Applications of magnetic actuation in medical robotics

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-05-12

Department

Major/Subject

Automaatio ja robotiikka

Mcode

ELEC3014

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

24

Series

Abstract

Medical operations can be improved by adding more features to them, doing them less invasively or by inventing new operations. Minimal invasiveness simply means that for example in surgery the incision is as small as possible. This will shorten the recovery period and improve patient satisfaction. However, for the medical equipment this means that it cannot be controlled by hand anymore. Magnetic actuation presents a solution to this problem as the human body is transparent to magnetic fields, allowing for remote control of the equipment inside the patient. This thesis explores the use of magnetic actuation in medical robotics applications through the means of a literature review. This is done by categorizing the robots by size. That is, the robots are divided into mesoscale and microscale, where the characteristic scale of the robots is above 1 millimetre and below 1 millimetre, respectively. The mesoscale robots include endoscopes, catheters, and minimally invasive surgery. These applications struggle to compete with conventional methods due to the added complexity. At the mesoscale these conventional methods often have the needed precision and the benefits of magnetic actuation do not present enough benefits. However, a magnetically actuated catheter made by Stereotaxis Inc. is a third-generation commercial product showing large improvements over previous generations. The microscale robots include magnetic microgrippers, magnetic tweezers and soft continuum catheters. These applications show the true benefits of magnetism as an actuation method. The added complexity of magnetic actuation has a smaller impact on the overall design and manufacturing process of these systems as any microscale implementation is highly complex.

Lääketieteelliset operaatiot ovat kehittyneet jo pitkälle, mutta eivät ole vielä täydellisiä. Seuraava askel usealle operaatiolle on tehdä ne mahdollisimman vähän häiritsevästi. Tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi leikkausta varten ihoon tehtävä viilto on mahdollisimman pieni, jolloin se paranee nopeammin. Haasteita tällaisissa operaatioissa tuottaa esimerkiksi se, että käytettävä välineistö voi olla osittain tai kokonaan ihmiskehon sisällä. Suurimmat haasteet tuottavat kuitenkin se, että tällaisten laitteiden on oltava hyvin pieniä. Ratkaisuna voisi toimia magneettinen ohjaus, sillä se mahdollistaa langattoman ohjauksen ja tehonsyötön ulkoistamisen. Magneettinen ohjaus on lupaava menetelmä lääketieteellisissä roboteissa, sillä magneettikentät läpäisevät kudosta vaivattomasti kuitenkaan sitä vahingoittamatta. Työn tavoitteena on luokitella magneettista ohjausta käyttävät robotit merkityksellisellä tavalla ja arvioida magneettisen ohjauksen hyödyllisyyttä näissä luokissa. Työssä luokitellaan magneettista ohjausta käyttävät robotit koon mukaan mesoskaalaan ja mikroskaalaan. Mesoskaala määritellään yli yhden millimetrin ja mikroskaala alle yhden millimetrin kokoisiksi roboteiksi. Luokittelu tehtiin koon mukaan, sillä pienentyminen tuottaa merkittäviä ongelmia. Tarkasteltaviin robotteihin kuuluvat sellaiset robotit, joita käytetään tai voitaisiin käyttää sairaaloissa sekä robotit, joita käytetään tai voitaisiin käyttää tutkimuksessa. Tarkasteltaviin robotteihin ei kuulu magneettikuvaus, sillä se ei ole magneettista ohjausta. Työssä vertaillaan magneettisella ohjauksella toteutettuja robotteja perinteisiin menetelmiin. Tällöin voidaan arvioida, parantaako magneettinen ohjaus vertailtuja operaatioita. Lääketieteellisessä viitekehyksessä magneettiseen ohjaukseen syventyviä tutkimuksia löytyy paljon. Mesoskaalassa tutkittuja aiheita ovat esimerkiksi endoskoopit, katetrit ja minimaalisesti häiritsevät leikkaukset. Mikroskaalassa tutkittuja aiheita ovat esimerkiksi magneettiset pinsetit, jatkuvasti taipuvat katetrit ja minimaalisesti häiritsevät leikkaukset. Perinteisiin menetelmiin verratessa huomataan, että mesoskaalassa verrokkeja löytyy paljon. Tästä skaalasta löytyy useita kaupallisia tuotteita, joista perinteisiä menetelmiä käyttävät esimerkiksi Da Vinci sekä MUSA, jotka kykenevät vähentämään häiritsevyyttä leikkauksissa. Mesoskaalassa ainoa löytynyt magneettista ohjausta käyttävä kaupallinen tuote on Niobe, joka ohjaa katetria magneettisesti. Mikroskaalassa magneettisille pinseteille vertailukohtana voi käyttää optisia pinsettejä. Optisia pinsettejä valmistaa esimerkiksi Bruker ja magneettisia pinsettejä Mad City Labs. Mikroskaalan katetreista tai minimaalisesti häiritsevistä leikkauksista ei kuitenkaan löydy kaupallisia tuotteita. Tutkimuksiin perehtyminen osoittaa, että magneettinen ohjaus kykenee ainakin petrimaljassa leikkaamaan yksittäisten syöpäsolujen sisältä palasia ja kuljettamaan ne solun ulkopuolelle. Työssä huomataan, että magneettinen ohjaus tarjoaa useissa lääketieteellisissä operaatioissa etuja liittyen operaation häiritsevyyteen, ominaisuuksien lisäämiseen tai haittavaikutusten vähentämiseen. Skaalojen välinen ero näkyy niin, että mesoskaalassa magneettisesti ohjattujen robottien on vaikeaa kilpailla perinteisempien menetelmien kanssa lisätyn kompleksisuuden vuoksi. Mikroskaalassa tätä ongelmaa ei ole sillä käyttötarkoitukset ovat itsessään jo monimutkaisia. Magneettisella ohjauksella voidaan tehdä mikroskaalassa asioita, joille ei löydy muita verrokkeja. Magneettinen ohjaus vaikuttaa näissä käyttötarkoituksissa mahdolliselta kehityssuunnalta tarkastelluille operaatioille, mutta vaatii vielä paljon tutkimusta. Jatkotutkimusta voitaisiin tehdä esimerkiksi mikroskaalan jatkuvasti taipuvista katetreista ja niiden päähän liitettävistä työkaluista.

Description

Supervisor

Forsman, Pekka

Thesis advisor

Isitman, Ogulcan

Keywords

magnetic actuation, medical applications, medical robotics, mesoscale, microscale

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202407025020

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC