связано с тем, что гравитация, электростатика и сила Ван-дер-Ваальса одинаковы при таком размере. Так что, взяв что-то пинцетом, вы не сможете его уронить. Если вы вытащите его из пинцета, он может подпрыгнуть от противостоящих сил и исчезнуть, и его больше никогда не найти.
«К сожалению, многие из наиболее важных кровеносных сосудов, которые нам необходимо лечить, являются одними из самых извилистых и хрупких в организме», — сказал Джеймс Френд, профессор инженерной школы и Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего. . «Хотя робототехника требует решения многих медицинских проблем, деформируемых устройств в масштабах, необходимых для такого рода операций, просто не существует».
Биовдохновение
Чтобы решить эту проблему, исследователи черпали вдохновение как в природе, так и в мягкой робототехнике.
«Нас вдохновили жгутики и ноги насекомых, а также спаривание жуков, в котором задействованы микромасштабная гидравлика и большая форма деформации», — сказал Гопеш Тилвавала, недавно получивший докторскую степень. в исследовательской группе Фрэнда и первым автором статьи. «Это привело нас к разработке мягкого роботизированного микрокатетера с гидравлическим приводом».
Компьютерное моделирование и новые методы изготовления
Команде пришлось изобрести совершенно новый способ отливки силикона в трех измерениях, который работал бы в этих масштабах, путем нанесения концентрических слоев силикона друг на друга с разной жесткостью. В результате получился катетер из силиконовой резины с четырьмя отверстиями внутри его стенок, каждое размером примерно половину диаметра человеческого волоса.
Команда также провела компьютерное моделирование, чтобы определить конфигурацию катетера; сколько отверстий в нем должно быть; где они должны быть размещены; и количество гидравлического давления, необходимое для его приведения в действие. Чтобы направить катетер, хирург сжимает портативный контроллер, чтобы пропустить физиологический раствор в наконечник и направить его. Физиологический раствор используется для защиты пациента :; если устройство выйдет из строя, то физиологический раствор безвредно попадет в кровоток. Управляемый наконечник катетера виден на рентгеновских снимках.
Новый способ нейрохирургии
«Эта технология идеально подходит для ситуаций, когда мне нужно повернуться на 180 градусов относительно положения катетера в родительской артерии, а сохранение положения и уменьшение отталкивания критически важно», — сказал доктор Дэвид Сантьяго-Дьеппа, нейрохирург в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Здоровье. «Этот прогресс может в конечном итоге позволить нам лечить аневризмы, другие патологии головного мозга и даже инсульты, которые мы не могли делать в прошлом».
По словам врачей, эта работа существенно изменит методы проведения хирургических операций по поводу аневризмы.
«Этот тип точности может быть реализован с помощью управляемых инструментов, и успешное развертывание этих инструментов должно продвинуть нас вперед в обеспечении улучшенного доступа, сокращении времени процедуры, лучшем использовании мощностей, уменьшении радиационного облучения и других связанных и ожидаемых преимуществах», — сказал д-р Александер. Норбаш, председатель отделения радиологии Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Следующие шаги включают статистически значимое количество испытаний на животных, и первое — на людях.