ФОРМА ЗАПИСИ

Заполните форму и ассистент доктора с Вами свяжется

Нажимая на кнопку я соглашаюсь
на обработку персональных данных
Блог

da Vinci. Часть 2 Космос, хирургия и роботы.

Во время разработки космических программ в Соединенных Штатах Америки, руководители программы спросили себя, что случилось бы, если астронавтам потребуется неотложная хирургическая помощь во время пребывания их на орбите. Конечно, для этого было нецелесообразно создавать отдельную космическую станцию или модуль, в котором был бы размещен традиционный операционный зал и постоянно находилась бригада хирургов. Специалисты Американского космического агентства (NASA) занялись решением этой проблемы. Наработанные ранее в военной сфере технологии привели к появлению медицинских роботов-ассистентов, которые позволяют максимально аккуратно совершать большое количество специфических хирургических манипуляций. Это дало возможность сократить вероятность появления осложнений, уменьшить операционную травму, снизить сроки госпитализации и реабилитации больных.

История развития хирургических роботических систем началась с системы PUMA 560. PUMA (расшифровывается как Programmable Universal Machine for Assembly или Programmable Universal Manipulation Arm) — промышленный робот-манипулятор, разработанный Виктором Шейнманом из фирмы Unimation — предприятия-пионера в области промышленной робототехники. Первоначально разработанный для General Motors, робот PUMA был основан на ранних проектах Шейнмана, сделанных в Стэндфордском университете. Unimation производила эти роботы долгое время, пока не была приобретена компанией Westinghouse примерно в 1980 году. В 1985 году с помощью робота PUMA-560 была проведена первая успешная операция на головном мозге. Выполнена точечная биопсии головного мозга под контролем компьютерной томографии [1].


Через 3 года эта же модель робота была использована для трансуретральной резекции предстательной железы (ТУРП). Puma 560 послужил прототипом не только для Neuromate (Integrated Surgical systems, USA) [1]. В конце концов, эта система привела к развитию второго поколения роботов, разработанных именно для трансуретральной резекции простаты - PROBOT [2]. В том же году была выполнена первая ТУРП. Для этого в предоперационном периоде была сконструирована 3D-модель простаты, края резекции были очерчены хирургом, а траектории движения резектоскопа рассчитаны роботической системой [2].


В 1992 году для оказания хирургического лечения в области ортопедии при осуществлении протезирования суставов была разработана система «RoboDoc» [3].


В последующем появлялись более усовершенствованные модели, обладающие способностью в автоматическом режиме выполнять необходимые манипуляции для завершения процедуры замещения тазобедренного сустава (Caspar system, Acrobot) [4].


В 1994 г. компания Computer Motion изготовила первого робота-хирурга, получившего сертификат US FDA – Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP).


Изначально система разрабатывалась NASA для космической программы. Это была механическая рука, предназначенная для автоматического изменения положения эндоскопа. Двумя годами позже AESOP «приобрел» слух и смог выполнять голосовые команды хирурга. К 1998 г. модель AESOP 3000 обладала семью степенями свободы. Система прикреплялась к операционному столу и посредством различных переходников и адаптеров получила способность удерживать и манипулировать эндоскопом. Ряд авторов сообщили о преимуществах данной системы над ассистентом при управлении лапароскопической камерой (Kavoussi et al., 1995). При этом было проведено сравнительное исследование, в которое были включены 11 пациентов. Были выполнены билатеральные оперативные вмешательства, причем при операции, с одной стороны, ассистировал специалист, а, с другой стороны, камерой управляла роботическая система. Авторы не отметили какого-либо отличия в продолжительности операции, однако хирурги себя чувствовали комфортнее при роботической ассистенции. Группа урологов из John Hopkins Hospital провела целый ряд операций с использованием системы AESOP, включая нефрэктомию, ретроперитонеальную лимфаденэктомию, пиелопластику, операцию Берча, орхопексию и нефропексию. При этом авторы также отметили больший комфорт при роботической ассистенцией при отсутствии разницы во времени оперативного лечения (Partin A. W. et al., 1995). В 1998 г. группа ученых во главе с Mettler применила систему AESOP для выполнения 50 гинекологических операций. В результате авторы пришли к выводу, что применение роботической системы не удлиняет время операции. Все указанные работы валидизировали применение роботической системы AESOP для ассистенции при выполнении лапароскопических операций. При помощи системы AESOP впервые была промотирована идея соло-лапароскопии. В последующем ряд авторов провели серии соло-операций, включая такие лапароскопические вмешательства, как пластика паховой грыжи, холецистэктомия, фундопликации и адреналэктомии (Geis et al.,1996, Hubens G. et al., 1999). Двумя годами позже в США было выполнено исследование по изучению безопасности и эффективности применения роботической системы для выполнения соло–лапароскопической колостомии (Balantyne et al., 2001). Во всех случаях оперативные лечения выполнялись без привлечения ассистента. Таким образом, была доказана безопасность и эффективность концепта лапароскопической солохирургии с роботической ассистенцией.
Роботическая система AESOP препроводила лапароскопическую хирургию в эру робот-ассистированной. Система смогла полноценно заменить ассистента при выполнении различных операций, предоставляя одновременно хирургу идеальную видимость и точность движений. К 1999 г. более 80 000 оперативных вмешательств было выполнено с использованием технологии AESOP. Такая установка применяется в некоторых клиниках до сих пор.

Данные системы имели узкоспециализированное направление и лишь помогали в осуществлении определенных этапов в хирургических операциях. Они не являлись в полном смысле роботизированными системами. Следующим шагом в эволюции роботической хирургии стало развитие дистанционной телероботической хирургии. Концепция данного проекта состояла в том, что хирург находится у консоли, а компьютер транслирует его движения на манипуляторы, расположенные в организме пациента. Непосредственно телеробот должен находится у операционного стола и быть способным манипулировать не только камерой, но и несколькими «руками» с инструментами. Разработки в области роботической дистанционной телемедицины были одновременно начаты тремя государственными организациями в США, что привело к созданию военного прототипа, способного обеспечить помощь раненным непосредственно на поле боя. При этом хирург находился глубоко в тылу и осуществлял манипуляции дистанционно при помощи телевизионной трансляции [5]. 
Компания Computer Motion разработала и представила роботическую систему ZEUS в 1995 году. Система тестировалась в лабораторных условиях с 1996 по 1998 годах. Первая выполненная при помощи «Зевса» операция - коронарное шунтирование, которое было проведено в 1998 году. Система основана на базе AESOP и обладает двумя подсистемами – хирурга и пациента. Подсистема хирурга состоит из консоли с видеомонитором и двумя рукоятками, контролирующими работу манипуляторов. Манипуляторы удерживают инструменты. Консоль хирурга может быть расположена в любом месте в пределах операционной. Подсистема пациента состоит из трех роботических рук, прикрепленных к операционному столу.


В последующем был предложен более эргономичный вариант, в котором присутствовала система AESOP для управления камерой. Компьютер во время операции следил за инструментами и передавал информацию камере для полноценной их визуализации. Более того, именно компьютерный интерфейс модифицировал движения рук хирурга в движение роботических манипуляторов.
Оптическая система была предоставлена компанией Karl Storz system (Karl Storz Endoscopy, Santa Barbara, CA). Для создания 3D-эффекта был предложен интересный подход. Две камеры (правая и левая) изолированно передавали сигнал со скоростью 30 кадров в секунду. Компьютер превращал их искусственно в 60 кадров в секунду и передавал их на монитор хирурга. Для работы хирург должен был надевать специальные очки, позволяющие воспринимать сигналы и модифицировать их в 3D-визуализацию.
В 2001 году с помощью этой хирургической системы было выполнено трансатлантическую операцию - лапароскопическую холецистэктомию. Пациент находился в Страсбурге (Франция), а хирург был виртуально присутствовать сидя в консоли за 3800 миль от него в НьюЙорке (США). Используя пропускную способность в 155 мс., Задержка во времени между движениями оперирующего хирурга и удаленного инструмента была минимальна.
Изначально хирургическая система ZEUS была создана для кардиохирургических манипуляций и лишь затем произошла ее валидизация в других специальностях (общая хирургия, гинекология и урология). Несмотря на работы, сообщающие об успешном выполнении серий кардиохирургических операций, система обладала целым рядом ограничений. Громоздкость системы создает выраженную сложность в формировании операционной. Неправильное расположение троакаров полностью блокирует выполнение всего оперативного вмешательства. Отсутствие тактильной чувствительности диктует хирургу необходимость полагаться на собственную интуицию в ряде моментов. При этом сами инструменты обладают лишь шестью степенями свободы. Самым главным ограничением является 3D-визуализация. Необходимость наличия специальных очков для преобразования 2D- в 3D-сигнал резко затрудняет выполнение операций. Более того, смоделированный компьютерным интерфейсом 2D-сигнал без очков выглядит размыто и не позволяет чувствовать себя комфортно ассистенту и хирургу при снятии очков. Но главным отличием системы ZEUS от других роботических систем является тот факт, что компания Computer Motion создала интегрированный роботический продукт для операционной вместо иммерсионного интуитивного интерфейса. Именно этот факт позволяет системе выступать лишь в качестве ассистента, а не как оперирующий хирург. Все попытки компании популяризировать свой продукт сошли на нет в 2003 г., когда компания Intuitive Surgical поглотила компанию Computer Motion, ознаменовав тем самым завершение времени существования хирургической роботической системы ZEUS.

В 1980-х гг. ученые NASA начали разработку дисплея, который представлял бы так называемую виртуальную реальность (head-mounted virtual-reality display). Ученый из NASA Scott Fisher и пластический хирург из Стэнфордского университета Joe Rosen видели потенциальные преимущества виртуального присутствия хирургов в операционном поле и возможности манипулирования в нем руками робота, который находится на расстоянии.



Scott Fisher

Joe Rosen
Для разработки руки работа они сотрудничали с Phil Green.


В течение следующих десяти лет концепция была реализована и представлена в DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) для лечения больных неподалеку от поля боя врачом который находится в безопасном месте за линией фронта.
Источники
1.                 A robot with improved absolute positioning accuracy for CT quided stereotactic brain surgery / Y. S. Kwoh et al. // IEEE Trans. Biomed. Eng. – 1988. – Vol. 35. – Р. 153– 160.
2.                 Davies, B. A review of robotics in surgery / B. Davies // Proc. Inst. Mech. Eng. – 2000. – Vol. 214. – Р. 129–140.
3.                 Robotics in surgery / S. Bann et al. // J. Am. Coll. Surg. – 2003. – Vol. 196. – Р. 784– 795
4.                 The first clinical application of a «hands-on» robotic knee surgery system / M. Jakopec et al. // Comput. Aided. Surg. – 2001. – Vol. 6. – Р. 329–339.
5.                 Robotics in reproductive medicine / S. P. Dharia et al. // Fertil Steril. – 2005. – Vol. 84. – Р. 1–9.
Made on
Tilda