Lékařští roboti z tiskárny

Prototyp lékařského robota vyrobený pomocí 3D tiskárny. (Zdroj: Photothèque ICube / A. Morlot) / Prototype lékařského robota vytvořený 3D tiskárnou. (© Photothèque ICube / A. Morlot)

3D-tištěné písty hydraulického pohonu. (Zdroj: Marius Siegfarth) / 3D tištěné písty pro hydraulický pohon. (© Fraunhofer IPA / Marius Siegfarth)

Pro budoucí onkologickou terapii vyvíjejí pět mezinárodních výzkumných týmů robota. Přestože se skládá z desítek komponent, kloubů a aktuátorů s různými vlastnostmi materiálů, lze jej vyrobit jediným krokem pomocí 3D tiskárny.

Stačí stisknout tlačítko a zbytek zařídí 3D tiskárna sama. Podobně jako u inkoustové tiskárny je kapalina stříkána na povrch. Místo různých barev však PolyJet tiskárna používá plast: trysky mohou jednotlivě nebo smíšeně přesně nanášet dvě různé polymerové roztoky. UV světlo vytvrzuje plasty před nanesením další vrstvy. Takto vzniká vrstva po vrstvě medicínský robot. Když bude vývoj dokončen, má robot pomáhat lékařům při odběru tkáňových vzorků a při termické léčbě nádorů.

„Umístění jehly nebo sondy při takovém minimálně invazivním zákroku je obzvlášť obtížný úkol, protože lékař se nejlépe orientuje pomocí počítačové tomografie nebo MRI snímků – a to znamená, že musí pracovat, zatímco pacient leží v úzké trubici. Tady je téměř žádná volnost pohybu,“ vysvětluje Marius Siegfarth z projektové skupiny pro automatizaci v medicíně a biotechnologii (PAMB) Fraunhofer IPA na Lékařské fakultě Mannheim na Univerzitě v Heidelbergu.

Robot, který jeho tým vyvíjí spolu se čtyřmi dalšími výzkumnými skupinami z Německa, Francie a Švýcarska v projektu SPIRITS, je tak malý a lehký, že jej lze zasunout spolu s pacientem do trubice. Ovládat jej lze hydraulikou zvenčí – lékař tak může sedět několik metrů daleko, dokonce v jiné místnosti, kde je chráněn před zářením při CT snímání. Zkratka SPIRITS znamená „Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery“.

„Výzvou projektu bylo navrhnout takový design, který lze vyrobit jediným krokem pomocí PolyJet tiskárny, přitom však obsahuje plně funkční komponenty – například otočné klouby s hydraulickými aktuátory a pohonem pro posun jehly. Všechny tyto součásti mají odlišné vlastnosti materiálů,“ vysvětluje Siegfarth.

Na Institut national des sciences appliquées de Strasbourg, INSA, kde je projekt SPIRITS koordinován, již PolyJet tiskne první prototypy. Ty mají páky spojené klouby. S jejich pomocí lze jehlu otáčet kolem vstřelovacího bodu ve všech směrech. Pohon zajišťuje hydraulický systém, vývoj výzkumníků z PAMB: malé trubičky o průměru pouhých 4 milimetry, těsnění a písty. Zvláštností je, že písty byly navrženy tak, aby je možné pomocí 3D technologie vyrobit tak, že hydraulický tlak působí na těsnění a zesiluje jeho účinek.

První testy ukazují, že hydraulický pohon z 3D tiskárny funguje. V následujících měsících budou do prototypu integrovány další komponenty: například inteligentní jehla s senzorem síly, což je vývoj École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL. Posunovací mechanismus jehly vyvinuli výzkumníci z INSA. Přidává se také „haptická zpětná vazba“. Ta přeměňuje naměřené hodnoty senzoru síly na odpor, který lékař cítí při vedení jehly skrze měkčí nebo tvrdší tkáň. Tato zpětná vazba byla vyvinuta výzkumníky z Hochschule Furtwangen. A na Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW vznikají nyní tisknutelné, nemagnetické kovové komponenty pro další generaci prototypů.

První plně vytisknutý medicínský robot by měl být ještě v roce 2019 testován na dummies.

Celkový rozpočet projektu SPIRITS činí 1,67 milionu eur, přičemž je spolufinancován programem INTERREG V Oberrhein částkou 436 201 eur z Evropského fondu pro regionální rozvoj (EFRE). V rámci iniciativy „Offensive Sciences“, která financuje přeshraniční špičkové výzkumné projekty, je projekt dále podporován regionálními a kantonálními partnery. Projekt tak spolufinancují Velkoplošná oblast Východ, spolková země Bádensko-Württembersko, spolková země Porýní-Falc, Švýcarská konfederace, kanton Aargau, kanton Basel-Stadt a kanton Basel-Landschaft.