Новости

Aug 22, 2023

Платформа измерения силы для витреоретинального хирургического симулятора с использованием модуля искусственного глаза, интегрированного с кварцевым резонатором

Микросистемы и наноинженерия

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 74 (2022) Цитировать эту статью

3303 Доступа

Подробности о метриках

Чтобы обеспечить количественную обратную связь о хирургическом прогрессе для офтальмологов, практикующих пилинг внутренней пограничной мембраны (ILM), мы разработали модуль искусственного глаза, состоящий из датчика силы кварцевого кристаллического резонатора (QCR) и натяжного тела, которое служит равномерным передатчиком силы под моделью сетчатки. Несмотря на то, что для достижения стабильного контакта с телом деформации к узлу датчика силы QCR необходимо приложить достаточно большую начальную силу, высокая чувствительность и широкий динамический диапазон этого датчика позволяют глазному модулю обнаруживать небольшую контактную силу щипцов. Деформационный корпус с параллельными пластинами используется для достижения равномерной чувствительности к силе в области отслаивания ILM диаметром 4 мм. Сочетание этих двух компонентов позволило получить измеримый диапазон силы от 0,22 мН до 29,6 Н с погрешностью чувствительности в пределах от -11,3 до 4,2% в зоне отслаивания ILM. Используя этот глазной модуль, мы измерили приложенную силу во время моделирования искусственного пилинга ILM неподготовленным человеком и скомпенсировали долгосрочный дрейф полученных данных о силе с помощью недавно разработанного алгоритма. Данные о компенсированной силе четко отражают характеристики нескольких типов последовательностей движений, наблюдаемых на видеозаписях глазного дна с использованием офтальмологического микроскопа. В результате нам удалось извлечь значения характеристик, которые потенциально могут быть связаны с уровнем навыков обучаемого, такие как среднее и стандартное отклонение толкающих и отрывающих сил, соответствующие в случае неподготовленного оператора 122,6 ± 95,2 и 20,4. ± 13,2 мН соответственно.

Офтальмологи, практикующие внутриглазную хирургию, должны приобретать сложные навыки, чтобы не травмировать пациентов. Чтобы отточить свои навыки, офтальмологи обычно проводят хирургические демонстрации, используя глаза животных; однако некоторые из них не напоминают структуры человеческого глаза. Другие подходы к обучению включают имитацию техник экспертов без использования количественных тактильных ощущений. Эксперты-тренеры также объясняют навыки, необходимые для хирургии, эмпирически, без количественных показателей. Еще одним вариантом является использование симуляторов виртуальной реальности1, большинство из которых дороги и не обеспечивают точного тактильного ощущения, относящегося к истинной сущности человеческого глаза, что важно для улучшения хирургических навыков2. Эти недостатки в обучении означают, что пациенты, перенесшие внутриглазные операции, подвергаются относительно высокому риску повреждения сетчатки, который зависит от квалификации офтальмолога.

Чтобы решить эту проблему, мы попытались улучшить распространенные макеты моделей3,4,5, разработав «Бионический оценщик хирургии глаза (Bionic-EyE)»6,7,8 в качестве обучающей модели, которая может бионически воспроизводить свойства человеческого тела. глаза искусственными материалами. Bionic-EyE оснащен датчиками для оценки хирургических навыков и включает в себя модуль искусственного глаза с одноразовыми деталями, которые позволяют обучаемым выполнять повторяющиеся симуляции хирургических операций (рис. 1а). Количественная обратная связь от сигналов датчиков, вырабатываемых Bionic-EyE, позволяет быстро освоить хирургические навыки. В качестве операции, которую можно обучить с помощью Bionic-EyE, мы сосредоточились на пилинге внутренней пограничной мембраны (ILM), сложной витреоретинальной операции. Как показано на рис. 1б, ВПМ представляет собой тонкую и прозрачную мембрану, расположенную между корой стекловидного тела и сетчаткой9. Задняя часть сетчатки называется макулой и отвечает за большую часть физиологического поля зрения. Центральная часть макулы называется ямкой, которая имеет высокую плотность колбочек-фоторецепторов и отвечает за фотопическое цветовое зрение с высокой остротой10. По мере старения человека стекловидный материал в этих областях разжижается и сжимается, что в конечном итоге приводит к отслоению задней коры стекловидного тела от ВПМ сетчатки у большинства людей11. Если разжижение превышает степень витреоретинального расхождения, то на макуле (эпиретинальной мембране) может остаться фрагмент стекловидного тела или проколоться отверстие в ямке (макулярном отверстии) в результате адгезионной тракции между задней корой стекловидного тела. и ямка12 (рис. 1б). Эти эффекты приводят непосредственно к ухудшению зрения. Поскольку мягкая сетчатка вокруг отверстия натягивается ВПМ, которая у пожилых людей толстая и жесткая13, макулярное отверстие, образовавшееся в результате этого процесса, не закрывается естественным путем. Для лечения этого состояния ILM обычно отслаивают, как показано и воспроизведено Bionic-EyE6 на рис. 1c. При некоторых процедурах пилинга ILM сообщалось об увеличении закрытия макулярного отверстия и снижении частоты рецидивов14,15,16,17. Отслаивание ВПМ толщиной 3 мкм18, прилипающего к сетчатке, очевидно, требует отработанных навыков приложения соответствующей силы к пораженному участку. Однако в литературе мало обсуждается использование датчиков силы в обучающих моделях, хотя попытки использования щипцов, оснащенных тензодатчиками19,20 или датчиками силы с волоконной решеткой Брэгга21,22,23,24, предпринимались. Для практической демонстрации внутриглазной хирургии необходимо количественно оценить навыки, необходимые для проведения пилинга ILM, без добавления датчиков к щипцам. Наш модуль искусственного глаза включает в себя датчик силы кварцевого резонатора (QCR) и деформационный корпус в качестве единого передатчика силы под биомиметической моделью ILM, которая является одноразовой, что позволяет многократное использование7,8.