Хирургия без надрезов: роботизированный акустический пинцет
Многие отрасли деятельности человека уже давно активно используют помощь роботов, а именно роботизированных манипуляторов. Высокая точность движений, которые поддаются программированию, позволяют этим робо-рукам манипулировать объектами с высокой точностью. Спектр применения таких роботов также весьма широк, от сборки автомобилей до проведения хирургических операций. Однако, несмотря на ряд очевидных преимуществ, данные манипуляторы не всесильны. Особую сложность они испытывают в бесконтактном неинвазивном манипулировании мелкими объектами, особенно в областях, защищенных тканевыми и костными барьерами. Ученые из Вирджинского политехнического института (США) разработали робота, использующего акустические «невидимые» пинцеты для бесконтактного манипулирования объектами с микрометровой точностью. Что стало фундаментом данной разработки, как именно функционирует робот, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Прецизионные бесконтактные манипуляции с объектами показали большой потенциал для инженерных, биологических и химических исследований, таких как управление микророботами, работа с деликатными биочастицами (например, экзосомами и клетками), транспортировка опасных реагентов, контроль самосборки коллоидных материалов подготовка наноматериалов для композитного производства и т. д. Среди различных методов бесконтактных манипуляций в последнее время особое внимание вызывают акустические системы. В то время как другие методы полагаются на оптические, электрические или магнитные свойства объекта, эффективность акустических пинцетов во многом зависит от сжимаемости объекта и акустического импеданса. Более того, акустические пинцеты обладают множеством привлекательных функций, включая биосовместимость, способность проникать через барьеры (например, биологические ткани, стекло и т. д.), а также возможность манипулировать множеством объектов разных размеров и свойств материалов (например, мягких, твердые, газообразные, жидкие и т. д.).
Постоянно расширяющийся спектр применения акустического манипулирования объектами является результатом достижений в разработке механизмов акустических устройств. Используя стоячие акустические волны, генерируемые одной или двумя парами преобразователей, исследователи могли упорядочивать случайно распределенные объекты в параллельные периодические узоры в виде линий или прямоугольной сетки, разделять объекты разных размеров и контролировать расстояния между клетками.
Для улучшения этих характеристик были разработаны механизмы, основанные на акустических решетках с большим количеством пар преобразователей, чтобы лучше контролировать акустические помехи и упорядочивать частицы в более периодические структуры.
Несмотря на огромный прогресс в механизмах манипулирования акустическими объектами, существующие технологии все еще сталкиваются с рядом серьезных проблем, которые необходимо решить.
Во-первых, ни одна система не может обеспечить бесконтактное манипулирование с 4 степенями свободы (4-DOF) (включая трехмерное перемещение ux, uy и uz и вращение Ωz) одиночными объектами разного размера (например, от микро до миллиметра) с высоким разрешением в большом трехмерном пространстве (например, 10×10 х 10 см). Эта способность необходима для трехмерного позиционирования биологических образцов (например, клеток, сфероидов, эмбрионов и т. д.) и наблюдения за этими образцами с разных углов путем их вращения.
Во-вторых, большинство систем акустических пинцетов испытывают трудности с передачей достаточной акустической энергии через биологические барьеры (например, ткани и кости). Некоторые исследования показали неплохие результаты в этом начинании, но тканевые барьеры были весьма тонкими, а манипулированные частицы находились очень близко к барьерам (до 5 мм).
В-третьих, системы акустического пинцета традиционно используют оптические камеры для наблюдения за процессом манипулирования объектом, ограничивая их использование оптически прозрачными средами. Очень немногие исследования рассматривают объединение ультразвуковой визуализации с акустическим пинцетом, позволяющее акустически манипулировать объектом в непрозрачных средах.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые представили роботизированный пинцет, работающий с использованием акустических вихрей с настраиваемой хиральностью. Результирующая система обладает возможностью бесконтактного манипулирования объектами с 4 степенями свободы в высоком разрешении. При этом система может успешно работать с объектами сквозь биологические барьеры.
Результаты исследования
Изображение №1
Разработанная система (схемы выше) оснащена двумя ключевыми модулями:
- акустическое устройство, которое может генерировать акустические вихри с настраиваемой хиральностью для захвата и вращения отдельных объектов;
- программируемый роботизированный модуль для перемещения и наклона акустического устройства вместе с захваченными объектами в большом трехмерном пространстве.
Изображение №2
В частности, акустическое устройство (2A) использует преимущества коаксиальных кольцевых преобразователей для генерации коаксиальных падающих волн на разных частотах, а также коаксиальную голографическую хиральную акустическую линзу для преобразования коаксиальных падающих волн различной частоты в сфокусированные акустические вихревые пучки различной хиральности и механизм управления устройством на основе частотного мультиплексирования.
Как показано на 2A, коаксиальная голографическая хиральная акустическая линза пространственно разделена на внутреннюю и внешнюю области (с радиусом rc ≤ r < rin и rin ≤ r ≤ rout), которые имеют пространственно изменяющиеся профили толщины hin(x) и hout(x). Внутренние и внешние коаксиальные кольцевые преобразователи (с радиусом rc ≤ r < rin и rin ≤ r ≤ rout) могут генерировать падающие волны z-распространения на угловых частотах ωH и ωL соответственно. Когда коаксиальные падающие волны разной частоты проходят через внутреннюю и внешнюю области линзы, они преобразуются в волны с пространственно изменяющимися фазовыми профилями в результате фазовых сдвигов, индуцированных акустической линзой и зависящих от положения, определяемых выражением:
где klens и kf — волновые числа акустических волн в линзе и в окружающей среде соответственно.
Тщательно спроектировав профиль толщины акустической линзы, ученые могут применить любые желаемые фазовые сдвиги в зависимости от положения к падающим акустическим волнам и дополнительно преобразовать падающие волны в желаемые акустические пучки. Профиль толщины hin (x) внутренней части линзы тщательно спроектирован для преобразования падающей волны с высокой частотой ωH в ограниченный вихревой пучок с топологическим зарядовым числом +Q. С другой стороны, профиль толщины hout (x) внешней части линзы может преобразовать падающую волну при ωL в ограниченный вихревой пучок с топологическим зарядовым числом −Q. Чтобы облегчить разработку акустической линзы, ученые создали аналитическую модель акустического вихревого устройства с настройкой хиральности для быстрого прогнозирования полей акустического давления и напряженности, которые будут генерироваться, а также сил акустического излучения, которые будут применяться к небольшим и большие сферы.
На 2B показан механизм настройки хиральности акустического вихревого пинцета для управления вращением захваченного объекта. Во-первых, когда высокочастотный сигнал AHeitωH используется для возбуждения внутреннего кольцевого преобразователя (верхний ряд на 2B), генерируются волны с частотой ωH, которые затем передаются через внутреннюю часть линзы, образуя сфокусированный вихревой пучок с топологическим зарядовым числом +Q и орбитальным моментом по часовой стрелке. Соответственно, акустический пинцет формируется потенциальной ямой* центра вихря, что обеспечивает захват объекта.
Потенциальная яма* — область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.
Пинцет также может вызывать вращение объекта по часовой стрелке, поскольку акустический угловой момент по часовой стрелке передается объекту.
Во-вторых, когда низкочастотный сигнал ALeitωL используется для возбуждения преобразователя внешнего кольца (средний ряд на 2B), может быть сгенерирован сфокусированный вихревой пучок с топологическим зарядовым числом -Q и орбитальным угловым моментом против часовой стрелки. Соответственно, пинцеты на основе акустических вихрей могут вызывать вращение захваченного объекта против часовой стрелки.
В-третьих, при подаче сигналов возбуждения высокой (ωH) и низкой (ωL) частот на преобразователи внутреннего и внешнего кольца (нижний ряд на 2B), на частотах ωH и L генерируются два коаксиальных вихря с встречной хиральностью. Взаимодействие этих акустических вихрей контрхиральности приводит к созданию двухчастотной акустической потенциальной ямы для захвата объекта. Более того, регулируя соотношение амплитуд AH/AL, общий угловой момент, передаваемый захваченному объекту, можно свести к минимуму, чтобы добиться захвата одного объекта без вращения.
Для экспериментальной реализации вышеупомянутого способа управления двухчастотный сигнал возбуждения, генерируемый одним комплектом оборудования формирования волнового сигнала, с помощью фильтров разлагается на высоко- и низкочастотные составляющие, а затем разложенные высоко- и низкочастотные составляющие направляются на датчики внутреннего и внешнего кольца соответственно. Способ управления также может быть реализован с использованием двух комплектов оборудования формирования сигналов для возбуждения преобразователей внутреннего и внешнего кольца соответственно.
По сравнению с предыдущими устройствами, рассматриваемое акустическое вихревое устройство имеет функции изменения хиральности вихря, переключения числа топологических зарядов, регулировки орбитального углового момента акустической волны и управления вращением (Ωz) захваченного объекта простой регулировкой амплитуд возбуждения на частотах ωH и ωL соответственно.
Более того, по сравнению с механическим роботизированным манипулятором, акустический пинцет позволяет захватывать объект бесконтактным способом. За счет интеграции бесконтактного акустического пинцета с программируемым роботом полученная система позволяет осуществлять трехмерное перемещение (ux, uy и uz) акустически захваченного объекта по сложным трехмерным траекториям.
Поскольку акустические линзы, используемые в данном устройстве, являются взаимозаменяемыми, система может генерировать различные вихревые пучки для удовлетворения различных требований. Например, для манипулирования объектом определенного размера на определенной глубине в жидкости можно легко спроектировать акустическую линзу, а затем изготовить ее с помощью 3D-печати буквально за полчаса. Чтобы продемонстрировать это, ученые разработали и изготовили несколько линз для успешного манипулирования объектами размером от 75 мкм до 5 мм даже в условиях наличия барьеров между акустическими устройствами и объектами.
Для тестирования было создано две системы: акустические пинцеты и роботизированный манипулятор, а также акустические пинцеты и роботизированный линейный подвижный столик. Обе системы обеспечивают программируемое, бесконтактное, многофункциональное манипулирование объектами в жидкости с 4 степенями свободы. В частности, они могут выполнять захват одного объекта, контролируемое вращение захваченного объекта и программируемое перемещение захваченного объекта по сложным трехмерным траекториям. Манипулятор может перемещать объект с высокой точностью (от 20 мкм), оперируя в большом рабочем пространстве (670×970 х 250 мм).
Во время практического тестирования системы были проведены различные эксперименты. Ученые продемонстрировали, что устройство может изменять хиральность акустического вихря и управлять вращением захваченного объекта путем настройки входных амплитуд на низких и высоких частотах. Во время сканирования с использованием игольчатого гидрофона было установлено, что акустический вихревой пучок с топологическим зарядовым числом -3 и орбитальным угловым моментом против часовой стрелки генерируется под низкочастотным (1.04 МГц) возбуждение. Акустическое поле меняется на вихревой пучок с топологическим зарядовым числом +3 и орбитальным моментом по часовой стрелке при смене возбуждения на высокочастотный (3.35 МГц) сигнал. Эта способность настраивать угловой момент акустической волны обеспечивает контроль вращения захваченного объекта.
Изображение №3
Пластиковую сферу диаметром 3 мм устройство вращало по часовой стрелке, затем следовала остановка движения и последующее вращение против часовой стрелки (3A, 3B и видео №1). Система могла работать с объектами разных размеров (3C): пластиковые сферы диаметром 3, 4 и 5 мм можно было удерживать в трехмерном пространстве, увеличив число топологического заряда с 3 до 4, а затем до 5.
Видео №1
Также было показано, что система может менять направление акустического вихревого пучка с помощью роботизированного акустического устройства с манипулятором. Как показано на 3D, постепенно изменяя угол наклона от 0° до 23.5° (т.е. угол между осью вихревого пучка и направлением z), пластиковую сферу диаметром 3 мм все же можно захватить акустическим пинцетом. Если же угол был больше 23.5°, то захват объекта более не был возможен. Выше этого угла сила вертикального акустического излучения, приложенная наклонным вихревым лучом, не могла преодолеть другие силы, такие как плавучесть и гравитация.
Чтобы продемонстрировать возможность бесконтактного и программируемого перемещения отдельных объектов по траекториям произвольной формы в трехмерном пространстве, система была использована для перемещения пластиковой сферы диаметром 3 мм по VT-образной траектории в плоскости x-y (видео №2), по VT-образной траектории в плоскости xz (3E и видео №3) и по спиралевидной траектории (3F и видео №4).
Видео №2Видео №3Видео №4
Далее частицы полистирола размером 75 мкм перемещались системой в плоскости xy по траектории, рисующей буквы «VT» (3G и видео №5). Этот опыт стал подтверждением способности системы перемещать отдельные микрообъекты.
Видео №5
Следующий этап экспериментов был нацелен на оценку способности акустических пинцетов работать с объектами, расположенными за биологическими барьерами.
Изображение №4
Во время опытов генерируемый акустический пучок успешно проходил через кусок свинины толщиной 6 мм и захватывал пластиковую сферу диаметром 3 мм (4A и видео №6).
Видео №6
Луч также успешно проходил через гетерогенные материалы (4D). Акустический пучок проходил через череп обезьяны (толщиной 1.6 мм) и создавал потенциальную яму на основе акустического вихря (4E и 4F) для создания акустического пинцета. На 4B и видео №7 видно, что акустические пинцеты могут быть сформированы в трехмерном пространстве, защищенном биологическим барьером, для захвата и удержания пластикового куба (1 мм).
Видео №7
Также было показано, что система успешно манипулирует объектом внутри Y-образного канала в желатиновом образце толщиной 36 мм, изготовленном для имитации разветвленных кровеносных сосудов в мягких тканях. Как показано на 4G и видео №8, пластиковая сфера (3 мм) может быть успешно переведена из основной ветви в нижнюю, а затем в верхнюю ветвь с помощью бесконтактных акустических пинцетов.
Видео №8
Подавляющее большинство бесконтактных манипуляционных систем, созданных на базе оптических камер, ограничены работой лишь в прозрачных средах, дабы обеспечить постоянный мониторинг положения объекта. Исследуемые акустические пинцеты, сопряженные с ультразвуковыми системами, могут позволить проводить манипулирование объектами внутри непрозрачных сред, при этом обеспечивая постоянный мониторинг положения объекта.
Изображение №5
Акустические пинцеты были объединены с ультразвуковой фазированной решеткой (5A). Полученная система использует датчик с фазированной решеткой из 128 элементов и специальный алгоритм быстрой визуализации для создания ультразвуковых изображений в реальном времени для мониторинга процесса манипулирования объектами с помощью акустического пинцета.
Чтобы продемонстрировать эффективность системы, пластиковую сферу (3 мм), подвешенную в резервуаре с водой, перемещали по сложной траектории для написания букв «MSU». Полученное ультразвуковое изображение (слева на 5B) показывает пятно высокой интенсивности, которое указывает на начальное положение акустически захваченной частицы. Совмещенные ультразвуковые изображения (посередине и справа на 5B) показывают положения частиц в разные моменты времени и траекторию движения частиц, которая обозначается тремя буквами MSU (видео №9).
Видео №9
На 5C показаны последовательные во времени снимки, выбранные из видео, записанного оптической камерой во время процесса манипулирования объектом с помощью акустического пинцета. Сравнивая 5B и 5C, можно увидеть, что траектория частицы, записанная с помощью ультразвуковой визуализации, совпадает с траекторией частицы, записанной оптической камерой.
Данный эксперимент подтверждает, что акустические вихревые пинцеты с поддержкой ультразвуковой визуализации способны генерировать ультразвуковые изображения в реальном времени для мониторинга процесса бесконтактных манипуляций частицами, контролируемого невидимым акустическим пинцетом.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о создании бесконтактного роботизированного манипулятора, способного захватывать и перемещать объекты малых размеров посредством акустических пинцетов.
Любая хирургическая операция, независимо от локализации, является сложным процессом, требующим от хирурга максимального внимания и точности всех его движений. Развитие технологий позволило переквалифицировать многие операции в менее инвазивный, когда для доступа к оперируемому органу или тканям требуется лишь небольшой надрез. Достижения в области робототехники также внесли свой вклад в развитие роботизированной хирургии, когда хирург проводит операцию, управляя специальными роботизированными манипуляторами, оснащенными различными инструментами.
Однако вышеописанные методы все же остаются инвазивными. Авторы рассмотренного нами сегодня труда создали полностью неинвазивный метод перемещения небольших объектов внутри биологических тканей. Другими словами, такой метод нивелирует необходимость даже в самых малых надрезах.
Фундаментом данной разработки стала акустическая энергия, которая была использована для улавливания и манипулирования объектами. Созданная система генерирует трехмерные акустические вихревые поля, которые могут проходить через биологические барьеры (ткани, кости). Поля, пересекая друг друга, образуют крошечные кольцеобразные акустические ловушки. Объекты, попавшие в центр акустической ловушки, можно перемещать и вращать.
Авторы разработки уверены, что их творение станет новым шагом на пути развития роботизированной медицины. В будущем ученые намерены создать акустический излучатель, способный удерживать объекты большого размера, такие как мяч для пинг-понга.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
