Медичні роботи | Журнал Популярна Механіка

1. Плюси і мінуси
2. З боку лікаря
3. Не бійтеся роботів
4. Свобода волі
5. друга хвиля
6. Da Vinci в Росії
7. Робот + людина

Тисячі роботів по всьому світу завжди готові до хірургічних операцій будь-якої складності. Ласкаво просимо на операційний стіл до хірурга, чиї руху ідеально точні, а пальці не знають тремтіння!

7 вересня 2001 року доктор Мішель Ганье, керівник відділення лапароскопічної хірургії Нью-Йоркського госпіталю Mount Sinai, закінчив 55-хвилинну операцію і встав зі свого місця, щоб розім'ятися. Операція пройшла без ускладнень, і жінку з видаленим жовчним міхуром незабаром доставили в палату. Хірурга і пацієнтку, що знаходиться в Університеті Луї Пастера в Страсбурзі, в цей момент поділяли 7000 км Атлантичного океану, а сама операція була проведена за допомогою роботизованої системи da Vinci, керованої по виділеному оптоволоконному каналу. За словами доктора Ганье, найскладнішою частиною цієї операції було забезпечення мінімальної затримки в каналі зв'язку - зусиллями команди комп'ютерників під керівництвом Стіва Бетнера з Каліфорнійського університету її вдалося знизити з 400 до 66 мс. Мішель Ганье тоді оптимістично висловив припущення, що в майбутньому лікарі зможуть проводити подібні операції пацієнтам у віддалених районах. Однак недостатня надійність систем зв'язку поки стримує реалізацію цього прогнозу.

Обійти проблему можна, якщо наділити роботів-хірургів деякою самостійністю. Про це вже давно мріють фантасти. Айзек Азімов ще в 1982 році в романі «Двохсотрічна людина» писав: «Ендрю Мартін розглядав праву руку робота, його оперує руку, яка нерухомо лежала на столі. Пальці були довгими і володіли витонченими металевими формами, граціозні вигини яких дозволяли легко уявити, як скальпель стає з ними єдиним цілим. В роботі хірурга не буде ні сумнівів, ні коливань, ні тремтіння в руках, ні помилок ». Він виявився провидцем. Хоча, звичайно, не в усьому. Так, «руки» хірургічної системи da Vinci Si складають з інструментами єдине ціле і зовсім не тремтять. Ось тільки цей робот зовсім не схожий на людину, а нагадує величезного павука, що запустив лапи в пацієнта на операційному столі. Моторні маніпулятори господарюють всередині людського тіла з точністю і впевненістю, недоступними людським рукам.

Плюси і мінуси

Як будь-який новий метод, роботизовані хірургічні системи da Vinci мають свої сильні і слабкі сторони. Станіслав Берелавічус прокоментував «ПМ» плюси і мінуси подібних систем з точки зору хірурга.
+ Маніпулятори з інструментами мають значно більшу кількість ступенів свободи в порівнянні з лапароскопічні інструментами.
+ Збільшене 3D зображення операційного поля з високою роздільною здатністю з можливістю накладання даних комп'ютерної томографії або МРТ.
+ Більш точні рухи інструментів призводять до меншого травмування і більш швидкій реабілітації пацієнтів.
+ Можливість масштабування рухів рук хірурга, що особливо важливо при проведенні тонких операцій (наприклад, зшиванні дрібних судин).
- Відсутність зворотного зв'язку по зусиллю на органах управління (маніпулятори здатні розвивати значні зусилля, і лікаря потрібно ретельно оцінювати свої рухи, щоб не пошкодити тканини).
- Вузьке операційне поле.

З боку лікаря

Зрозуміло, da Vinci оперує не за своїм власним уподобанням. Їм командує хірург, який сидить за консоллю в кутку операційної, дивлячись в окуляр стереоендоскопа високого дозволу. Маніпулятори робота, що перебуває в кількох метрах від консолі, повторюють кожен рух хірурга. І це не якийсь там прототип, а цілком масова хірургічна система, випущена тиражем більше 2500 штук, яка виконує більше 200 000 операцій в рік по всьому світу. Система da Vinci, що надійшла в лікарні 14 років тому, сьогодні є найпоширенішим хірургічним роботом в світі. І самим універсальним: почалося все з урологічної хірургії, але зараз за допомогою цього робота виконують безліч найрізноманітніших операцій, його маніпулятори здатні дотягнутися майже до будь-якого внутрішнього органу.

Звичайно, застосування роботів змінило звичний порядок в операційних. «Роботоассістірованние операції - це подальший розвиток мінімально інвазивної (тобто з мінімальним втручанням) хірургії. Вони значною мірою змінюють характер операції як в плані роботи лікаря, так і в плані безпеки пацієнта, - говорить Станіслав Берелавічус, хірург і старший науковий співробітник Інституту хірургії ім. А.В. Вишневського. - Скажімо, хірург тепер не варто протягом всієї операції - а вона може тривати кілька годин - поруч з операційним столом, а сидить за консоллю управління в нестерильного зоні, дивлячись в окуляр стереоендоскопа. Здавалося б, дрібниця, але ж чим зручніше працювати лікаря, тим точніші його руху, а значить, менш травматична операція ».

Як говорить Ендрю Вагнер, директор відділення мінімально інвазивної урологічної хірургії в Медичному центрі Beth Israel Deaconess в Бостоні, «як мінімум пару раз на місяць той чи інший пацієнт просить мене показати руки. Люди стурбовані питанням, чи не тремтять у мене пальці. Я показую, соромитися мені нічого. Але тепер такі речі не мають ніякого значення: коли робот масштабує руху моїх рук, він повністю згладжує випадкові вібрації ».

Не бійтеся роботів

За словами Вагнера (а його думку поділяє все більше число хірургів, яким довелося бачити da Vinci в дії), перевага роботизованою хірургії полягає в тому, що в ній поєднуються людський розум, досвід хірурга і бездоганна точність механізму. Маніпулятори з інструментами вводяться через зовсім невеликі надрізи, при цьому лікар може орудувати ними вправніше, ніж інструментами, використовуваними в лапароскопії (метод хірургії, в якому операції на внутрішніх органах проводять через невеликі, 0,5-1,5 см, розрізи). При цьому пацієнт травмується значно менше (не кажучи вже про порівняння з традиційного відкритого хірургією). Відповідно, знижується ймовірність ускладнень і скорочується час, необхідний на реабілітацію. За словами Станіслава Берелавічуса, при роботоассістірованних абдомінальних (в черевній порожнині) операціях крововтрата приблизно на порядок нижче, ніж при лапароскопічних. При простатектомії (видалення простати) відкритим способом пацієнт після операції повинен кілька днів залишатися в лікарні. Якщо ж операцію виконує робот, цей час можна скоротити до одного дня. «Раніше всі операції на простаті і нирках проводилися відкритим або лапароскопічним способом, а зараз 90% з них виконується за допомогою робота», - каже Вагнер.

Роботизовані хірургічні системи тепер допомагають виконувати операції практично на всіх внутрішніх органах. Зараз їх можна зустріти в багатьох операційних. На фото: Mazor Robotics Renaissance. Це система роботизованого наведення хірургічних інструментів при операціях на хребті використовує томографічні скани, отримані до операції, а також рентгенографію, виконувану в режимі реального часу. Таким чином, забезпечується просто фантастична точність позиціонування інструментів. В даний час використовується в операціях на хребті. Перспективи: FDA вже видало дозвіл використовувати ці системи при операціях на черепі. Втім, докладні методики таких операцій ще належить розробити.

Пацієнтів зазвичай радує перспектива операції, виконуваної роботом, хоча деякі схильні при цьому звістці впадати в паніку. «Сама згадка про робота багатьох вводить в оману. Люди думають, що я просто натисну якусь кнопку і вийду з операційної », - сміється Вагнер. «Робот в даному випадку являє собою набір дуже досконалих інструментів, що значно розширюють можливості лікаря, - каже Станіслав Берелавічус. - Але оперує все одно хірург ».

Свобода волі

Тим часом плани щодо наділення медичних роботів деякої автономністю - далеко не фантастика. Вісім років тому ізраїльська компанія Mazor Robotics, розробник хірургічного робота Renaissance, зіткнулася з абсолютно несподіваною проблемою. Недостатня ефективність? Зовсім навпаки. Робот вмів наводити хірургічне свердло в певні точки, заздалегідь обрані в хребетному стовпі пацієнта, і самостійно висвердлювати отвори на задану глибину, а від хірурга потрібно тільки підтвердити правильний вибір мети. Однак в процесі попередніх випробувань з'ясувалося, що, хоча хірургів-ортопедів повністю влаштовувала висока точність робота, їм зовсім не подобалося відсутність зворотного зв'язку під час свердління - їм потрібно було відчувати, як свердло вгризається в кістку. Орі Хадомі, директор компанії Mazor, каже, що компанія була змушена «підрізати крильця» свого дітища і відключити автоматичний режим свердління.

RIO Mako Surgical. Ця система являє собою один прецизійний роботизований маніпулятор, пересувається на коліщатках. Маніпулятор можна озброїти різними інструментами для обробки уражених хворобою суглобів або для позиціонування імплантуються протезів. В даний час застосовується при лікуванні стегон і колін. Перспективи: хоча попит на цей апарат досить високий, фірма-виробник зараз зіткнулася з фінансовими труднощами. Перш ніж поширити дію цього робота і на інші частини тіла, компанія повинна зміцнити свої позиції в області операцій на суглобах ніг.

Renaissance - відносно нова, але далеко не єдина напівавтономна медична хірургічна система. Серед роботів, які використовуються в сучасній медицині, можна відзначити численні установки для лазерної корекції зору типу LASIK, і RIO компанії Mako Surgical для пластики робочих поверхонь суглобів, і систему для променевої терапії CyberKnife. Це цілком повноцінні роботи, тобто машини, слухняно виконують поставлене перед ними завдання за заздалегідь визначеною програмою, яку, втім, можна коригувати в залежності від різних зовнішніх факторів.

Наприклад, CyberKnife - це не просто маніпулятор з лінійним прискорювачем електронів для генерації рентгенівського випромінювання, навчений точному прицілюванню. Його алгоритми дозволяють вести стрілянину по рухомій цілі, тобто підлаштовувати фокусування, відстежуючи дихання та інші мимовільні рухи пацієнта. Завдяки цьому на пацієнта можна впливати більш вузьким пучком рентгена, скоротивши при цьому загальне число сеансів. Оскільки апарат здатний дуже точно опромінювати саме пухлина, не зачіпаючи сусідні тканини, вдається не тільки істотно знизити ймовірність різних побічних ефектів, але і дати надію багатьом пацієнтам, які раніше вважалися неоперабельними.

Intuitive Surgical da Vinci. Цей апарат - найпоширеніший в світі хірургічний робот. Він забезпечує дистанційне керування стереоендоскопом високої роздільної здатності та трьома маніпуляторами, які можуть бути озброєні різними хірургічними інструментами. Ці маніпулятори вводяться в людське тіло через дуже невеликі (1-2 см) розрізи. В даний час використовується при операціях на надниркових залозах, кишечнику, серці, жовчному міхурі, нирках, простаті, селезінці, шлунку, горлі та органах жіночої статевої системи. Перспективи: нові напрямки використання поки не плануються, хоча система постійно модернізується - оновлюється програмне забезпечення і на основі накопичених даних вигострюються методики проведення операцій на вже перерахованих органах.

друга хвиля

Попит на хірургічні системи зростає, і вчені створюють медичних роботів другої хвилі, що володіють ще більшим ступенем автономності. У 2010 році група розробників ультразвукових випромінювачів в Університеті Дьюка продемонструвала свого робота, який був призначений для біопсії. Першими «піддослідними» системи стали індичі грудки, а потім її успішно випробували на двох пацієнток, яким був діагностований рак грудей. Стівен Сміт, керівник групи, вважає, що розроблена під його початком методика повинна виявитися значною підмогою в країнах, що розвиваються. «Легко собі уявити мобільний фургон, в якому змонтований апарат для мамографії, тривимірний сканер, наш робот і комп'ютер з відповідним програмним пакетом, - говорить Сміт. - При такій постановці справи з усією роботою буде управлятися за все один лаборант ».

В Університеті Карнегі-Меллон професор робототехніки і один із засновників компанії Medrobotics Хауи Чозет чекає дозволу FDA (Управління з контролю за якістю харчових продуктів і ліків), яке має схвалити першу комерційну модифікацію його системи Flex. Змієподібний хірургічний робот буде призначений для виконання отоларінгологічних операцій. Втім, Чозет не має наміру обмежуватися цією областю і сподівається розробити аналогічні системи, здатні не тільки конкурувати з da Vinci, але і піде собі геть, змінюючи наші уявлення про те, на що здатна хірургія і кому вона повинна бути довірена. «Медична допомога повинна стати незрівнянно більш доступною, - каже Чозет. - Відчуваючи наших змієподібних роботів на свинях, ми проводили хірургічні операції руками людей, які не мають подібної кваліфікації ». Оператор керує цією системою за допомогою всього лише одного джойстика. При такому підході від оператора потрібні всього лише приблизні пізнання про анатомію людини, щоб просто-напросто не заблукати в його нутрощах. Операційні надрізи стануть істотно менше, і виробляти їх можна буде в тих ділянках тіла, де вони будуть швидше гоїтися.

Accuray CyberKnife. При використанні традиційної променевої терапії високоенергетичним гамма-або рентгенівським випромінюванням захоплюються великі зони людського тіла. У системах останніх поколінь використовуються лінійні прискорювачі електронів, які дозволяють генерувати вузькоспрямовані сфокусовані пучки рентгенівського випромінювання. Система CyberKnife наводить це випромінювання на пухлину з дуже високою (субміліметрової) точністю, компенсуючи навіть природні рухи людини, пов'язані, наприклад, з диханням. В даний час використовується для променевої терапії пухлин грудей, жіночої статевої системи, шлунково-кишкового тракту, голови і шиї, внутрішньочерепних пухлинах, нирках, печінці, легенях, підшлунковій залозі, простаті, хребті. Перспективи: розробники зараз не стільки намагаються розширити сферу застосування системи, скільки поліпшити фокусування пучків, щоб збільшити кількість пацієнтів, яким може допомогти променева терапія.

Чозет вважає, що така операційна система дуже придалася б на поле бою, де польовий санітар, озброєний такою ось просто керованої змійкою, міг би значно зменшити кількість летальних випадків. «Для того щоб освоїти управління апаратом da Vinci, потрібно медичну освіту і достатня хірургічна практика, - говорить Чосет. - А на вивчення анатомії і на те, щоб освоїти управління гнучкою змійкою, буде потрібно на порядок менше часу. Якщо ви граєте в відеоігри, вам буде під силу і управляти нашим роботом-хірургом ».

Da Vinci в Росії

Перший хірургічний робот da Vinci - модель S - був встановлений в Єкатеринбурзі в 2007 році. В даний час в Росії налічується 14 систем da Vinci, з них 12 використовуються для клінічних цілей (моделі S і більш досконалі SI) - в Ханти-Мансійської ОКБ, 50-ї МКЛ в Москві, НМХЦ ім. Н.І. Пирогова, в Інституті хірургії ім. В.А. Вишневського, ФЦСКЕ їм В.А. Алмазова, ННІІ ПК ім. ак. Е.Н. Мешалкина. За допомогою цих систем сьогодні виконують досить широкий спектр операцій в області урології, гінекології, загальної хірургії, абдомінальній і кардіохірургії. На початок 2013 року в Росії було проведено понад 1880 роботоассістірованних хірургічних операцій.
На фото - Станіслав Берелавічус, старший науковий співробітник, хірург відділення загальної абдомінальної хірургії Інституту хірургії ім. А.В. Вишневського:
«Хірургічні роботи - це не просто новий інструмент, це справжній прорив в мінімально інвазивної хірургії. Вони значно розширюють можливості лікаря, піднімаючи на новий рівень безпеку пацієнта. Унікальні операції, які раніше були під силу тільки окремим фахівцям, тепер можуть стати масовими. »

Робот + людина

Втім, лікарі, які оперують за допомогою системи da Vinci, вельми скептично ставляться до подібних заяв. «Посадіть людини без медичної освіти за консоль da Vinci - ну і що він буде робити? - запитує Станіслав Берелавічус. - Більш того, оскільки тактика роботоассістірованних операцій схожа на лапароскопічну, управляти системою повинен не просто хірург, а лікар, який має досвід подібних операцій ». В операційній немає місця для непрофесіоналів, причому мова йде не тільки про хірурга, а й про всю операційної бригаді.

«КОЖЕН пацієнт по-своєму Унікальний, - говорити Кетрін Мор, керівник медично ДОСЛІДЖЕНЬ Intuitive Surgical, компании-виробника системи da Vinci. У Теорії можна Собі уявіті автономний варіант da Vinci, Який БУВ бі наділеній здатністю віявіті и ВИДАЛИТИ Ураження простату, вікорістовуючі доповідну карту внутрішніх ОРГАНІВ. У половині випадків результат буде цілком пристойним, але ось в іншій половині ... Нерви або судини, скажімо, можуть виявитися не зовсім там, де зазвичай, - і це загрожує серйозними проблемами.

Багато в чому це впирається в проблему адекватного відображення. Легше сканувати тверді тканини, наприклад кістки. А ось м'які тканини, пронизані у всіх напрямках судинами і нервами, - завжди головоломка. Якщо системи типу Renaissance, що позиціонують при операції на хребті свердло з субміліметрової точністю, або RIO, Фрезер поверхню пошкодженого суглоба, можуть діяти за заздалегідь заданою програмою, яка будується відповідно до рентгенограммами, томографією і ультразвуковими обстеженнями і потім в ході операції лише підтверджується, то в області м'яких тканин навігація є серйозною проблемою ».

Так що розвиток хірургічних роботів явно не піде прямим шляхом наділення їх все більшою автономністю. Автоматика і телемеханіка - це просто дві складові частини загального робототехнического рішення, а подальші кроки в розвитку штучного інтелекту завжди будуть підстрахуватися людським розумом. Але всім зрозуміло, що епоха, коли лікар колупається в чужому тілі власними руками, без сумніву, добігає кінця.

Стаття «Операційна система» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2013 ).