Впервые в истории хирургии робот провел лапароскопическую операцию по сшиванию кишечника без вмешательства человека. Роботу STAR доверили соединение сегментов кишок свиньям под наркозом через небольшие отверстия в теле. С помощью инфракрасных маркеров «железный хирург» отслеживал положение тканей и планировал нанесение швов. Он также реагировал на деформацию тканей, например во время дыхания свиньи. Эксперимент оказался успешным. Люди вмешивались в работу «своего коллеги», когда тот сообщал об ошибке во время нанесения шва или пропускал его.
В хирургических отделениях роботы работают уже давно. Они ассистируют хирургам, которые управляют механизированными руками, наблюдая за процессом с помощью камер. Точность таких манипуляций с течением времени только возрастает. Ведь механическое вмешательство позволяет добиться минимального травмирования, снижает риск инфекций и сокращает период восстановления, обеспечивая согласованность действий независимо от навыков и опыта хирургов.
Уровни автономии медицинских роботов разные: от простого дистанционного управления с постоянным контролем со стороны человека до самостоятельной операции без вмешательства специалистов.
Наиболее известным экспериментом стала хирургическая роботизированная система da Vinci, работающая под контролем врача. А первая демонстрация самостоятельности роботов –проведенная на свинье еще в 2016 году операция по соединению сегментов кишечника методом наложения швов. Там вмешательство хирурга было минимальным.
Однако о лапароскопических операциях – вмешательстве через небольшие отверстия в теле – с участием роботов известно только на моделях в лабораториях.
В этой революционной работе ученые из университета Джонса Гопкинса впервые продемонстрировали робота STAR (Smart Tissue Autonomous Robot). Он самостоятельно провел анастомоз кишечника свиньи, находившейся под наркозом.
Работа для робота
Анастомоз кишечника очень сложная операция. При ее проведении важны расстояние между швами, их размер и натяжение. Правильно сделанные швы улучшают результаты лечения и снижают частоту рецидивов, а также послеоперационных осложнений. Сложность вмешательства заключается еще и в том, что оно проводится на мягких тканях кишечника, создающих большие трудности для хирургов из-за непредсказуемых эластичных и пластических изменений.
Следовательно, и хирурги, и роботы должны постоянно приспосабливаться к непредвиденным ситуациям. Поэтому эта операция стала наилучшей задачей для проверки профессионализма медицинских роботов.
STAR решили опробовать во время лапароскопии, а не открытого вмешательства. В таких условиях видимость ограничена тем, что видит камера, а доступ – отверстиями в несколько сантиметров. STAR должен был отслеживать состояние тканей, учитывать дыхание животного, а также информировать хирурга о своих действиях, изменении планов и ошибках.
В этом ему помогали программное обеспечение и машинное зрение через инфракрасные камеры и монохромный 3D-эндоскоп. Система камер позволяет «железному хирургу» самостоятельно отслеживать нанесенные на ткани маркеры, видимые в инфракрасном диапазоне независимо от условий освещения, а также планировать собственные движения. Двухмерное изображение камеры использовалось как визуальная связь с оператором.
Алгоритм операции
STAR самостоятельно оценивал, когда пациент не дышал, а его ткани не двигались. Робот создавал два плана на наложение швов, которые должны были соединить два инфракрасных маркера, и спрашивал у хирурга, какой выбрать. Если план утверждали, робот приступал к наложению швов, а затем снова оценивал состояние тканей. Когда он замечал отклонения более чем на три миллиметра, спрашивал: необходимо ли изменять установленный план. Если же наложить шов роботу не удавалось и он, например, не проходил через два слоя тканей, оператор благодаря интерфейсу самостоятельно накладывал его. Затем STAR продолжал операцию.
Хотя хирург и вмешивался при пропуске швов или их наложении, более 83% заданий STAR выполнил самостоятельно. Основной целью эксперимента было снизить нагрузку на человека за счет дополнительных автономных функций.
Во время предыдущего эксперимента, где вмешательство было открытым, самостоятельно робот наложил менее 60% швов. К тому же он не имел возможности оценить дыхание пациента и предлагать разные варианты своих действий. В свою очередь STAR обеспечил заметно большую автономность и точность операции.
Разгрузить врачей
Лапараскопическая операция была проведена на четырех свиньях. «Железный хирург» справился за 62 минуты. В общей сложности STAR сделал 86 швов. Через неделю пациентам провели вскрытие, чтобы оценить качество вмешательства и сравнить его с контрольным животным, которому операцию провели вручную.
Гистологический анализ не увидел разницы между экспериментальной и контрольной группами. Швы при проверке давлением оказались одинаково герметичными.
Несмотря на положительный результат, STAR имеет некоторые ограничения. Его работа все еще зависит от удобного для него положения пациента, ограничений систем машинного зрения и возможности оценить взаимодействие инструментов с тканями.
Ученые также провели серию экспериментов на искусственных тканях. Они сравнивали работу STAR с работой хирургов и операциями, проведенными системой da Vinci под управлением человека. И хотя этого недостаточно, эта операция является доказательством работоспособности новой системы, которая способна обеспечить самостоятельность STAR.
В будущем этот «железный хирург» может помочь снизить нагрузку на врачей. Люди будут выполнять исключительно наблюдательную роль, чтобы обеспечить пациентам безопасность при проведении сложных операций.
Источник: Наука