机器人与癌症:外科手术机器人

子轸 2019年11月7日10:46:54 评论

机器人与癌症:外科手术机器人

里卡多Adbala博士列车在巴西圣保罗达芬奇外科手术机器人SiHD,在2014年

对于乔·拜登(Joe Biden)来说,时钟已经过去了。副总统大约还有两个月的时间来继续领导“癌症月球计划”,该计划旨在显着加快癌症检测和治疗的进展速度。这是拜登的个人任务,拜登的儿子博在2015年因脑癌去世。

副总裁在10月份关于该计划的报告中写道:“我们可以接触到世界上最好的护士,医师和研究人员。” “我们与他们在一起的时间越多,我们就越了解,即使我们无法挽救儿子,科学,医学和技术的进步也比以往更快,可以挽救无数其他儿子和女儿。”

机器人与癌症:外科手术机器人

副总统乔·拜登(Joe Biden)于2015年观看仪仗队随身携带其儿子博·拜登(Beau Biden)的棺材

不能保证拜登的登月计划(在今年1月的国情咨文上宣布)将在过渡到特朗普总统任职期间完好无损。白宫的倡议是行政部门乐意存在的,不需要国会批准就可以开始或结束。但是,即使主动权遭到破坏,它的形成也证明了更大范围斗争的转变。

癌症已成为创新的重中之重,并且各个领域的研究人员都提出了寻找,遏制和销毁癌症的新颖方法。在短期内,准备产生最大影响的研发涉及更强大的数据分析和新药治疗。但是在未来的几十年中,将需要使用机器人来引导他们通过患者的身体,将诊断数据传递给医生,并在肿瘤内部传递精确引导的药物有效载荷。

令人惊讶的是,癌症治疗的最新历史充满了机器人。2000年,FDA清除了达芬奇外科手术系统,这是一种笨拙的多臂机器人,由人类远程操作以用于一般的腹腔镜手术,在此期间,仪器和照相机会通过小切口进入人体。腹腔镜手术早在达芬奇之前就已存在,但该机器有望提高使用它的人的精确度,并减少长达数小时的手术中出现疲劳的机会。外科医生坐在控制台上,凝视着3D视频,并用操纵杆操纵机器人工具,而不用弯腰握住能穿透人体的长器械来弯腰。

并发症少和住院时间短(因为该程序涉及这样的小切口)取得达芬奇系统的医疗精英中广受欢迎的承诺。现在在美国的每个州都可以找到它们,包括在明尼苏达州梅奥诊所和纽约市纪念斯隆·凯特琳癌症中心的美国主要癌症中心。每年使用达芬奇进行的200,000多次微创手术中,大多数与癌症有关。

这些机器在全球范围内已售出3000余台,一直处于癌症手术的最前沿。但是随着机器人的发展,它们的年龄正在展现。达·芬奇没有自治权,只有与控制他们的人一样熟练。他们还需要多个人的帮助,从那些更换机器人手臂上的器械的人到负责在外科医生工作时将组织和整个器官移开的人们。它们也是巨大,昂贵的设备,占用了手术室中的宝贵房地产,它们的价格高达200万美元,尽管全球需求强劲,但自引入以来的16年中,这个数字才有所上升。

在许多方面,抗癌机器人的未来与达芬奇截然相反,它的系统更小,更独立,更独立,不再像先进的外科手术工具那样,更像是机器人的身体版本,从1966年的科幻电影《神奇之旅》中探索微型船只。

田纳西州范德比尔特大学STORM实验室的研究人员正在开发胶囊机器人,该机器人可以导航患者的胃肠道,收集诊断数据并提取组织。当今的医疗胶囊是您可以吞咽的传感器,并且没有板载电机来改变相机的方向。STORM实验室的研究人员希望对这些设备进行机械化,增加数字智能和执行器来控制那些微型摄像机,以及可以改变胶囊通过人体通道甚至从特定区域进行活检的组件。这些胶囊的功能就像微型无人潜水艇一样,也可以从排气口排出气体,使肠腔扩张,以便更好地观察给定的器官壁。

该团队最初的重点-改善对结直肠癌的检测-恰好是拜登的“登月计划”的明确目标之一。但是,抗癌机器人的大趋势正在从不仅仅是小的领域发展到微观领域。

在过去的一年中,全球三个独立的研究人员小组提出了与使用细菌为肿瘤提供药物治疗有关的工作。尽管今年的实验中没有一个使用实际的机器人,但研究人员发现使用天然存在的微生物与即将出现的微型和纳米机器人之间有着直接的联系。蒙特利尔理工大学纳米机器人实验室主任西尔万·马特尔(Sylvaine Martel)表示,他的三所大学研究团队选择了可以作为机器人生物替代品的细菌。他们选择的细菌不仅会吸引低氧区域(例如肿瘤部位,因为癌细胞在繁殖时会消耗氧气),而且还具有一种内部罗盘,并且会被磁场吸引。

“我们像工程师一样看待它,” Martel说。“这东西具有我们将来要安装的纳米机器人的所有组件。”其中包括他所描述的“旋转马达”,起着微型螺旋桨的作用。“它们速度非常快,每秒移动的速度是其身体长度的200倍,” Martel说。“非常高效的机器。”

机器人与癌症:外科手术机器人

蒙特利尔理工大学纳米机器人实验室正在推出一种专门用于抗癌的医学介入基础设施。

在小鼠实验中,这些细菌借助磁铁被引导至肿瘤的整个区域,然后根据低氧水平自动将其靶标归零-由于癌细胞在繁殖时会消耗氧气,因此氧气的减少就是讲述他们的存在的迹象。在一个大小为1.5微米,将细菌释放的化学有效载荷之前足够小纸条进入肿瘤的血管两侧孔,旅游肿瘤的心脏。

该尺寸对于任何细菌或模仿细菌的递送系统的任务至关重要。对于科幻小说中有关纳米机器人的所有讨论,构造电机和其他机器人部件(仅占人类头发的几分之一(大约80微米))仍然遥不可及。而且,如果人体导航机器人无法在癌组织内释放药物,那么它就比传统化学疗法要好得多,传统化学疗法会向人体注入强大的化学物质,希望能够击中重要目标,并在此过程中经常给患者造成严重破坏。如果化学疗法是轰炸地毯,那么纳米机器人疗法就是激光制导的弹药。

猎人纳米机器人的想法很奇怪,但马特尔认为,医生最终可以制造出能够将细菌与人工成分融合在一起的抗癌分子,或者说相当于微生物的半机械人。细菌可能需要自然界中找不到的特殊传感器,或额外的推进和保护功能,Martel称之为潜艇般的外壳,以帮助它们导航动脉中强大的血流。另一种选择是在基因水平上对细菌进行编程,通过引入或调节基因来改变生物体的组成和行为。

机器人与癌症:外科手术机器人

014年,“达芬奇·西”外科手术机器人的外科手术工具在法国维勒瑞夫市欧洲领先的癌症治疗中心古斯塔夫·鲁西研究所的演示中操纵模型。

麻省理工学院的研究人员在今年早些时候展示了这种方法,将无害的大肠杆菌转化为针对肿瘤的自主三重威胁。研究小组在将细菌注射到小鼠体内之前,向细菌添加了三个人工遗传电路。这些回路是由基因或蛋白质组成的生物成分,它们在给定的有机体中不会自然发生,并且可以改变它们的运作方式。引入大肠杆菌的电路帮助他们创建,将导致肿瘤的细胞分解和自我毁灭,以及信令人体的免疫系统,加入了攻击的化学品。

尽管麻省理工学院的实验仅限于转基因细菌,但研究人员正在探索当今被入侵的细菌与未来潜在的纳米机器人之间的重叠,以及将机器人方法应用于药物输送的潜力。例如,群体工程传统上一直专注于针对特定目的进行协作的机器人的开发。英国布里斯托大学的机器人专家和蜂群工程师Sabine Hauert将她实验室的一半专门用于实际的蜂群机器人(1,000枚硬币大小的机器),另一半用于纳米医学。后者包括用作目标药物疗法的各种纳米级载体。

Hauert说:“就如何设计这些系统而言,我尝试使用群体机器人技术。” “我们想了解如何设计粒子,以便当它们处于复杂的肿瘤环境中时,它们能够以您希望的方式共同发挥作用。”

指数小于细菌的纳米粒子没有电机或运动部件。但是它们可以涂上特定的颗粒以引导它们原本是被动的行进,并且可以模仿某些细菌中的虫群传播。麻省理工学院的研究人员利用修饰后的大肠杆菌利用群体感应,即某些细菌能够根据它们产生的特定分子来检测附近其他细菌的存在。一旦检测到临界质量,大肠杆菌就立即释放它们的化学物质。

这种协同释放是Hauert希望应用于纳米粒子的蜂拥行为之一,从而使它们可以精确地确定何时以及如何整体攻击肿瘤。Hauert尚未开发出真正的群体纳米粒子-“这些还处于初期,”但她的实验室正在研究肿瘤组织中粒子的分布,并运行计算机模拟更高级粒子中潜在的群体行为。

无论这些攻击癌症的微生物经过基因改造,生物仿生增强,还是对未来机器人和微粒的启发,这些研究工作之间的界线将继续模糊。截至目前,尚没有时间表可以在癌症患者中部署机器人胶囊或仿生纳米机器人。癌症相关技术的近期发展,包括拜登的癌症月球计划中正在进行的许多工作,主要与更好地利用和共享医学数据以及改善对现有治疗的获取有关。但是新的策略和战略即将到来,药物输送细菌的使用似乎正在兴起,目前正在进行多项临床试验。一旦清除了这些机器人的使用权,机器人,机器人和其他小型战斗机就将紧随其后。

子轸

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