Уперше в історії хірургії робот провів лапароскопічну операцію зі зшивання кишківника без втручання людини. Роботу STAR довірили з’єднання сегментів кишок свиням під наркозом через невеликі отвори у тілі. За допомогою інфрачервоних маркерів “залізний хірург” відстежував положення тканин та планував нанесення швів. Він також реагував на деформацію тканин, наприклад, під час дихання свині. Експеримент виявився успішним. Люди втручалися в роботу “свого колеги”, коли той повідомляв про помилку під час нанесення шва чи пропускав його.
У хірургічних відділеннях роботи працюють вже давно. Вони асистують хірургам, які керують механізованими руками, спостерігаючи за процесом за допомогою камер. Точність таких маніпуляцій з часом лише зростає. Адже механічне втручання дає змогу досягти мінімального травмування, знижує ризик інфекцій і скорочує період відновлення, забезпечуючи при цьому узгодженість дій незалежно від навичок та досвіду хірургів.
Рівні автономії медичних роботів різні: від простого дистанційного керування з постійним контролем з боку людини до самостійної операції без втручання фахівців.
Найбільш відомим експериментом стала хірургічна роботизована система da Vinci, що працює під контролем лікаря. А перша демонстрація самостійності роботів – проведена на свині ще в 2016 році операція зі з’єднання сегментів кишківника методом накладання швів. Там втручання хірурга було мінімальним.
Однак про лапароскопічні операції – втручання через невеликі отвори у тілі – за участі роботів відомо лише на моделях у лабораторіях.
У цій революційній роботі вчені з університету Джонса Гопкінса вперше продемонстрували робота STAR (Smart Tissue Autonomous Robot). Він самостійно провів анастомоз кишківника свині, яка перебувала під наркозом.
Робота для робота
Анастомоз кишківника дуже складна операція. Під час її проведення важливі відстань між швами, їхній розмір та натяг. Правильно зроблені шви покращують результати лікування та знижують частоту рецидивів і післяопераційних ускладнень. Складність втручання полягає ще й у тому, що воно проводиться на м’яких тканинах кишківника, які створюють великі труднощі для хірургів через непередбачувані еластичні та пластичні зміни.
Отже, і хірурги, і роботи повинні постійно пристосовуватися до непередбачуваних ситуацій. Саме тому ця операція є найкращим завданням для перевірки професіоналізму медичних роботів.
STAR вирішили випробувати під час лапароскопії, а не відкритого втручання. У таких умовах видимість обмежена тим, що бачить камера, а доступ — отворами в кілька сантиметрів. STAR мав відстежувати стан тканин, враховувати дихання тварини, а також інформувати хірурга про свої дії, зміну планів та помилки.
У цьому йому допомагали програмне забезпечення та машинний зір через інфрачервоні камери й монохромний 3D-ендоскоп. Система камер дозволяє залізному хірургу самостійно відстежувати нанесені на тканини маркери, видимі в інфрачервоному діапазоні, незалежно від умов освітлення, а також планувати власні рухи. Двовимірне зображення камери використовувалося як візуальний зв’язок з оператором.
Алгоритм операції
STAR самостійно оцінював, коли пацієнт не дихав, а його тканини не рухалися. Робот створював два плани на накладання швів, які мали з’єднати два інфрачервоні маркери, та питав у хірурга, який обрати. Якщо план затверджували, робот приступав до накладення швів, а потім знову оцінював стан тканин. Коли він помічав відхилення більш ніж на три міліметри, запитував: чи є необхідність змінювати встановлений раніше план. Якщо ж накласти шов роботу не вдавалося і він, наприклад, не проходив крізь два шари тканини, оператор через інтерфейс самостійно накладав його. Потім STAR продовжував операцію.
Хоча хірург і втручався під час пропуску шва чи його накладання, понад 83% завдань STAR виконав самостійно. Основною метою експерименту було знизити навантаження на людину за рахунок додаткових автономних функцій.
Під час попереднього експерименту, де втручання було відкритим, самостійно робот наклав менше 60% швів. До того ж він не мав можливості оцінити дихання пацієнта і пропонувати різні варіанти своїх дій. Натомість STAR забезпечив помітно більшу автономність і точність операції.
Розвантажити лікарів
Лапараскопічну операцію було проведено на чотирьох свинях. “Залізний хірург” впорався за 62 хвилини. Загалом STAR зробив 86 швів. Через тиждень пацієнтам провели розтин, щоб оцінити якість втручання та порівняти його з контрольною твариною, якій операцію провели вручну.
Гістологічний аналіз не побачив різниці між експериментальною і контрольною групами. Шви під час перевірки тиском виявилися однаково герметичними.
Попри позитивний результат, STAR має деякі обмеження. Його робота все ще залежить від зручного для нього положення пацієнта, обмежень систем машинного зору та можливості оцінити взаємодію інструментів з тканинами.
Вчені також провели серію експериментів на штучних тканинах. Вони порівнювали роботу STAR з роботою хірургів та операціями, проведеними системою da Vinci під керуванням людини. І хоча поки цього недостатньо, ця операція є доказом працездатності нової системи, яка здатна забезпечити самостійність STAR.
У майбутньому цей “залізний хірург” може допомогти знизити навантаження на лікарів. Люди виконуватимуть винятково наглядову роль, щоб гарантувати пацієнтам безпеку під час проведення складних операцій.
Джерело: Наука