Роботы в медицине

Эта статья — часть материалов: кафедры Факультет робототехники

Введение

Наша жизнь неразрывно связана с современными технологиями. Трудно представить, как бы люди обходились без персональных компьютеров, а предприятия - без мощных вычислительных центров. Развитие технологий оказало огромное влияние и на медицину. Сегодня врачи могут проводить операции, которые несколько лет назад казались невозможными.

Такой прогресс в медицине обуславливается многими факторами. Во-первых, современные операционные оснащены новейшим оборудованием, позволяющим совершать операции более точно и с меньшим риском для здоровья пациента. Во-вторых, технологии позволили улучшить качество подготовки врачей.

Цель этой работы, наглядно продемонстрировать наиболее популярные типы роботов, применяемых в медицине.

Роботы-ассистенты

История робот-ассистированной хирургии насчитывает уже более двадцати пяти лет. Опыт и технологии, применявшиеся ранее в военных целях, вылились в появление роботов-ассистентов, позволявших хирургу максимально аккуратно выполнять ряд специфических манипуляций.

В 1985 году была представлена первая хирургическая система - PUMA 560, использовавшаяся в нейрохирургии. Позже арсенал хирургов пополнился манипулятором PROBOT, а в 1992 году появилась система RoboDoc, применявшаяся в ортопедии при протезировании суставов.

Все эти системы были узкоспециализированными установками для обеспечения этапов хирургических операций и не являлись полноценными роботическими системами. В 1993 году появилась роботизированная система Aesop(Эзоп) фирмы Computer Motion Inc. - автоматическая рука для удержания и изменения положения видеокамеры при лапароскопических операциях. В 1998 году Computer Motion Inc. представили более совершенную систему ZEUS(Зевс). Однако, «Эзоп» и «Зевс» – оставались лишь дополнениями, главным инструментом по прежнему оставались руки врача. В конце 90х была создана полностью универсальная роботизированная хирургическая система с дистанционным управлением – робот-хирург Da Vinci. В хирургии очень важна мелкая моторика, поэтому в точности воспроизводить действия рук хирурга – чрезвычайно сложная инженерная задача, которую практически решили разработчики системы Da Vinci – компания Intuitive Surgical Inc.

Хирургическая система Да Винчи

Прошедшие 20 лет вызвали революционные изменения в хирургической технике и технологии. Был разработан новый хирургический доступ и подход, который получил название малоинвазивная хирургия (МИХ).

Хотя МИХ поразительно уменьшает операционную травму и, соответственно, продолжительность госпитализации, она имеет значительные технические недостатки. Хирург оперирует, используя стандартный двухмерный видео-монитор, вместо того, чтобы смотреть на свои руки. Видео делает плоской естественную глубину операционного поля, а фиксированные запястья и инструменты ограничивают двигательные возможности. Отсутствие трехмерной визуализации операционного поля, плохая эргономика и управляемость являются основными ограничителями дальнейшего прогресса. В результате, эндоскопическая хирургия, как вид МИХ, ограничивает свое применение лишь узким кругом хирургических вмешательств.

Революционный рубеж развития хирургической техники был достигнут с появлением системы Da Vinci. Она снабжена манипуляторами с искусственными запястьями, имеющими семь степеней свободы (аналогично руке человека) и трехмерной интуитивной визуализацией (3D монитором). Эти новшества создали предпосылки для малоинвазивного выполнения сложных операций в различных областях хирургии.

Система Da Vinci улучшает исходы хирургического лечения, фундаментально изменяя хирургию в трех аспектах:

1. Упрощая многие уже разработанные операции:
- Многие хирургические операции, выполняемые сегодня с помощью стандартной техники, можно выполнять быстрее и проще с помощью системы, потому что Da Vinci создает «обзор и ощущение», близкие к открытой хирургии.
2. Делая сложные минимально инвазивные операции рутинными.
3. Делая возможными новые минимально инвазивные процедуры:
- Ряд операций, которые невозможно было выполнить с помощью традиционных минимально инвазивных технологий, теперь можно сделать, используя хирургический комплекс. Большой набор инструментов EndoWrist позволяет хирургам делать больше операций через малые доступы.

Хирургическая система состоит из эргономичной консоли хирурга, стойки с четырьмя интерактивными роботизированными руками у операционного стола, высокопроизводительной системы обзора InSite и патентованных инструментов EndoWrist. Вооруженные современнейшей роботизированной технологией, движения рук хирурга масштабируются, фильтруются и равномерно преобразуются в точные движения инструментов EndoWrist. В итоге, создается интуитивный интерфейс с превосходными хирургическими возможностями.

Компоненты хирургической системы

1. Консоль хирурга

Используя Da Vinci, хирург оперирует, комфортно сидя у консоли и видя трехмерное изображение операционного поля.

Пальцы хирурга захватывают рукоятки под дисплеем, а кисти и запястья располагаются естественно по отношению к его глазам. Система равномерно транслирует движения пальцев, кистей и запястий хирурга в точные движения хирургических инструментов внутри пациента в реальном времени.

2. Стойка у операционного стола

Стойка системы держит до четырех электромеханических рук, манипулирующих инструментами. Инструменты и камера легко прикрепляются к рукам и легко перемещаются с консоли или ассистентом.

Первые две руки робота, соответствующие правой и левой руке хирурга, держат инструменты EndoWrist. Третья рука держит эндоскоп, позволяя хирургу легко менять, перемещать, приближать и поворачивать поле зрения с консоли. Такая подвижность устраняет необходимость в ассистенте.

Четвертая рука позволяет добавлять третий инструмент EndoWrist и выполнять дополнительные задачи, такие как поддержка непрерывного шва. Это устраняет необходимость еще в одном ассистенте.

Хирург может одновременно управлять любыми двумя руками с помощью педалей под консолью.

3. Инструменты EndoWrist

Созданные по образцу человеческого запястья, инструменты EndoWrist имеют даже больший объем движений, чем человеческая рука. Они действительно позволяют системе продвигать хирургическую точность и технику за пределы возможностей человеческой руки. Сходно с человеческими сухожилиями внутренние тросы инструментов EndoWrist обеспечивают максимальную реакцию, давая возможность быстро и точно накладывать швы, выполнять диссекцию и манипуляции на тканях. Манипулятор с инструментом на своем конце имеет 7 степеней подвижности, подобно руке человека.

4. Система обзора InSite

Система обзора InSite с трехмерным эндоскопом высокого разрешения и системой обработки изображений обеспечивает естественное изображение операционного поля. Управляемый роботизированной рукой эндоскоп, сопряженный с двумя 3-чиповыми камерами, переносит хирурга «внутрь» пациента.

Видеосистема Intuitive Surgical снабжена двумя независимыми каналами передачи изображений, сопряженными с двумя цветными мониторами высокого разрешения. Система также имеет оборудование для обработки изображений, состоящее из двух видеокамер, алгоритмов усиления контуров и шумоподавления.

Результирующее трехмерное изображение высокого разрешения яркое, четкое и резкое, без утомляющего мерцания и затухания. Управление камерой, осуществляемое через рукоятки и педали, обеспечивает плавное перемещение в операционном пространстве. Перемещение головы хирурга на консоли не влияет на качество изображения.

Преимущества использования хирургической системы перед открытой хирургией

1. Улучшенная сноровка, точность и управляемость

Da Vinci может дать хирургу лучшую визуализацию, сноровку, точность и управляемость, чем в открытой хирургии, при выполнении операции через 1-2-сантиметровые разрезы.

2. Отличная эргономика

Da Vinci – единственная хирургическая система, предназначенная для работы сидя, что не только более комфортно, но также может давать клинические преимущества вследствие меньшего утомления хирурга. Система дает естественное уравнивание глаз и рук на хирургической консоли, что обеспечивает лучшую эргономику, чем традиционная лапароскопия. Наконец, так как роботизированные руки дают дополнительную механическую силу, хирург теперь может оперировать пациентов с выраженным ожирением.

3. Безопасность

Система Da Vinci уменьшает риск инфицирования хирургической бригады гепатитом, ВИЧ и т.п.

Применение системы Da Vinci

В настоящее время системы Da Vinci работают почти в 500 хирургических клиниках по всему миру. В 2007г. Екатеринбурге на базе Свердловской областной клинической больницы N1 открылся первый в России хирургический центр, использующий данную систему. С 2008г. роботизированный хирургический комплекс используется в медико-хирургическом центре им. Пирогова. Планируется постепенное оснащение подобным системами государственных клинических больниц и медицинских центров.

Роботы - симуляторы пациентов

Лидером в производстве роботов - симуляторов пациента, является американская компания METI (Medical Education Technologies Inc.). Производимые компанией роботы предназначены для отработки навыков принятия решений и практических врачебных интервенций в лечении патологий.

Роботы-манекены воспроизводят функциональные особенности сердечно–сосудистой, дыхательной, выделительной систем, а также генерируют ответ на различные действия обучающихся, в т.ч. и введение фармакологических препаратов. Эта физиологическая реакция является непроизвольной (автоматической) в ответ на клинические воздействия. Наличие у роботов человеческой физиологии - уникальное свойство данных роботов, не имеющее аналогов в мире и отличающее их от всех других фантомов и имитаторов.

Так, например, при выполнении ИВЛ1 через неправильно установленную эндотрахеальную трубку раздувается желудок манекена, дыхание в его легких не прослушивается, учащается сердцебиения, что отображается на прикроватном мониторе, а частый пульс прощупывается на запястье и в других типичных точках артериальной пульсации. По мере прогрессирования дыхательной недостаточности расширяются зрачки, постепенно нарастает симптоматика, больной впадает в кому, наступает смерть.

Робот-симулятор HPS

Робот-манекен HPS(Human Patient Simulator) - наиболее функциональная модель робота-симулятора, обладающая целым рядом уникальных особенностей конструкции и функциональных характеристик, не имеющих аналогов в мире.

1. Мониторинг
- Имеется интерфейс подключения реальных медицинских прикроватного монитора пациента основных производителей для отображения показателей кровяного давления, минутного сердечного выброса, ЭКГ и температуры тела.

2. Газообмен
- Робот данной версии способен потреблять кислород, выделять углекислый газ, а также при опции «Анестезия» поглощать или выделять закись азота, и другие вещества в соответствии с принципами поглощения и распределения. Концентрация газов на выдохе может быть измерена при помощи стандартных анестезиологических аппаратов искусственной вентиляции легких, используемых в медицинской практике.

3.Искусственная вентиляция легких
- Вентиляция легких на различных режимах приводит к соответствующему выделению выдыхаемого СО2, что отобразится на внешних мониторах. Спонтанная, ассистируемая или механическая вентиляция могут сочетаться одна с другой с соответствующей обратной физиологической реакцией пациента, включая давление в дыхательных путях.

4. Глаза
- Глаза робота снабжены зрачками, реагирующими на свет. Веки открываются и закрываются в зависимости от физиологии и фармакологии, находится ли он в сознании или нет. Имеется реакция зрачков на свет, затухающая в процессе "умирания" пациента.

5.Пульс
- Пульс прощупывается на сонных, плечевых, бедренных, лучевых подколенных артериях. Пульс изменяется автоматически в зависимости от артериального давления.

Физиология. Профили пациентов

Симулятор пациента HPS имеет в стандартной комплектации 30 профилей пациентов, различающихся характеристиками своей физиологии и имеющие индивидуальную реакцию на лекарства и лечебные манипуляции (здоровый мужчина, беременная женщина, пожилой пациент-хроник, ребенок и т.п.)

1. Фармакологическая библиотека
- В фармакологической библиотеке свыше 50 препаратов, включая газообразные анестетики, возможность ведения внутривенных препаратов с последующей автоматической дозозависимой физиологической реакцией на введенный препарат.
- Редактирование фармакологической библиотеки, добавление новых средств.

2. Клинические сценарии
- Основой имитационного обучения являются компьютерные Моделируемые Клинические Сценарии. В них описывается место действия и состояние пациента, цели, необходимое оборудование и медикаменты, а также комментарии для инструктора в удобном электронном формате.
- Моделируемый Клинический Сценарий запускается на управляющем компьютере и в ходе учебной сессии автоматически генерируется изменение физиологического статуса - в зависимости от введенного лекарства или выполненной манипуляции.

3. Беспроводное управление
- Симулятор пациента HPS поставляется в комплекте с полнофункциональным беспроводным управляющим компьютером, который позволяет инструктору управлять всеми аспектами процесса обучения непосредственно рядом с обучаемым. Экран и кнопки управления беспроводного компьютера идентичны внешне и функционально главному компьютеру.

Заключение

В настоящее время существует много устройств, делающих современную медицину более эффективной и в данной работе были рассмотрены самые инновационные примеры. Медицина находится в постоянном развитии, поэтому внедрение роботов в эту сферу является очень перспективным видом деятельности.

Источники