Um dispositivo cirúrgico ultrassônico em miniatura baseado em uma configuração flextensional com um empilhamento piezoelétrico pré-tensionado

Ferramentas menores para cirurgias ósseas mais suaves

Quando cirurgiões cortam osso, desejam precisão e controle enquanto perturbam o mínimo possível dos tecidos próximos. Bisturis ósseos ultrassônicos já ajudam ao vibrar tão rapidamente que cortam com baixa força e alta precisão, mas as versões comerciais atuais são ferramentas manuais volumosas. Elas são grandes e rígidas demais para passar pelos pontos de entrada estreitos usados na cirurgia por vídeo ou para se encaixar no pulso flexível de robôs cirúrgicos. Este estudo apresenta uma ferramenta ultrassônica miniatura para corte ósseo projetada para operar em espaços confinados e ser carregada por um braço robótico, abrindo caminho para operações mais delicadas e menos invasivas na coluna e no crânio.

Uma nova forma de reduzir o tamanho de uma lâmina ultrassônica

Dispositivos ultrassônicos ósseos padrão são construídos em torno de um empilhamento parafusado de anéis cerâmicos que deve ter certo comprimento para vibrar eficientemente. Se você simplesmente encolhe essa estrutura, o padrão de vibração muda, a ponta se move menos e a lâmina fica fraca demais para cortar osso. Outros projetos miniaturizados propostos ou não conseguem deslocar a lâmina o suficiente ou dependem de juntas coladas que falham sob vibração intensa. Os pesquisadores resolveram isso repensando o arranjo. Eles construíram uma armação metálica compacta moldada para flexionar como uma mola de um lado enquanto permanece imóvel do outro, e a acionaram com um empilhamento de anéis cerâmicos fortemente comprimido e preso por um parafuso e porcas. Essa armação “flextensional” atua como um amplificador mecânico: pequenos movimentos no empilhamento cerâmico se transformam em movimentos muito maiores na lâmina de corte. Todo o dispositivo tem aproximadamente o tamanho de um dedo e é estreito o suficiente para passar por tubos de acesso cirúrgico comuns, deixando espaço para conexão a um pulso robótico.

Fazer uma lâmina minúscula mover-se com potência e confiabilidade

Devido à sua forma incomum, o novo dispositivo se comporta de forma muito diferente dos bisturis ultrassônicos tradicionais quando energizado. Testes elétricos mostraram que ele apresenta alta resistência à corrente e armazena energia elétrica como um capacitor, o que o torna mais difícil de acionar de forma eficiente. A equipe mediu cuidadosamente como a estrutura vibra usando modelos computacionais e medições a laser, confirmando que o lado de trabalho flexiona fortemente enquanto o lado de conexão e o empilhamento cerâmico permanecem quase imóveis e alinhados. Em seguida, projetaram um circuito de casamento eletrônico composto por bobinas e capacitores para ajustar como a fonte de alimentação “vê” o dispositivo, de modo que mais energia elétrica seja convertida em movimento na lâmina. Com esse ajuste, a ferramenta miniatura alcançou amplitudes de vibração na ponta da lâmina na faixa de cerca de 40 a 60 micrômetros, nível conhecido de trabalhos anteriores como suficiente para cortar osso.

Testando o corte ósseo com baixa força e alto controle

Para avaliar a capacidade de corte do dispositivo, os pesquisadores primeiro o montaram em um equipamento de teste de laboratório e o usaram para serrar seções de costela de porco, que se assemelham bastante ao osso humano. Variando a velocidade com que a lâmina era empurrada no osso e a amplitude de vibração, eles mediram tanto a força de corte lateral quanto a força de penetração vertical. Quando a lâmina vibrava intensamente e avançava lentamente, as forças permaneceram abaixo de um newton, muito inferiores às do corte não ultrassônico, e as leituras elétricas permaneceram estáveis. Em velocidades de avanço maiores, o dispositivo tornou-se mais difícil de controlar, com indícios de que sua vibração se afastava do ritmo ideal. Imagens dos cortes confirmaram que as melhores configurações produziram fendas profundas e limpas, enquanto configurações piores levaram a resultados menos consistentes. Esses testes também mostraram que o calor pode se acumular no corte, ressaltando a necessidade futura de resfriamento, como nos sistemas comerciais.

Levar a ferramenta para um robô cirúrgico

Em seguida, o dispositivo miniatura foi acoplado a um braço robótico Kuka de alta precisão por meio de uma plataforma de posicionamento fino e um sensor de força. Nesse arranjo, o robô guiou a ferramenta por movimentos curtos e repetidos sobre o osso enquanto aumentava lentamente a profundidade, semelhante a como um cirurgião pode estender um corte. Nessas condições, as forças de corte, laterais e verticais permaneceram abaixo de um newton mesmo com a lâmina cortando mais profundamente e movendo-se mais rápido. A liberdade adicional do robô para ajustar a posição ajudou a manter uma folga ligeiramente maior que a própria lâmina, o que reduziu o atrito. A inspeção microscópica dos cortes resultantes mostrou paredes nítidas, lascamentos mínimos e larguras dentro de cerca de seis por cento da espessura da lâmina, indicando excelente precisão. As temperaturas na ponta de corte aumentaram com a velocidade, mas permaneceram gerenciáveis para este teste in vitro.

O que isso pode significar para operações futuras

Este trabalho demonstra que um dispositivo ultrassônico de corte ósseo do tamanho de um polegar pode gerar o movimento e a força necessários para a cirurgia enquanto permanece pequeno o bastante para ser montado em um pulso robótico flexível. Ao combinar uma armação mecânica inteligente, eletrônica ajustada para manter a vibração sintonizada e controle cuidadoso da velocidade e profundidade de corte, os pesquisadores alcançaram cortes limpos e estreitos em osso usando forças muito baixas. Com resfriamento adicional e maior ajuste da forma da lâmina e do controle robótico, ferramentas semelhantes poderiam um dia ajudar cirurgiões a remover osso em áreas congestionadas da coluna ou do crânio através de aberturas mínimas, reduzindo o trauma e melhorando o acesso sem sacrificar a precisão.

Citação: 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

Palavras-chave: cirurgia óssea ultrassônica, cirurgia robótica, minimamente invasiva, dispositivos cirúrgicos, corte de osso