Роботизированные хирурги: операция на мягких тканях с минимальным участием человека

А что, если вашу следующую операцию спланирует и выполнит робот? Команда Университета Джона Хопкинса работает над превращением этой идеи в реальность.

Концепция робототехнической помощи при операциях не нова: несколько систем уже разработаны и используются для лечения людей. Пример — система да Винчи, лапароскопическое устройство с роботизированными руками, удаленно управляемыми хирургом. Эта система не автономна — робот не выполняет никаких хирургических задач самостоятельно.

Другие роботизированные системы с более высоким уровнем автономии также разработаны, например TSolution One®, использующая робота для точного реза кости по заранее заданному плану.

Существующие автономные роботизированные системы в основном использовались для помощи в операциях на твердых тканях, таких как сверление кости для имплантов бедра или колена. Но эти системы не применялись для операций на мягких тканях, которые создают уникальные проблемы: учет непредсказуемых движений тканей при дыхании пациента или ограничений размеров хирургических инструментов.

Теперь исследователи, финансируемые NIBIB, разрабатывают автономного робота, способного выполнять операцию на кишке с минимальной помощью хирурга. Более того, робот превзошел экспертных хирургов в прямых сравнениях на доклинических моделях. Исследование, описывающее разработку этого робота, демонстрирующего первый известный автономный лапароскопический мягкотеканный хирургический вход, недавно опубликовано в Science Robotics .

«Хирургические исходы сильно зависят от мастерства и опыта хирурга, и даже один пропущенный стежок при кишечной операции может привести к внутренней течи и инфекции», — сказала Мория Биттман, доктор наук, директор программы в Отделении открытий науки и технологий Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии. «Эта доклиническая работа — важный шаг к автономной роботизированной хирургии мягких тканей, которая может обеспечить повышенную эффективность и безопасность для пациентов, независимую от хирурга».

Робот, названный STAR (Smart Tissue Autonomous Robot), разработан Акселем Кригером, доктором наук, и коллегами из Университета Джона Хопкинса. Пока робот разработан для выполнения кишечной анастомоза — сшивания двух участков тонкого кишечника в единый непрерывный участок — под наблюдением и руководством хирурга. Кригер объяснил, как робот выполняет процедуру: после того как хирург вручную раскрывает края ткани, STAR делает снимки и разрабатывает план размещения швов на основе формы и толщины ткани. После одобрения плана человеческим оператором STAR самостоятельно сшивает ткань. Если ткань деформируется или движется за заданный порог, STAR спрашивает хирурга, нужен ли новый хирургический план. Процесс повторяется до завершения всей процедуры.

«Включая новые инструменты для наложения швов, системы визуализации, алгоритмы машинного обучения и роботизированные контролы, система STAR оснащена для преодоления вызовов автономной лапароскопической хирургии мягких тканей», — сказал Кригер. «STAR может визуализировать хирургическую сцену, сгенерировать хирургический план и затем выполнять эти планы с высокой точностью и прецизией». Он отметил, однако, что STAR не предназначен для замены хирургов. «Автономные роботы, как STAR, разработаны для интеграции в хирургический рабочий процесс вместе с хирургами, повышая выполнение точных, повторяющихся задач и в конечном счете улучшая хирургическую согласованность от пациента к пациенту».

Для оценки эффективности STAR по сравнению с экспертными хирургами исследователи использовали «фантомные» ткани кишки как модельную систему. Синтетический тонкий кишечник был закреплен на линейной платформе, запрограммированной для движений вперед-назад, имитирующих дыхание во время операции. Также в этих экспериментах фантомная ткань случайно вращалась и деформировалась, требуя от STAR или хирурга паузы, перегруппировки и завершения процедуры. STAR выполнил процедуру на фантомных тканях пять раз, а четыре хирурга — по два раза разными способами: дважды с традиционной ручной лапароскопией и дважды с другой робототехнической системой помощи.

При сравнении с экспертными хирургами STAR совершал меньше ошибок и был более последователен в интервале и глубине швов. Кроме того, когда исследователи пропускали вязкую жидкость через ресецированные фантомные кишечники, они обнаружили, что течь была наиболее ламинарной (гладкой и струйной) в тканях, восстановленных STAR, что указывает на более качественный анастомоз, чем у экспертных хирургов.

Наконец, эффективность STAR оценивалась на крупной животной модели. Кишечный анастомоз выполняли на пяти свиньях. На четырех животных процедура выполнялась через STAR, а на пятой — традиционной ручной лапароскопией. Аналогично фантомным экспериментам, STAR совершал меньше ошибок по сравнению с экспертным хирургом. Кроме того, при анализе заживления ресецированных кишечников через семь дней после операции не наблюдалось отличий в заживлении раны между двумя методами.

«Наши результаты указывают, что STAR более последователен и точен, чем экспертные хирурги при выполнении задач наложения швов», — сказал Кригер. Он отметил, что результаты демонстрируют потенциал автономной хирургической робототехники для демократизации хирургической помощи — что может привести к более предсказуемым и последовательным исходам для пациентов.

«Хотя многие могут колебаться насчет того, чтобы машина выполняла специализированную задачу, традиционно выполняемую человеком, роботизированные системы имеют потенциал улучшить исходы для пациентов в медицинских условиях», — сказал Кригер. «Так же как общество постепенно приняло круиз-контроль, помощь в удержании полосы и автоматическую парковку в автомобилях — что в конечном итоге приведет к беспилотным машинам — я думаю, мы увидим похожую прогрессию в медицинской робототехнике».