Робот выполняет операции на мягких тканях с минимальной помощью человека

Что, если ваша следующая операция была запланирована и проведена роботом? Команда Университета Джона Хопкинса работает над тем, чтобы воплотить эту идею в жизнь.

Концепция роботизированной хирургии не нова:несколько систем уже разработаны и используются для лечения пациентов-людей. Одним из примеров является хирургическая система да Винчи, лапароскопическое устройство с роботизированными руками, которыми хирург дистанционно управляет. Эта система не является автономной — робот самостоятельно не выполняет никаких хирургических задач.

Были разработаны и другие роботизированные системы с более высоким уровнем автономности, такие как TSolution One ^® . , который использует робота для точного разрезания кости в соответствии с заранее заданным планом.

Существующие автономные роботизированные системы в основном использовались для оказания помощи в операциях на твердых тканях, таких как сверление кости для имплантатов бедра или колена. Но эти системы не использовались для операций на мягких тканях, которые создают уникальные проблемы, такие как учет непредсказуемых движений тканей, возникающих при дыхании пациента, или ограничения по размеру хирургических инструментов.

Теперь исследователи, финансируемые NIBIB, разрабатывают автономного робота, который может проводить операции на кишечнике с минимальной помощью хирурга. Более того, в доклинических моделях робот превзошел опытных хирургов. Исследование, подробно описывающее разработку этого робота, который демонстрирует первую известную автономную лапароскопическую операцию на мягких тканях, недавно было опубликовано в журнале Science Robotics. .

«Результаты хирургического вмешательства в значительной степени зависят от навыков и опыта хирурга, и даже один пропущенный стежок при операции на кишечнике может привести к внутренней утечке и инфекции», — говорит Мория Биттманн, доктор философии, программный директор в подразделении Discovery Science &Technology. в Национальном институте биомедицинской визуализации и биоинженерии. «Эта доклиническая работа является важным шагом на пути к автономной роботизированной хирургии мягких тканей, которая может обеспечить повышенную эффективность и безопасность для людей независимо от хирурга».

Робот, получивший название STAR (от Smart Tissue Autonomous Robot), был разработан Акселем Кригером, доктором философии, и его коллегами из Университета Джона Хопкинса. На данный момент робот разработан для наложения кишечного анастомоза, когда два участка тонкой кишки сшиваются вместе, образуя единую непрерывную секцию, под наблюдением и руководством хирурга. Кригер объяснил, как робот выполняет процедуру:после того, как хирург вручную обнажает края ткани, STAR делает снимки и разрабатывает план наложения швов на основе формы и толщины ткани. Как только человек-оператор одобряет план, STAR самостоятельно сшивает ткань. Если ткань деформируется или перемещается за пределы установленного порога, STAR спрашивает хирурга, следует ли создать новый хирургический план. Этот процесс повторяется до тех пор, пока робот не завершит всю процедуру.

«Включая в себя новые инструменты для наложения швов, системы визуализации, алгоритмы машинного обучения и роботизированное управление, система STAR способна преодолеть проблемы автономной лапароскопической хирургии мягких тканей», — сказал Кригер. «STAR может визуализировать хирургическую сцену, создать хирургический план, а затем выполнить этот план с высокой точностью». Однако он отметил, что STAR не предназначена для замены хирургов. «Автономные роботы, такие как STAR, предназначены для включения в хирургический рабочий процесс вместе с хирургами, улучшая выполнение точных повторяющихся задач и, в конечном итоге, повышая согласованность операций от пациента к пациенту».

Чтобы оценить, насколько хорошо STAR работает по сравнению с опытными хирургами, исследователи использовали «фантомные» ткани кишечника в качестве модельной системы. Синтетическая тонкая кишка была прикреплена к линейному столу, который был запрограммирован на движение вперед и назад, что имитировало дыхательные движения, которые будут происходить во время операции. Кроме того, во время этих экспериментов ткань фантома случайным образом вращалась и деформировалась, что требовало от STAR или хирурга паузы, перегруппировки и завершения процедуры, сказал он. STAR провел операцию на фантомных тканях пять раз, а четыре хирурга выполнили процедуру двумя разными способами:дважды с помощью традиционной ручной лапароскопии и дважды с помощью другой роботизированной системы.

По сравнению с опытными хирургами, у STAR было меньше ошибок, и он был более последовательным в отношении расстояния между швами и их глубины. Кроме того, когда исследователи пропускали вязкую жидкость через резецированные фантомные кишки, они обнаружили, что поток был наиболее ламинарным (гладким и обтекаемым) в тканях, реконструированных с помощью STAR, что указывает на более качественный анастомоз, чем у опытных хирургов.

Наконец, производительность STAR была оценена на модели крупного животного. Кишечный анастомоз был наложен на пяти свиньях. Четырем животным операцию проводили с помощью STAR, а пятому животному — с помощью традиционной ручной лапароскопии. Подобно экспериментам с фантомами, STAR допустил меньше ошибок по сравнению с опытным хирургом. Кроме того, когда исследователи проанализировали, насколько хорошо резецированный кишечник зажил через семь дней после операции, не было обнаружено заметной разницы в заживлении ран между двумя разными хирургическими методами.

«Наши результаты показывают, что STAR более последователен и точен при выполнении задач по наложению швов, чем опытные хирурги», — сказал Кригер. Он отметил, что их результаты демонстрируют потенциал автономной хирургической робототехники для демократизации хирургической помощи, что может привести к более предсказуемым и стабильным результатам лечения пациентов.

«Хотя многие могут сомневаться в том, чтобы машина выполняла специализированную задачу, которую традиционно выполняет человек, роботизированные системы могут улучшить результаты лечения пациентов в медицинских учреждениях», — сказал Кригер. «Точно так же, как общественность восприняла постепенный приток круиз-контроля, помощи при движении по полосе и функций самостоятельной парковки в автомобилях, что в конечном итоге приведет к самоуправляемым автомобилям, я думаю, мы увидим аналогичный прогресс в области медицинской робототехники. ”