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嘉峪檢測網 2025-04-16 18:20
即使是訓練最為有素的眼科手術醫(yī)生對視網膜 —— 人體中最小、最脆弱的部位之一 —— 進行手術時，風險也極高。眼科手術醫(yī)生在處理這層厚度不足一毫米的細胞時，必須要考慮到患者的呼吸、打鼾、眼球運動，以及他們自己不自覺的手部震顫。
這就是為什么猶他大學約翰?A?莫蘭眼科中心和約翰與瑪西婭?普萊斯工程學院的研究人員合作研發(fā)了一種新型的機器人手術設備，旨在賦予眼科手術醫(yī)生 “超人般” 的雙手。
一位戴著醫(yī)用口罩和頭盔的志愿者展示了一款眼科手術機器人。由于該設備尚未獲批用于人體手術，測試時需要一名志愿者戴上特殊的護目鏡，這樣就能在他們的真眼前方安裝一只動物眼睛。
這款機器人極其精準，能夠做出小至一微米的動作，比單個的人體細胞還要小。而且這款機器人足夠小巧，可以通過頭盔直接安裝在患者的頭部。一旦安裝就位，患者頭部的細微（有時也并不細微）運動都能得到補償，從機器人的角度來看，眼球就會保持相當的靜止狀態(tài)。機器人還會將眼科手術醫(yī)生的動作縮小，眼科手術醫(yī)生的動作是通過一種名為觸覺接口的手持機器人設備來測量的，這樣就能適應眼睛內小得多的手術部位，同時也能補償手部震顫。
雖然該設備仍處于測試階段，但它旨在改善患者的治療效果，并支持包括為遺傳性視網膜疾病進行基因治療在內的前沿手術。
研究人員使用摘除的豬眼成功地對這款機器人進行了測試，并將研究結果發(fā)表在《科學?機器人學》雜志上。這項研究由普萊斯工程學院機械工程系教授杰克?阿博特以及莫蘭眼科中心的視網膜專家保羅?S?伯恩斯坦博士共同牽頭。共同作者包括阿博特實驗室成員尼古拉斯?波塞利博士和扎卡里?奧爾森、莫蘭眼科中心的視網膜專家艾琳?黃博士，以及南加州大學凱克醫(yī)學院的亞倫?納吉爾博士。
視網膜上分布著對光敏感的視桿細胞和視錐細胞，它們是視覺形成的基礎。幾種遺傳性疾病會導致這些細胞無法正常形成，進而引發(fā)不同程度的視力障礙，但新的基因治療技術有望扭轉這些狀況。
阿博特教授表示：“視力障礙的治療方法正在迅速發(fā)展。我們需要讓眼科手術醫(yī)生具備更強的能力來跟上這些發(fā)展。”
例如，FDA批準的首個用于治療遺傳性視網膜疾病的基因療法，就需要將藥物注射到視網膜和另一層被稱為視網膜色素上皮的細胞之間的間隙中。除了眼球運動和手部震顫帶來的復雜情況外，這個視網膜下的目標區(qū)域小得幾乎看不見；眼科手術醫(yī)生必須將藥物注射到兩層不到一毫米厚的細胞層之間。
由于該設備尚未獲批用于人體手術，測試時需要一名志愿者戴上特殊的護目鏡，這樣就能在他們的真眼前方安裝一只動物眼睛。這使得研究人員能夠在對動物組織進行手術操作的同時，測試機器人補償頭部運動和糾正手部震顫的能力，且不會給志愿者帶來任何風險。
實驗表明，使用這款手術機器人設備的成功率比一些研究中記錄的手動操作成功率更高。
艾琳?黃博士說：“這款機器人的獨特之處在于頭戴式設計，這或許能讓患者在靜脈注射鎮(zhèn)靜劑的情況下接受視網膜下注射，而無需全身麻醉。靜脈注射鎮(zhèn)靜劑能讓患者恢復得更快，對一些患者來說也更安全。與手動注射相比，機器人或許還能更精確地輸送基因治療藥物，從而實現更具可重復性、更安全的治療。”
隨著這款機器人從實驗室走向手術室，它的發(fā)展歷程將因促成其誕生的那種跨學科合作而得到有力推動。
伯恩斯坦說：“猶他大學的這些跨學科合作非常棒。當我有了想法，工程師、化學家、物理學家們就在幾個街區(qū)之外（隨時可以交流合作）。”
以下分享該研究的主要內容：
引言
許多眼科領域新興的治療方案對眼科手術醫(yī)生來說實施起來頗具挑戰(zhàn)，因為這些操作已接近或超出了人類運動和感知能力的極限。例如，FDA 和 EMA 批準的用于治療因 RPE65 基因突變導致的遺傳性視網膜疾病患者的基因療法 “Luxturna”，其預期的給藥方式是通過經玻璃體視網膜下注射。在經玻璃體視網膜下注射過程中，眼科手術醫(yī)生先進行玻璃體切除術，通過睫狀體平坦部將注射套管插入眼內，輕輕使套管與視網膜表面接觸，然后嘗試將預先設定體積的治療藥物注入光感受器與視網膜色素上皮（RPE）之間的視網膜下間隙。注入的液體使視網膜局部與視網膜色素上皮分離；注入視網膜下液體后分離的視網膜被稱為液泡。要正確放置套管以避免視網膜損傷，并實現注射劑量（即注入藥物的體積）的可重復性是很有難度的。視網膜大約厚 300 微米，據報道，眼科手術醫(yī)生手部震顫的峰峰值幅度和均方根幅度分別為 108 微米和 156 微米。此外，在手動靜態(tài)定位過程中觀察到了大約 250 微米的微小抖動。
視網膜下注射可能會因眼球的運動而變得復雜。患者會接受神經阻滯以使其眼球在眼眶內麻痹，但這并不能減少眼眶本身的運動。清醒鎮(zhèn)靜常用于眼科手術，它能讓患者平靜且昏昏欲睡，但仍能自主呼吸并對周圍環(huán)境做出反應。在這種狀態(tài)下，頭部運動，進而導致眼眶運動，是由呼吸、說話、吞咽、打鼾 [影響 16% 的患者] 以及患者的其他自主和非自主運動引起的。由于患者頭部運動導致的手術器械與視網膜之間的相對位移幅度可達幾毫米，遠遠超過了由手部震顫引起的位移幅度。眼科手術醫(yī)生必須盡最大能力補償這種運動，以避免出現并發(fā)癥，但突然的運動可能難以預測。目前，接受基因治療的患者通常會接受全身麻醉。全身麻醉可減少患者的運動，但也有其自身相關的風險。由于存在這些風險，對于其他類型的視網膜手術，通常更傾向于選擇清醒鎮(zhèn)靜。
在注射過程中，注射套管相對于視網膜的運動，無論是由于眼科手術醫(yī)生手部的意外運動還是患者頭部的運動，都可能導致視網膜損傷，如視網膜撕裂，或者使注入治療藥物的視網膜切開部位擴大，這可能會增加藥物回流到玻璃體腔的情況。治療藥物的回流會導致炎癥，以及實際注入視網膜下間隙的藥物體積與預期體積之間出現差異。許等人進行的一項研究表明，注入視網膜下間隙的液體體積平均僅為目標體積的 39.6%，而且眼科手術醫(yī)生總是低估了藥物的泄漏量。
通過顯微鏡觀察視網膜時，深度感知能力有限，這使得很難確定套管何時處于能使視網膜下形成液泡的理想深度。套管對視網膜的壓痕不足或刺入深度不夠，可能導致藥物注入玻璃體腔、視網膜內積液或視網膜劈裂，而壓痕過大則可能導致出血、視網膜色素上皮受損，或者藥物注入視網膜色素上皮下間隙。鑒于估計套管深度存在困難，一種形成液泡的臨床方法是在套管接觸視網膜之前就開始注射藥物。然后眼科手術醫(yī)生將套管向視網膜靠近，直到他們從視覺上觀察到液泡開始形成。然而，這會導致治療藥物浪費到玻璃體腔中，并帶來上述相關問題。術中光學相干斷層掃描（OCT）可在顯微鏡的正視圖旁提供視網膜的橫截面圖像，以便眼科手術醫(yī)生估計套管的插入深度。然而，眼科手術醫(yī)生仍然很難綜合來自 OCT 和顯微鏡的視覺信息，而且他們必須在同時保持套管相對于運動眼球的穩(wěn)定的情況下做到這一點。
最近的研究表明，降低由注射壓力決定的注射藥物的流速可能更安全，并能使形成的液泡體積更一致。為了評估流速對視網膜色素上皮及周圍組織的影響，斯克魯格斯等人將流速 “快” 的 1.8 毫升 / 分鐘和流速 “慢” 的 0.18 毫升 / 分鐘與未進行注射的眼球進行了對比，發(fā)現 1.8 毫升 / 分鐘的情況與未注射的情況之間在視網膜色素上皮基因表達上存在顯著差異，但他們發(fā)現 0.18 毫升 / 分鐘的情況與未注射的情況之間沒有顯著差異。高橋等人評估了注射壓力對猴子視網膜損傷的影響，發(fā)現視網膜損傷隨著注射壓力的增加而加重；他們得出結論，視網膜下注射壓力應盡可能低，以將損傷降至最低。斯克魯格斯等人進行了一項人體研究，患者接受了基因治療，研究發(fā)現低注射壓力與較長的注射持續(xù)時間相關，并且存在啟動和擴展液泡必須超過的最低壓力。拉達等人發(fā)現，在液泡形成后取出套管時，會有藥物從視網膜切開處回流；他們指出，回流是由于液泡內的張力引起的，并且通過延長套管在視網膜下間隙的放置時間可以減少這種回流。有人建議，將套管在視網膜下間隙的位置保持長達 15 至 20 分鐘甚至可能是理想的做法。
人們已經提出了多種機器人系統來改進視網膜手術，包括視網膜下注射。本研究者重點關注經玻璃體途徑的視網膜下注射，這是最常用的方法，盡管其他途徑也是可行的。機器人輔助可能使眼科手術醫(yī)生能夠將套管長時間保持在視網膜下間隙的位置，這將使得能夠以較低的流速進行注射。機器人輔助還可以減少眼科手術醫(yī)生為保持套管位置所需的注意力，這樣他們就可以在顯微鏡的正視圖和 OCT 橫截面圖像之間切換注意力，從而更好地估計套管的深度。在實現更具可重復性的視網膜下注射方面已經取得了一些有價值的成果，包括估計注射套管插入深度的方法以及將套管自動放置在視網膜所需深度的方法。
然而，任何機器人系統都必須應對上述眼球的運動。一些研究小組已經報道了在靜止的離體眼球或靜止的人工眼球上進行機器人輔助視網膜下注射的結果。其中一些小組取得了較高的成功率，但尚不清楚如果考慮頭部運動的因素，他們能達到怎樣的成功率。只有使用 PRECEYES 手術系統進行的體內研究捕捉到了患者在視網膜下注射過程中運動的影響，該研究比較了視網膜切開的次數、注入液體的體積、液體輸送的持續(xù)時間、手術的總時長、微創(chuàng)傷事件的數量（即意外的視網膜接觸和視網膜微出血）以及機器人輔助方法和手動方法之間的術后視力。盡管他們的結果令人鼓舞，但他們表示沒有觀察到機器人輔助相對于手動操作結果的優(yōu)越性。此外，他們描述了在一名患者身上由于頭部漂移而難以啟動視網膜下注射的情況。
人們已經提出了多種方法來被動地減少手術器械與視網膜之間不必要的相對運動，目的是實現機器人輔助所承諾的超越人類的精度。目前機器人輔助視網膜手術的標準做法是將患者的頭部固定在擔架枕頭上，這對于減少頭部的大幅漂移是有效的，但在減少呼吸周期內的運動方面效果并不特別明顯。在以往的研究中發(fā)現，即使頭部被固定，在輕柔呼吸時，眼眶相對于固定框架在呼吸周期內的位移估計約為 2 毫米，在類似打鼾的運動時為 5 毫米。除了簡單地將患者的頭部固定在擔架枕頭上之外，主要有三種方法：固定患者的頭部、固定患者的眼球，或者將手術機器人安裝在患者的頭部。試圖以非侵入性方式固定（患者頭部的表面），由于顱骨周圍軟組織的順應性，患者身體的運動仍可能轉化為眼球、眼眶和視網膜的運動。試圖以非侵入性方式固定（患者眼球的前部），由于眼球軟組織的順應性，仍可能導致視網膜運動。通過上頜以非侵入性方式將手術機器人牢固地安裝在顱骨上，似乎不太實際，除非手術機器人能夠做得非常輕。出于這些原因，我們選擇通過定制貼合患者頭部輪廓的面罩或頭盔式裝置將手術機器人安裝在頭部。假設這樣做的好處是，由于不試圖固定患者的頭部或眼球，導致軟組織變形的力往往會保持較小。我們最近測量發(fā)現，與使用頭部固定帶的枕頭支撐相比，呼吸周期內的相對運動減少了一個數量級，同時還消除了大幅的相對運動；值得注意的是，該裝置并不能減少頭部本身的運動。盡管相對運動的減少證明了頭戴式裝置概念在提高手術性能方面的潛力，但在我們之前的研究中中使用的機器人不是主動式的，也沒有用于執(zhí)行任何實際的手術任務。
在這項研究中，使用了我們以前的研究中提出的兩種頭戴式設計概念之一來證明，即使存在頭部運動，頭戴式高精度手術機器人也是一種可行的技術，它能夠使用緩慢的注射流速持續(xù)啟動視網膜下注射并擴展所形成的液泡。我們對以往研究中的手術機器人進行了改進，它是迄今為止開發(fā)的最小、最輕且最精確的視網膜手術機器人之一；硬件方面的改進使得能夠使用臨床套管，并改善了經玻璃體途徑的運動學條件，軟件方面的改進實現了虛擬夾具，以便在遠程操作過程中為用戶提供幫助，并能夠驅動臨床套管。我們還對護目鏡進行了改進，使其能夠將摘除的眼球直接安裝在健康人類志愿者的眼睛前方，這產生了一種新型的離體與原位相結合的混合研究方式，通過這種方式，能夠在對動物組織進行手術操作的同時，捕捉活人頭部的運動和軟組織效應，這對于評估該頭戴式裝置至關重要。
結果
離體與原位混合研究的實驗裝置
圖 1 展示了本研究的實驗裝置。使用了（40）中描述頭戴式裝置，該裝置是對一種商用放射治療固定系統的改良，用于以非侵入性的方式將改良版機器人安裝到志愿者的頭部。頭戴式裝置用于減少機器人與頭部之間的相對運動。這個重量輕（0.8 千克）的機器人采用壓電粘滑致動器，其器械定位精度優(yōu)于 1 微米。對機器人的硬件進行了改良，以便能夠安裝和驅動可伸縮的視網膜下注射套管。使用版眼球安裝護目鏡，將一只離體的 “開放式” 豬眼（即去除了前部；眼球制備的詳細信息見 “材料與方法” 部分）安裝到志愿者的頭部。由于安裝的眼球的眼眶會隨著志愿者的眼眶一起運動，所以這種護目鏡能夠模擬患者的頭部運動。眼球安裝護目鏡還允許安裝的眼球因手術器械對鞏膜套針套管施加的力和力矩而轉動，其轉動剛度與麻醉患者眼球的轉動剛度相匹配。使用 “幻影全能型” 觸覺設備（圖中未顯示）對機器人進行遠程操作，使視網膜下注射套管的尖端與視網膜接觸，并用一個定制的注射泵以恒定的流速將生理鹽水注入視網膜下間隙。使用壓力傳感器記錄注射泵出口處的注射壓力。一臺海德堡譜域光學相干斷層掃描（Spectralis OCT）系統通過紅外（IR）反射成像提供視網膜的正面視圖，并通過光學相干斷層掃描提供視網膜的橫截面視圖，這使我們能夠在開始注射前確認套管的位置，確認液體被注入到了視網膜下間隙，并觀察液泡的大小。
圖 1. 視網膜下注射實驗裝置。在離體眼球上進行視網膜下注射，所使用的遠程操控機器人被安裝在一名仰臥于眼科手術擔架上的志愿者頭部。頭戴式裝置被動地減少了機器人與志愿者頭部之間的相對運動。用于固定離體豬眼的眼部安裝護目鏡，將豬眼的運動與志愿者眼眶的運動聯系起來，這樣就能在不危及志愿者眼睛的情況下，將頭部和眼球的運動納入考慮因素。光學相干斷層掃描（OCT）成像技術被用于觀察注射套管相對于視網膜的位置。為使畫面清晰，注射泵所放置的桌子以及圖中的其他背景元素已被移除。
圖 2. 為實現視網膜下注射對機器人所做的改進。（A）（47）中描述的原始機器人。（B）45 度角的部件，用于改善經玻璃體途徑的運動學條件。（C）用于可伸縮套管滑塊的磁性連接件，以及嵌入了磁鐵的磁性器械夾持器夾片部件。（D）磁性器械夾持器的部件，通過旋入嵌入磁鐵的夾片將器械固定到位。（E）用于磁性固定視網膜下注射套管的 3D 打印部件。齒輪齒條機構使機器人的旋轉致動器能夠驅動可伸縮套管滑塊。（F）完全組裝好的改進版機器人。
圖 3. 改良后的眼部安裝護目鏡。一個嵌入了套針套管的人工前鞏膜被安裝到了眼部安裝護目鏡的杯狀部件上。這一改良使得我們實驗中所使用的 “開放式” 眼球能夠因器械施加在套針套管上的力和力矩而轉動。
圖 4. 視網膜下注射過程中拍攝的紅外反射（左）和光學相干斷層掃描（OCT，右）圖像。（A）在即將啟動注射泵之前，套管完全壓入視網膜。（B）在紅外反射成像和光學相干斷層掃描成像下，可以看到液泡開始形成并擴張。光學相干斷層掃描的穿透深度不足以捕捉到完全形成的液泡的完整高度。由于鏡面反射偽像，光學相干斷層掃描圖像中液泡的輪廓看起來是上下顛倒的。請注意，紅外反射圖像中的亮區(qū)僅僅是反射光。
討論
我們的研究結果表明，即使患者在接受眼科手術時會出現常見的自然運動，將質量輕、精度高的遠程操控手術機器人頭戴式佩戴，仍能夠使視網膜下形成液泡的成功率達到較高水平。我們將自己的研究結果與文獻中報道的眼科手術醫(yī)生在靜止眼球上形成液泡的結果進行了比較。鑒于在運動眼球上進行手動注射顯然比在靜止眼球上進行手動注射更困難，我們預計眼科手術醫(yī)生在處理運動的離體眼球時（文獻中尚無此類結果）得到的結果會更差。然而，目前人們對這種難度差異的理解還很有限。在手動手術過程中，眼科手術醫(yī)生常常會將手直接放在患者頭部，這有助于減少手部震顫，并使手部運動與患者頭部
運動相耦合，這與頭戴式佩戴機器人實現的耦合效果類似；這表明，體內手動注射和體外手動注射之間的差異可能并不像人們想象的那么大。
在以前的研究中介紹了一種臨床工作流程，描述了如何通過覆蓋在患者身上的無菌單，將機器人與頭戴式裝置進行磁性連接。像我們所使用的這種小型機器人是有可能通過氣體或高壓滅菌器進行消毒的；我們機器人的致動器制造商（德國斯瑪特公司，SmarAct GmbH）就生產可高壓滅菌的版本。此外，磁性套管連接件能夠在安裝套管之前，先將無菌單覆蓋在機器人上。我們?yōu)樯逃锰坠苤谱髁艘粋€定制的售后磁性連接部件，但未來，此類部件或許可以直接集成到商用設備中。
需要注意的是，不同研究小組在進行視網膜下注射實驗時，組織制備方法存在差異。例如，有些小組使用的是眼壓受到調控的完整眼球。我們實驗中所使用的 “開放式” 眼球的視網膜所受壓力會更低，這可能會降低形成液泡所需的注射壓力。然而，目前尚不清楚這是否會使成功形成液泡變得更容易，特別是考慮到我們的系統能夠輕松進行輕微的垂直調整，以確保套管與視網膜之間實現良好的密封。
不同研究小組的手術技術也存在差異。有些小組描述了穿透視網膜的操作，并且各小組所使用的套管，有的是金屬材質的，有的是聚合物尖端的，而且套管尖端可能是有斜面的，也可能是無斜面的。我們使用的是尖端為無斜面聚合物的套管，對視網膜進行壓痕處理，而不是穿透。這些選擇或許對我們獲得較高的成功率有所幫助。值得一提的是，在之前所有關于機器人輔助視網膜下注射的研究中，套管和手術技術的影響與機器人系統的影響相互交織在一起。
目前視網膜下注射術中成像的先進解決方案是術中光學相干斷層掃描（OCT），它用 OCT 圖像來補充立體手術顯微鏡圖像。然而，我們沒有可用于動物組織的此類系統。我們使用僅提供單眼正面視圖的 OCT 系統就能夠實現較高的成功率，這或許進一步證明了頭戴式佩戴方式的優(yōu)勢。
如果有需要，將頭戴式佩戴方式與其他補償方法結合使用，比如將眼球相對于機器人固定，或者采用主動反饋控制，很可能會進一步減少套管與視網膜之間的相對運動；由于頭戴式佩戴方式可大幅減少機器人與頭部之間的相對運動，因此結合使用頭戴式佩戴方式與其他方法，會使補償剩余的相對運動變得更加容易。對于那些因神經阻滯不完全導致眼球仍有殘余運動的情況，這些其他方法可能也是必要的。
來源：青白視角
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