Methodology for the selection of a smart material as actuator in neurosurgical robotics

Abstract

Так звані інвазивні нейрохірургічні роботи, тобто ті, що проникають всередину мозку пацієнта, розроблені, щоб допомогти хірургу дістатися до оброблених ділянок, просуваючись по шляхах, які не обов’язково прямолінійні. Специфіка втручань у мозок порівняно із більш загальною медичною робототехнікою полягає в тому, що розроблені системи повинні рухатись у речовині гетерогенного органу, мінімізуючи тиск та пошкодження, що здійснюються для збереження органічних функцій пацієнта. Використання розумних матеріалів, активно реагуючи на зовнішні подразники, є перспективним способом активізації цих систем. Однак існує велика різноманітність матеріалів, які апріорі можуть бути використані. Визначення методології оцінювання цих матеріалів на основі клінічного досвіду нейрохірурга є важливим кроком до проектування інвазивних нейрохірургічних роботів. Метою роботи є аналіз і обґрунтування на основі методології досвіду застосування розумних матеріалів. У цій статті формалізовано вимоги, що випливають з нейрохірургічного клінічного досвіду. Потім ці вимоги використовують для вибору розумних матеріалів з високим потенціалом. Встановлено критерії вибору розумного матеріалу, з якого в майбутньому можна буде розробляти роботизовану систему. За технічними характеристиками багато матеріалів відпали, зокрема такі, що використовують тепло, оскільки більшість з них працюють при температурі 70°C або більше. Матеріали, що активуються світлом, також були виключені через час реагування, що складав більше кількох секунд. Приводи пневматичного типу, коливання об’єму та витік яких можуть спричинити пошкодження мозку, теж не підходять для такого застосування. Ті, що базуються на рідких матеріалах або діють за допомогою кислотно-основних або окисно-відновних реакцій, не можуть бути використані для цієї мети через ризик витоку та взаємодії з речовиною мозку. Для матеріалів з магнітним приводом проблема полягає в необхідному високому значенні величини магнітного поля, від 0,5 до 1,5 Тл. Для привода запропоновано застосовувати матеріали, що використовують різницю потенціалів, серед яких перспективним кандидатом є іонні полімерно-металеві композити

In this article we define the criteria and present the methodology to choose a smart material in order to actuate a soft neurosurgery robot. These criteria are defined with the experience of a neurosurgeon