Orvosi robotok a nyomtatóból

A 3D nyomtatóból készült orvosi robot prototípusa. (Forrás: Photothèque ICube / A. Morlot) / A 3D nyomtató által létrehozott orvosi robot prototípusa. (© Photothèque ICube / A. Morlot)

3D nyomtatott dugattyúk a hidraulikus hajtóműhöz. (Forrás: Marius Siegfarth) / 3D nyomtatott dugattyúk a hidraulikus hajtómű mechanizmusához. (© Fraunhofer IPA / Marius Siegfarth)

A jövő tumorterápiájához öt nemzetközi kutatócsoport fejleszt egy robotot. Bár ez több tucat alkatrészből, ízületből és aktorból áll, különböző anyagtulajdonságokkal, egyetlen folyamatlépésben 3D nyomtatóval készíthető el.

Csak egy gombnyomás szükséges, a többit a 3D nyomtató automatikusan elvégzi. Hasonlóan egy tintasugaras nyomtatóhoz, folyadékot fújnak egy felületre. A PolyJet-nyomtató azonban műanyagot használ: a fúvókák két különböző polimer-oldatot tudnak egyedileg vagy keverve pontosan felvinni. Az UV-fény megkötözi a műanyagokat, mielőtt a következő réteget felviszik. Így rétegenként kialakul egy orvosi robot. Amikor a fejlesztés befejeződik, a robotnak segítenie kell az orvosokat szövetminták kivételében és a hőmérsékleti tumorterápiában.

„Egy ilyen minimál invazív beavatkozásnál egy tű vagy szonda pozícionálása különösen nehéz feladat, mert az orvos leginkább a számítógépes tomográfia vagy MRI képek segítségével tájékozódhat – és ez azt jelenti, hogy dolgoznia kell, miközben a beteg egy szűk csőben fekszik. Szinte nincs mozgástér” – magyarázza Marius Siegfarth a Fraunhofer IPA Orvosi és Biotechnológiai Automatizálási Projektcsoportjából (PAMB), a Heidelberg Egyetem Mannheim Orvostudományi Karán.

A csapatával, valamint négy másik kutatócsoporttal Németországból, Franciaországból és Svájcból fejlesztett robot, a SPIRITS projekt keretében, olyan kicsi és könnyű, hogy a beteggel együtt be lehet tolni a csőbe. Külső hidraulikával lehet irányítani – így az orvos akár néhány méterre vagy akár egy másik szobában ülhet, ahol védve van a sugárzástól például CT-felvétel esetén. A SPIRITS rövidítés a „Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery” kifejezést takarja.

„A projekt kihívása az volt, hogy olyan kialakítást fejlesszünk, amely egy PolyJet-nyomtatóval egyetlen lépésben elkészíthető, ugyanakkor teljesen működőképes alkatrészekből áll – például forgóízületekből hidraulikus aktorokkal és tűelőre mozgató mechanizmussal. Mindezek az alkatrészek különböző anyagtulajdonságokkal rendelkeznek” – magyarázza Siegfarth.

A Strasbourg-i Nemzeti Alkalmazott Tudományok Intézetében, az INSA-n, ahol a SPIRITS projektet koordinálják, már nyomtatják az első prototípusokat. Ezek karokkal vannak összekötve, amelyek ízületeken keresztül kapcsolódnak. Ezek segítségével a tűt bármilyen irányba lehet forgatni a beszúrási pont körül. A mozgatást egy hidraulikus rendszer végzi, amelyet a PAMB kutatói fejlesztettek ki: apró csövek, mindössze 4 milliméter átmérőjűek, tömítésekkel és dugattyúkkal. A különlegesség az, hogy a dugattyúk a 3D gyártástechnológia révén olyan kialakításúak lehettek, hogy a hidraulikus nyomás a tömítésre hat, és ez megerősíti annak működését.

Első tesztek kimutatták, hogy a 3D nyomtatott hidraulikus rendszer működik. A következő hónapokban további alkatrészek kerülnek be a prototípusba: például az intelligens tű erőérzékelővel, amit a Lausanne-i Politechnikai Főiskola (EPFL) fejlesztett ki. A tűelőre mozgató mechanizmust az INSA kutatói dolgozták ki. Emellett a „haptikus visszacsatolás” is megvalósul, amely a erőérzékelő mért eredményeit ellenállásokká alakítja, amit az orvos érez, amikor a tűt puhább vagy keményebb szöveten vezeti át. Ezt a visszacsatolást a Furtwangen-i Főiskola kutatói dolgozták ki. A Nordwestschweiz-i Főiskolán (FHNW) jelenleg nyomtatható, nem mágneses fémalkatrészek készülnek a következő generációs prototípusokhoz.

Az első teljesen nyomtatott orvosi robotot még 2019-ben tesztelik majd dummy-kkal.

A SPIRITS összes költségvetése 1,67 millió euró, melyet az INTERREG V Oberrhein program 436 201 euróval az EFRE (Európai Regionális Fejlesztési Alap) támogat. Az „Offensive Sciences” kezdeményezés keretében, amely határokon átívelő csúcskutatási projekteket finanszíroz, a projektet regionális és kantoni partnerek is támogatják. Így a projektet a Keleti Nagyrégió, Baden-Württemberg tartomány, Rajnai-Pfalz tartomány, a Svájci Szövetségi Köztársaság, Aargau kanton, Basel-Stadt kanton és Basel-Landschaft kanton is finanszírozza.