Chirurgiczne roboty stają się coraz mądrzejsze

Operacje medyczne prowadzone zdalnie na innym kontynencie, chirurgiczne roboty działające w kosmosie czy takie, które same uczą się zabiegów, oglądając instruktażowe filmy. To technologie testowane już przez naukowców i inżynierów.

Roboty, takie jak słynny da Vinci, zwiększyły precyzję zabiegów i poprawiły wyniki w licznych klinikach na świecie. Nadchodzi jednak nowa era chirurgicznych maszyn. Prowadzone właśnie eksperymenty pokazują, iż takie urządzenia będą przeprowadzały jeszcze trudniejsze zabieg. Będą mogły być sterowane przez lekarzy oddalonych o tysiące kilometrów, działać w kosmosie, a choćby operować samodzielnie.

Odległość przestaje mieć znaczenie

W połowie listopada chińscy lekarze, na łamach pisma „Intelligent Surgery” opisali iście fantastyczne dokonanie. Chirurdzy, pracując w Głównym Szpitalu Chińskiej Armii Ludowo-Wyzwoleńczej, w Pekinie przeprowadzili operację usunięcia macicy u kobiety, która znajdowała się w miejscowości oddalonej o 1,2 tys. kilometrów, w Wuhan. Posłużył im do tego specjalny robot i łącze 5G. Lekarz wydawał komendy z pomocą elektronicznej konsoli, a maszyna – Edge Multi-Port Endoscopic Surgical Robot MP1000 (Edge MP1000) posłusznie te polecenia wykonywała. Jednocześnie przekazywała lekarzowi trójwymiarowe obrazy z kamer endoskopowych.

„Udało nam się spełnić specyficzne wymagania dotyczące niskiego opóźnienia, wysokiej precyzji i niezawodności niezbędnej w operacjach chirurgicznych” – mówi główny autor publikacji Yuanguang Meng. „Zgromadzone przez nas dane pokazały, iż dwukierunkowe opóźnienie podczas operacji wynosiło jedynie 19 ms, z rzadkimi maksymalnymi przeskokami rzędu 3 ms i współczynnikiem utraty klatek na poziomie około 0,2 proc.” – opowiada.

Nieco wcześniej szwajcarsko-chiński zespół przedstawił wyniki podobnego, choć znacznie prostszego eksperymentu przeprowadzonego na zwierzęciu. Otóż lekarze z Politechniki Federalnej w Zurychu pobrali biopsję z żołądka świni znajdującej się na terenie Chińskiego Uniwersytetu Hong Kongu. Warto, w tym momencie powiedzieć o zastosowanej technologii chirurgicznej. Do ciała zwierzęcia wprowadzono endoskop magnetyczny, który, w uproszczeniu mówiąc, na całej swojej długości ma umieszczone magnetyczne elementy. Dzięki temu można nim sterować dzięki magnetycznego pola wytwarzanego poza organizmem. Wyszkolony, sprawny chirurg może obsługiwać urządzenie z taką łatwością, iż w przedstawionym przypadku specjalista posługiwał się kontrolerem (tzw. różdżką) od PlayStation 3.

Robot-chirurg w kosmicznej przestrzeni

Jeśli to kogoś nie zaskakuje, może takie wrażenie wywrze na nim dokonanie lekarzy z Uniwersytetu Nebraski w Lincoln, którzy przeprowadzili eksperyment dosłownie kosmiczny. Tym razem operacja przeprowadzona została tylko na naśladujących tkankę, gumowych rękawiczkach zamiast pacjenta, ale nie na tym polegał przełom. Chirurdzy, ze swojego ośrodka w Nebrasce sterowali chirurgicznym robotem zamontowanym na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Z jego pomocą dokonywali cięć i chwytów przydatnych w prawdziwych operacjach.

Robot o nazwie MIRA (miniaturized in vivo robotic assistant) zbudowany został przez ekspertów ze wspomnianej uczelni oraz z firmy Virtual Incision. Ma postać ramienia o długości 76 cm, a złożony mieści się w skrzynce o wielkości kuchenki mikrofalowej. W przypadku „zabiegu” prowadzonego w kosmosie, opóźnienie było wyższe, niż w podobnych testach na Ziemi i sięgało od 0,5 do 0,75 sekundy. To może powodować niedokładności, więc lekarz musi być szczególnie ostrożny.

„Na Ziemi musimy trochę zaczekać, aż zlecony przez nas ruch zostanie wykonany. Skutkuje to zdecydowanie wolniejszym sterowaniem, niż to, do którego jesteśmy przyzwyczajeni w sali operacyjnej” – wyjaśnia jeden z chirurgów, Michael Jobs.

Problem do rozwiązania

Naukowcy rozwiązali ten problem z pomocą oprogramowania, w które wbudowali różne współczynniki skalowania, tak aby m.in. większe ruchy na Ziemi skutkowały mniejszymi poruszeniami robota na pokładzie ISS. W trakcie zabiegu w „kosmosie” chirurdzy musieli sobie radzić nie tylko z opóźnieniem, ale także z mikrograwitacją i ograniczoną przestrzenią. Ponadto musieli uważać, aby żadne fragmenty przecinanego materiału nie uciekły spod manipulatorów robota dalej na Stację, gdzie mogłyby stworzyć trudne do przewidzenia zagrożenie.

Wcześniej Dr Jobs, w swojej klinice, z pomocą standardowej wersji tego samego robota przeprowadził operację usunięcia pacjentowi fragmentu okrężnicy. Eksperyment nie tylko więc stanowi krok w stronę prowadzonych z Ziemi operacji w przestrzeni, ale toruję też drogę do szerszego zastosowania robotów na powierzchni planety. „Ten robot jest bardziej dostępny. Łatwiej się na nim szkolić i będzie mógł służyć małym społecznościom, które nie mają dostępu do wyspecjalizowanych chirurgów” – podkreśla jeden z ekspertów Ted Voloyiannis, chirurg z ponad tysiącem robotycznych operacji na koncie.

Rośnie precyzja

Warto przy okazji zwrócić uwagę na bardziej ewolucyjny postęp. Na przykład niedawno firma Sony zaprezentowała nowy typ robotycznego manipulatora przeznaczonego do mikrochirurgii – zabiegów obejmujących np. drobne naczynia czy włókna nerwowe. To zabiegi, które od lekarza wymagają nie tylko wieloletniego szkolenia, ale i talentu – drgnięcie ręki może spowodować niepowodzenie. Dlatego twórcy chirurgicznych robotów już od dłuższego czasu starają się przystosować swoje maszyny do zabiegów prowadzonych w coraz mniejszej skali. Robotowi ręka nie drży.

Mechaniczny chirurg posłusznie wykonuje polecenia lekarza, eliminując ludzkie niedoskonałości. Jednocześnie zapewnia lekarzowi doskonały obraz miejsca operacji. Niedawno nowy system tego rodzaju zaprezentowała firma Sony. Precyzyjnymi manipulatorami chirurg steruje z pomocą przypominających długopis kontrolerów reagujących na ruch oraz ściskanie, oglądając miejsce zabiegu dzięki stereoskopowej kamerze 3D i umiejscowionym tuż przy twarzy ekranom.

Firma zapewnia, iż kontrolery pozwalają lekarzowi wykonywać ultra-precyzyjne operacje, takie jak wprowadzenie igły do małego naczynia krwionośnego, a jednocześnie umożliwiają kontrolę większych ruchów. W czasie testów przeprowadzonych na Uniwersytecie Medycznym Aichi, prototyp pokazał swój potencjał, umożliwiając symulowane zabiegi mikrochirurgiczne lekarzom bez szkolenia w tym kierunku. Z pomocą robota byli oni w stanie połączyć dwa zwierzęce naczynia krwionośne o średnicy zaledwie 0,6 mm.

W innym eksperymencie zszywali niewielką część ziarna kukurydzy. „Ludzie posiadają niezwykle rozwiniętą koordynację mózgu i rąk w porównaniu z innymi zwierzętami, co pozwala im na precyzyjne i delikatne ruchy. Mikrochirurgia jest jednym z przykładów, gdzie ta zdolność jest wykorzystywana w maksymalnym stopniu. Jednak, choćby dla doświadczonych lekarzy, opanowanie tej techniki wymaga miesięcy, a choćby lat intensywnego szkolenia” – zwraca uwagę prof. Munekazu Naito.

„W ramach tego badania przetestowano chirurgicznego robota asystującego firmy Sony, aby ocenić jego zdolność do podnoszenia umiejętności początkujących specjalistów mikrochirurgii. Wyniki wykazały wyjątkową kontrolę nad ruchami jeszcze niedoświadczonych lekarzy, umożliwiając im wykonywanie skomplikowanych i precyzyjnych zadań z umiejętnością porównywalną do wprawionych ekspertów” – podkreśla.

Roboty zaczną radzić sobie same?

Teraz pora na coś chyba jeszcze bardziej przełomowego. W listopadzie tego roku grupa ze Stanford University i Johns University nauczyła chirurgicznego robota Hopkins da Vinci samodzielnego przeprowadzania trzech podstawowych czynności – manipulowania igłą, zszywania i odsuwania tkanek, na podobnym poziomie, na jakim robi to specjalista. To jednak nie wszystko… Równie niezwykły jest sposób, w jaki maszyna się uczyła.

Robot oglądał tylko filmy pokazujące tego typu manipulacje. Ponadto, zaskakując choćby naukowców, nauczył się korygowania własnych błędów – np. upuszczania igły. Taka metoda może bardzo przyspieszyć naukę robotów, które miałyby działać autonomicznie. „Programista mógłby spędzić dekadę, próbując stworzyć cyfrowy model szycia. Mówimy tylko o szycie w jednym rodzaju operacji” – mówi prof. Axel Krieger, współautor eksperymentu.

Badacze pracują teraz nad wykorzystaniem swojej metody do szkolenia robota do prowadzenia całych zabiegów chirurgicznych. Być może więc, może nie dziś, nie jutro, ale może na przykład za dekadę roboty będą powszechnie operowały ludzi, także w tych miejscach, w których dzisiaj brakuje dostępu do chirurgów, a do tego będą robiły to samodzielnie.

Źródło zdjęcia: Arseny Togulev/Unsplash