Genetic Algorithm to Optimize Design of Micro-Surgical Scissors

要約

マイクロロボティクスは、小型ロボットが低侵襲手術の精度と器用さを向上させる可能性があるため、魅力的な研究分野です。
このようなツールの一例は、脳などの体内深部に存在する腫瘍または癌組織を切断するために開発された顕微手術用ハサミです。
この作業は、そのサイズと器用さのせいで、従来のロボット ツールでは困難または不可能であると考えられることがよくあります。
このハサミは、たわみを最大にして切断力を生成するために、2 つの磁石が特定の距離だけ離れて配置されるように設計されています。
しかし、マイクロサージカルハサミの遠隔作動とサイズ要件により、組織を穿刺するために生成できる力が制限されます。
出力が小さいという限界に対処するために、当社では進化的アルゴリズムを使用してハサミの性能をさらに最適化しています。
この研究では、以前に開発されたアンテザードマイクロ外科用ハサミの設計が変更され、磁石の最適な位置と各磁気モーメントの方向を決定することによってその性能が向上しました。
開発されたアルゴリズムは 4 つの磁石構成に適用され、正味トルクが増加しました。
この正味トルクの向上は、より高い切削抵抗に直接変換されます。
新しい構成は、80 世代の進化アルゴリズムにより 58 mN の切削力を生成します。これは、元の設計に比べて 1.65 倍の向上です。
さらに、開発されたアルゴリズムには、わずかな変更を加えて他のマイクロロボットツールやシステムに展開できるという利点があり、さまざまな医療処置やアプリケーションの新たな可能性が開かれます。

要約(オリジナル)

Microrobotics is an attractive area of research as small-scale robots have the potential to improve the precision and dexterity offered by minimally invasive surgeries. One example of such a tool is a pair of micro-surgical scissors that was developed for cutting of tumors or cancerous tissues present deep inside the body such as in the brain. This task is often deemed difficult or impossible with conventional robotic tools due to their size and dexterity. The scissors are designed with two magnets placed a specific distance apart to maximize deflection and generate cutting forces. However, remote actuation and size requirements of the micro-surgical scissors limits the force that can be generated to puncture the tissue. To address the limitation of small output forces, we use an evolutionary algorithm to further optimize the performance of the scissors. In this study, the design of the previously developed untethered micro-surgical scissors has been modified and their performance is enhanced by determining the optimal position of the magnets as well as the direction of each magnetic moment. The developed algorithm is successfully applied to a 4-magnet configuration which results in increased net torque. This improvement in net torque is directly translated into higher cutting forces. The new configuration generates a cutting force of 58 mN from 80 generations of the evolutionary algorithm which is a 1.65 times improvement from the original design. Furthermore, the developed algorithm has the advantage that it can be deployed with minor modifications to other microrobotic tools and systems, opening up new possibilities for various medical procedures and applications.

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