O nieuchronności robotów - czyli o tym - co roboty robią w kardiochirurgii W 2000 roku Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu rozpoczęła polski projekt robota kardiochirurgicznego, finansowany przez Komitet Badań Naukowych. We współpracy z inżynierami z Łodzi, Warszawy i Gliwic powstaje oryginalne urządzenie, które przejdzie pierwsze testy na zwierzętach w 2003 roku. Słowo o kardiochirurgii W sposób typowy dostęp do serca uzyskuje się przez sternotomię - szerokie otwarcie klatki piersiowej z rozcięciem mostka. Jest to część zabiegu powodująca znaczny uraz tkanek, zagrożenie infekcją oraz innymi komplikacjami. Dlatego kardiochirurdzy wprowadzają, jeśli to tylko nie ogranicza efektywności i bezpieczeństwa w czasie zabiegu, metody małoinwazyjne, operując przez niewielkie otwory w powłokach ciała pacjenta. Dążenie do zmniejszenia inwazyjności operacji i wymóg wielkiej dokładności spowodował rozwój nowych narzędzi - telemanipulatorów (robotów medycznych). Robot składa się z mechanicznego manipulatora, systemu sterowania i programowania. Opisywane roboty, stosowane w kardiochirurgii, należy zaliczyć do klasy teleoperatorów tzn. robotów zdalnie sterowanych przez operatora lub komputer, przenoszący na odległość funkcje motoryczne i sensoryczne operatora. Roboty kardiochirurgiczne Stosowane obecnie klinicznie roboty kardiochirurgiczne wywodzą się z zarzuconego programu wojen gwiezdnych prowadzonego przez NASA (firma Computer Motion CMI) oraz Pentagon (firma Intuitive Surgical IS). Założona w 1989 r. firma CMI dąży sukcesywnie do wprowadzenie inteligentnej sali operacyjnej (Intelligent OR Operating Room). W pierwszym etapie opracowano system pozycjonowania endoskopu AESOP (Auto Endoscopic System for Optimal Positioning). Warto zwrócić uwagę, że system sterowany głosem umożliwiający chirurgowi samodzielne posługiwanie się kamerą, bez udziału asystenta stał, się bardziej popularny niż sterowany ruchem głowy system Endoassist (Endosista - Armstrong Healthcare, UK). Na wiosnę 2000 roku firma Computer Motion (CM) ogłosiła wykonanie ponad 100 tys. operacji wykonywanych przy pomocy robotów małoinwazyjnych (głównie AESPOP'a) w szerokiej gamie aplikacji chirurgicznych obejmujących: chirurgię ogólną, ginekologię, urologię, kardiochirurgię i chirurgie kręgosłupa. Znaczny udział w tym przedsięwzięciu ma zespół prof. A. Bochenka z Katowic. Zeus Robotic Surgical System pozwala na wykonywanie operacji na sercu. ZEUS (Zeus Robotic Surgical System) składa się z trzech interaktywnych ramion montowanych do stołu operacyjnego, komputerowego sterownika i ergonomicznej konsoli chirurga. Jedno ramię to pozycjonowana głosem kamera endoskopowa (AESOP), dwa następne ramiona są sterowane pośrednio przez chirurga który wykonuje zabieg. W styczniu 1998 zespół francuski wykonał pierwszą na świecie endoskopową operację (da Vinci) pojedynczego pomostu wieńcowego CABG (LITA - LAD; left internal thoracic artrey - left anterior descending), w maju pierwszą operację wewnątrz serca - plastykę zastawki mitralnej. W tym samym miesiącu dołączył do niego zespół niemiecki z Lipska. Da Vinci firmy Intuitive Surgical (Mountain View, CA) posiada: konsolę obserwacyjną i kontrolną chirurga, oraz układ chirurgicznych ramion i narzędzia oraz kamerę endowizyjną. Trzy ramiona zamocowane są do stabilnej kolumny stojącej na części jezdnej. 2000-2015 Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 1/5
Perspektywy aplikacji robotów Jak wynika z analiz przeprowadzonych przez firmę Computer Motion, 72% operacji małoinwazyjnych (jest ich rocznie wykonywanych ok. 4 mln) można wykonać za pomocą robotów. Najistotniejszym obszarem zastosowania robotów jest wykonywanie zabiegów bez zatrzymywania serca. W Katedrze Kardiochirurgii w Katowicach, jako pierwszym ośrodku w Polsce, stosowany (do tej ponad 260 razy) jest asystent-robot, AESOP, w czasie pobierania tętnicy piersiowej. W roku 2002, stosując wypożyczonego robota - Zeus (zresztą tego samego, który wykonał pierwszą operację transatlantycką), wykonano pierwsze w Polsce operacje pełnym robotem kardiochirurgicznym (A.Bochenek, M.Cisowski). Istniejące możliwości techniczne pozwalają na "teleuczenie" lub doradztwo. Telechirurgia, odnotowuje również pierwsze sukcesy. Do Operacji Lindbergh wykorzystano system telechirurgiczny opracowany przez firmę CMI, w którym sygnały sterujące robotem przekazywane były na odległość 7 tys. km, z Nowego Jorku do szpitala w Strasburgu (Francja). Lekarze za pomocą robota ZEUS usunęli pęcherzyk żółciowy 68-letniej pacjentce. Opóźnienie podmorskiej sieci światłowodowej przesyłającej sygnały nie przekraczało 155 ms. (ze względów bezpieczeństwa opóźnienie nie może przekraczać 200ms.). W roku 2002 przeprowadzono kolejną operację, tym razem w Berlinie (rak prostaty). W odróżnieniu od rozpowszechnionych już sterowanych głosem kamer endoskopowych (ponad 100 000 zastosowań) roboty kardiochirurgiczne (Zeus i da Vinci) od 1998 pracują tylko na ponad 200 salach kardiochirurgicznych na świecie. Niełatwo podać wiarygodną liczbę operacji przeprowadzonych robotem i zakres ich zastosowania w operacjach. Można szacować, że do dziś kilka tysięcy operacji na sercu wykonano z pomocą robotów, ale w pełni endoskopowo, od początku do końca operując tylko robotem pewnie nie więcej niż 10% tej liczby. Wprowadza się techniki "wiązane" w których część zabiegu, znacznie zmniejszająca traumatyzację, wykonywana jest za pomocą robota a, następnie kończona jest w sposób małoinwazyjny (MIDCAB, OPCAB). Polski projekt robota kardiochirurgicznego W 2000 roku Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu rozpoczęła polski projekt robota kardiochirurgicznego, finansowany przez Komitet Badań Naukowych. We współpracy z inżynierami z Łodzi, Warszawy i Gliwic powstaje oryginalne urządzenie, które przejdzie pierwsze testy na zwierzętach w 2003 roku. Zakres prowadzonych prac obejmuje prace projektowe, konstrukcyjne i badawcze robota, wyszukiwanie najefektywniejszego zakresu jego stosowania i opracowanie strategii jego zastosowania oraz rozbudowane planowanie operacji. W fazie projektowania wykonano szereg modeli. Testowano sterowanie głosem i ruchem dłoni za pomocą opracowywanych zadajników modeli robotów o różnej budowie i sposobie działania. Po wykonaniu wszystkich elementów robota jego działanie zostanie przetestowane na specjalnie wykonanych symulacyjnych stanowiskach badawczych, które zostaną wykorzystane później do szkolenia stosowania tego urządzenia. Powstający polski robot kardiochirurgiczny o nazwie RobIn Heart ma strukturę segmentową, umożliwiającą zestawienie sprzętu dla różnych typów operacji. Samodzielny człon stanowi sterowana głosem lub ręcznie kamera endowizyjna o szerszym, również poza kardiochirurgą, zasięgu stosowania. Ergonomiczna konsola sterownicza powstaje przy ścisłym współdziałaniu z lekarzami i studentami (następcami obecnych chirurgów). O czym dyskutowano w Zabrzu 18 czerwca 2002 roku? Pierwsza część konferencji poświęcona była lekarzom. Rozpoczęto od postępów laparoskopii przedstawionych przez dr W.Korlackiego z Akademickiego Centrum Chirurgii Małoinwazyjnej w 2000-2015 Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 2/5
Zabrzu. Nastepnie dr R. Przybyslski wprowadził słuchaczy w tajniki chirurgii małoinwazyjnej w kardiochirurgii. Opisał szczegółowo przedstawioną na filmie operację naprawczą zastawki mitralnej. W dalszej części najpierw dr M. Cisowski, a następnie prof. A. Bochenek przedstawili swoje, pierwsze w Polsce, doświadczenia w klinicznym stosowaniu robota AESOP oraz ZEUS. Krótko można by je zwieńczyć takim zdaniem: "kamera endowizyjna sterowana głosem AESOP to już w pełni wydajne, pożyteczne narzędzie, natomiast robot operujący ZEUS stawia jeszcze sporo problemów i na pewno pomimo zastosowania najnowocześniejszych technologii, nie jest narzędziem doskonałym". Stąd wszyscy z dużym zaciekawieniem czekali na przedstawienie naszych rozwiązań. Na konferencji Roboty Kardiochirurgiczne 2002 zostało przedstawione rozwiązanie złożone z przed-prototypu ramienia robota RobIn Heart wykonanego w Politechnice Łódzkiej (fot.1) przez grupę prof. Podsędkowskiego oraz kamery endowizyjnej umieszczonej w sferycznym modelu ramienia wykonanym przez P. Stożka na podstawie wstępnego projektu Z. Nawrata. Razem tworzą układ, w którym jedno ramię sterowane jest komputerem, a drugie zadajnikiem manualnym (joystic) lub głosem. W Pracowni Biocybernetyki opracowano kilka projektów wykorzystujących do sterowania zarówno głos lekarza, jak i ruch dłoni za pomocą różnego rodzaju zadajników. Opracowano zarówno układy sterowania robotem wygodne dla chirurgów ze sporym doświadczeniem laparoskopowym jak i chirurgów, młodego pokolenia, dla których komputer stanowi zupełnie naturalne środowisko. Opracowywane rozwiązanie jest oryginalne. Znaczny postęp uzyskano w zakresie możliwości doradczych robota przez wprowadzenie równoległego, na żądanie chirurga oglądu obrazów diagnostycznych pacjenta oraz obrazów i danych uzyskanych w trakcie symulacji operacji przed jej rozpoczęciem. Wpływa to na bardziej przyjazny dla chirurga i bardziej bezpieczny dla pacjenta sposób przeprowadzenia operacji. Pracownia Biocybernetyki IPS FRK jest znanym w Polsce specjalista w dziedzinie symulacji operacji chirurgicznych. Zupełną nowością w skali światowej są próby opracowania oprzyrządowania robota przez specjalne pół-automatyczne narzędzia do wykonania operacji małoinwazyjnego wszczepienia komór wspomagania serca. Będzie to w przyszłości pewne zwieńczenie prowadzonych od wielu lat eksperymentów klinicznych z komorami Polvad. Polski robot został nazwany: RobIn Heart. Mając niewielkie środki próbujemy w Polsce zrobić precyzyjne narzędzie dla chirurgów do operacji na sercu, która umożliwi szerszej grupie chorych na korzystanie z tej, najnowocześniejszej medycyny. Obok genialnego wynalazcy Da Vinci i mocnego Zeusa pojawia się od dzisiaj: sprytny, precyzyjny RobIn Heart, który ma umożliwić również dostęp do nowoczesnej medycyny mniej zamożnym. Polski robot ma być bardziej przyjazny dla chirurga. Rozumiemy to w taki sposób, że oprócz niezbędnej precyzji musi być dostosowany do chirurga, by maksymalnie wykorzystać jego cechy motoryczne oraz, by chirurg mógł w każdej chwili wykorzystać program doradczy w czasie operacji. Po pierwsze, jesteśmy gotowi opracować zadajnik ruchu dopasowany do indywidualnych cech operatora. W tej chwili jest testowanych kilka rozwiązań, zarówno dla chirurgów z dużym doświadczeniem operowania narzędziami laparoskopowymi, jak i dla tych, którzy najlepiej radzą sobie z typowymi urządzeniami do obsługi komputera. Program doradczy to inteligentna baza danych, zawierająca wszystkie dane diagnostyczne pacjenta (włącznie z obrazami) oraz dane uzyskane w procesie przygotowania i planowania operacji. Planowanie operacji obejmuje określenie krok po kroku wszystkich etapów operacji i odpowiadającej im choreografii narzędzi operacyjnych. Ale najistotniejszą informacją w niej zawartą jest wynik symulacji przeprowadzony dla różnych wariantów operacji. Pracownia Biocybernetyki Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii jest pionierem w kraju w tej dziedzinie. Ponieważ każda z metod symulacji ma swoje ograniczenia, by zminimalizować błąd przeprowadzamy równolegle dla jednego problemu symulacje metodami 2000-2015 Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 3/5
komputerowymi (symulacja przepływu, modele analogowe) oraz metodami laboratoryjnymi (modele fizyczne). Chirurg w czasie operacji może głosem wezwać na ekran monitora dowolny fragment opisanej tu bazy danych. Planujemy przeprowadzenie w przyszłym roku próby sterowania na odległość robotem. Jeden z testów przewiduje operacje na zwierzęciu w Katowicach-Ligocie ze stanowiska w Zabrzu (Prac.Biocyb.FRK) i chcielibyśmy tą operację pokazać w internecie. Poza robotem, powstał w Polsce nowy kierunek badań i aplikacji. Gdy dwa lata temu rozpoczynałem poszukiwania zespołu adekwatnego do tego zadania, nie było nikogo. Poszukiwałem nietypowych rozwiązań. Ogłosiliśmy w mediach, że szukamy współpracowników. Szukałem specjalistów najwyższej klasy, ale i młodych, ambitnych ludzi. Namawiałem kierowników katedr na wielu uczelniach by dawali odpowiednie tematy prac magisterskich, dyplomowych młodym ludziom i sami zainteresowali się nową dziedziną techniczną. Obecnie już blisko setka osób może się uważać za specjalistów. Szereg młodych ludzi studiujących medycynę czy nauki techniczne zaczyna wiązać swoją przyszłość z robotyką chirurgiczną i stanowi to dla nich bazę umiejętności, wiedzy i aktywności. Właśnie na tym opieram przekonanie, że musi nam się udać. Wnioski Obecnie coraz chętniej roboty są wykorzystywane jako efektywni, mechaniczni asystenci w czasie wykonywania zabiegów kardiochirurgicznych. Wprowadzenie robotów (teleoperatorów) chirurgicznych umożliwi wykonanie zabiegów na odległość co ma istotne znaczenie w przypadku braku fachowego personelu obok pacjenta (pole walki, katastrofy, lot kosmiczny). Brak bezpośredniego kontaktu z ciałem pacjenta zmniejszy ryzyko utraty zdrowia z powodu infekcji przez chirurgów. W zastosowaniach kardiochirurgicznych największy postęp tkwi w możliwości operowania przy zamkniętej klatce piersiowej na bijącym sercu. Interesujące są próby zastosowania komputerowego planowania operacji i zaangażowania robotów do implantacji sztucznych narządów opracowywane w FRK w Zabrzu. To oczywiście początek drogi dla robotów w kardiochirurgii. Obecnie jedynie 15% pacjentów przeznaczonych do wykonania zabiegu jednego pomostu naczyniowego "by-passu" i to dla zespolenia na czołowej, łatwo dostępnej ścianie serca, może być operowanych przy pomocy robota. Robota, który kosztuje ok. milion dolarów. Zbigniew Nawrat z Adrianem Kantrowitzem (poniżej). 2000-2015 Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 4/5
Adrian Kantrowitz ogląda zastawkę w testerze. 2000-2015 Activeweb Medical Solutions. Wszelkie prawa zastrzeżone. str. 5/5