Miniaturowe ultradźwiękowe narzędzie chirurgiczne o konfiguracji flekstensionalnej z wstępnie naprężonym stosem piezoelektrycznym

Mniejsze narzędzia dla delikatniejszej chirurgii kostnej

Kiedy chirurdzy tnają kość, zależy im na dokładności i kontroli przy jednoczesnym jak najmniejszym naruszeniu otaczających tkanek. Ultradźwiękowe skalpele kostne już ułatwiają to zadanie dzięki bardzo szybkim drganiom, które tną niską siłą i z dużą precyzją, ale komercyjne wersje są obecnie masywnymi narzędziami ręcznymi. Są zbyt duże i zbyt sztywne, by przejść przez wąskie otwory stosowane w chirurgii endoskopowej lub by zmieścić się na elastycznym nadgarstku robotów chirurgicznych. W tym badaniu przedstawiono miniaturowe ultradźwiękowe narzędzie do cięcia kości zaprojektowane do pracy w ciasnych przestrzeniach i przenoszone przez ramię robotyczne, otwierając drogę do bardziej delikatnych, mniej inwazyjnych operacji kręgosłupa i czaszki.

Nowy sposób na zmniejszenie ostrza ultradźwiękowego

Standardowe urządzenia ultradźwiękowe do kości opierają się na skręconym stosie ceramicznych pierścieni, który musi mieć określoną długość, by efektywnie drgać. Jeśli po prostu się go zmniejszy, zmienia się wzorzec drgań, końcówka porusza się mniej, a ostrze staje się zbyt słabe, by ciąć kość. Inne proponowane miniaturowe rozwiązania albo nie generują wystarczającego skoku ostrza, albo polegają na połączeniach klejowych, które zawodzą przy silnych drganiach. Badacze rozwiązali to, przemyślawszy układ na nowo. Zbudowali zwarte metalowe ramienie ukształtowane tak, by po jednej stronie uginać się jak sprężyna, a po drugiej pozostawać nieruchome, i napędzili je ściśniętym stosem ceramicznych pierścieni utrzymywanym przez śrubę i nakrętki. Ta flekstensionalna rama działa jak wzmacniacz mechaniczny: drobne ruchy w stosie ceramicznym są przekształcane w znacznie większe ruchy przy ostrzu tnącym. Całe urządzenie ma wielkość palca i jest na tyle wąskie, że można je wprowadzić przez standardowe rurki dostępu chirurgicznego, pozostawiając jednocześnie przestrzeń na podłączenie do nadgarstka robota.

Sprawienie, by małe ostrze poruszało się silnie i niezawodnie

Dzięki nietypowemu kształtowi nowe urządzenie zachowuje się zupełnie inaczej niż tradycyjne skalpele ultradźwiękowe po podłączeniu zasilania. Badania elektryczne wykazały, że ma wysoką impedancję i magazynuje energię elektryczną jak kondensator, co utrudnia efektywne napędzanie. Zespół dokładnie zmierzył, jak struktura drga, używając modeli komputerowych i pomiarów laserowych, potwierdzając, że strona robocza silnie się ugina, podczas gdy strona połączeniowa i stos ceramiczny pozostają prawie nieruchome i proste. Następnie zaprojektowano układ dopasowujący z cewkami i kondensatorami, aby dostroić sposób, w jaki zasilacz „widzi” urządzenie, tak by więcej energii elektrycznej zostało przekształcone w ruch przy ostrzu. Po takiej regulacji miniaturowe narzędzie osiągnęło wychylenia drgań rzędu 40–60 mikrometrów na końcówce ostrza, poziom znany z wcześniejszych badań jako wystarczający do cięcia kości.

Testowanie cięcia kości przy niskiej sile i dużej kontroli

Aby sprawdzić, jak dobrze urządzenie tnie, badacze najpierw zamocowali je na stanowisku laboratoryjnym i użyli do piłowania sekcji wieprzowych żeber, które bardzo przypominają ludzką kość. Zmieniany był zarówno prędkość wprowadzania ostrza w kość, jak i amplituda drgań, a mierzono siłę boczną i siłę penetracji w dół. Gdy ostrze drgało silnie i posuwało się powoli, siły utrzymywały się poniżej jednego newtona, znacznie mniejsze niż przy cięciu nieultradźwiękowym, a odczyty elektryczne pozostawały stabilne. Przy szybszym posuwie urządzenie stawało się trudniejsze w kontroli, pojawiały się oznaki dryfu drgań od idealnego rytmu. Obrazy cięć potwierdziły, że najlepsze ustawienia dawały głębokie, czyste szczeliny, podczas gdy gorsze ustawienia prowadziły do mniej spójnych wyników. Testy wykazały również nagrzewanie się przy cięciu, co podkreśla potrzebę chłodzenia w przyszłych zastosowaniach, podobnie jak w systemach komercyjnych.

Umieszczenie narzędzia na robocie chirurgicznym

Następnie miniaturowe urządzenie przymocowano do precyzyjnego ramienia robota Kuka przez platformę do drobnej pozycjonacji i czujnik siły. W tym układzie robot prowadził narzędzie w powtarzających się krótkich pociągnięciach po kości, jednocześnie stopniowo zwiększając głębokość, podobnie jak chirurg wydłużający nacięcie. W tych warunkach siły tnące, boczne i pionowe wszystkie utrzymywały się poniżej jednego newtona, nawet gdy ostrze zagłębiało się i poruszało szybciej. Dodatkowa swoboda robota w korekcji pozycji pomagała utrzymać nieco szerszą szczelinę niż grubość ostrza, co zmniejszało tarcie. Mikroskopowa inspekcja powstałych cięć wykazała ostre ściany, minimalne odpryski i szerokości w granicach około sześciu procent grubości ostrza, co świadczy o doskonałej precyzji. Temperatury na końcówce tnącej rosły wraz z prędkością, ale pozostały w zakresie bezpiecznym dla tych badań in vitro.

Co to może oznaczać dla przyszłych zabiegów

Praca ta pokazuje, że ultradźwiękowe urządzenie do cięcia kości wielkości kciuka może wygenerować ruch i siłę potrzebne w chirurgii, pozostając jednocześnie na tyle małe, by być montowane na elastycznym nadgarstku robota. Poprzez połączenie przemyślanej ramy mechanicznej, dostrojonej elektroniki utrzymującej właściwe drgania oraz ostrożnej kontroli prędkości i głębokości cięcia, badacze osiągnęli czyste, wąskie nacięcia w kości przy bardzo niskich siłach. Z dodatkowymi systemami chłodzenia i dalszym dopracowaniem kształtu ostrza oraz sterowania robotem podobne narzędzia mogłyby w przyszłości pomóc chirurgom usuwać kość w zatłoczonych obszarach kręgosłupa lub czaszki przez maleńkie otwory, zmniejszając traumę i poprawiając dostęp bez utraty precyzji.

Cytowanie: Li, X., Jones, D., Valdastri, P. et al. A miniature ultrasonic surgical device based on a flextensional configuration with a pre-stressed piezoelectric stack. Commun Eng 5, 95 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00651-2

Słowa kluczowe: ultradźwiękowa chirurgia kostna, chirurgia robotyczna, małoinwazyjne, urządzenia chirurgiczne, cięcie kości