Polskie roboty do operacji tak kardiochirurgicznych to Powstało Robin Heart Polskie roboty do operacji kardiochirurgicznych TEMAT NUMERU Wszystko zaczęło się od rozmowy fizyka Zbigniewa Nawrata i lekarza Zbigniewa Religi: Nazwiemy go Robin Heart Profesorze!. OK. A kiedy będę nim mógł operować?. A dlaczego Robin Heart? Bo nasz robot budowany jest za małe pieniądze, ale za to z wielkim sercem. Gdy w kwietniu 2000 r. w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu rozpoczynaliśmy projekt polskiego robota chirurgicznego, nie było w Polsce nikogo, kto tak naprawdę znałby się na tej dziedzinie. Dzisiaj wiele uczelni ogłasza swoją aktywność naukową w dziedzinie robotów medycznych Politechnika Łódzka i Warszawska, Śląska i Wrocławska, Uniwersytet Śląski, AGH w Krakowie, politechniki w Gdańsku i Poznaniu oraz Śląski Uniwersytet Medyczny. Rozwój robotyki medycznej w Polsce w znaczący sposób został zainicjowany naszym projektem robota Robin Heart oraz organizowanymi przez nas konferencjami i spotkaniami. Można powiedzieć, że jest związany z naszym sposobem działania. W 2000 r. zdecydowaliśmy, że oprzemy nasz projekt o młody zespół, który trzeba będzie zbudować od podstaw. Ogłosiliśmy w mediach, że poszukujmy chętnych do współpracy z nami nad tym projektem, zwie- Fot. 1. Robot kardiochirurgiczny da Vinci W kolejnych numerach EP opublikujemy artykuły opisujące szczegóły funkcjonowania robota. dziłem wiele uczelni i grup badawczych w kraju w poszukiwaniu osób, które zechcą z nami rozpocząć tą przygodę. Miałem szczęście. Prof. Leszek Podsędkowski z Łodzi i dr Krzysztof Mianowski z Warszawy, świetni specjaliści mechanicy i przy tym prawdziwi nauczyciele. Wykonali z nami kawał dobrej roboty. Ówcześni magistranci dzisiaj są już adiunktami dzieląc się swoją wiedzą z następnymi rocznikami studentów. Podejmując się konstrukcji polskiego robota chirurgicznego zdawaliśmy sobie sprawę z istnienia wielu przeszkód, które przyjdzie nam pokonać. Ze względu na trudności techniczne, wymagany ogromny 63
tak to Powstało nakład pracy, myśli technicznej i przede wszystkim pieniędzy, na świecie nie ma zbyt wielu konstrukcji tego typu. Jednym z pierwszych seryjnie wytwarzanych robotów chirurgicznych typu Master-Slave był teleoperator Zeus firmy Computer MotionCM (Goleta, CA). W części Slave, składa się on z trzech ramion mocowanych do stołu operacyjnego: jedno z kamerą sterowaną głosem (AESOP) oraz dwóch wyposażonych w narzędzia chirurgiczne. Firma CM wprowadziła w 1994 na rynek pierwszy system zdalnego pozycjonowania endoskopu AESOP (Auto Endoscope System for Optimal Positioning). Kolejny i chyba najbardziej znany, to robot da Vinci (fot. 1) firmy Intuiitve Surgical (rok temu firma ta przejęła firmę CM). Jest on oparty na systemie zwartego układu (master), czyli konsoli chirurga z okularem stereoskopowym i manetkami manipulacyjnymi, oraz układu slave trzech ramion zamontowanych na jednej kolumnie, wyposażonego w kamerę i komplet narzędzi do wymiany. Najnowszy produkt da Vinci posiada trzecią rękę, której potrzebę dla niektórych rodzajów zabiegów wykazały doświadczenia kliniczne. Najpopularniejszy (ponad 200 tys. operacji) zrobotyzowany asystent chirurgów, AESOP firmy Computer Motion (fot. 2), sterowany jest głosem. Pozwala on na swobodne sterowanie położeniem i funkcjami obrazowymi kamery endoskopowej. System analizuje i realizuje rozkazy dźwiękowe. Z mniejszym zainteresowaniem spotkał się angielski system EndoAssist (Armstrong Healthcare Ltd, High Wycombe, Wlk.Brytania), w którym chirurg kontroluje ruchami głowy kamerę. Kamera porusza się, gdy zostanie wciśnięty nogą pedał. EndoAssist jest stosowany do przeszło kilkuset zabiegów chirurgicznych. Przy pomocy takich robotów, jak sterowany Dr Zbigniew Nawrat jest doktorem nauk medycznych, fizykiem z wykształcenia, następcą profesora Zbigniewa Religi na stanowisku dyrektora Instytutu Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Jest również adiunktem w Katedrze Kardiochirurgii i Transplantologii Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, gdzie prowadzi jedyne w Polsce zajęcia z przedmiotu Sztuczne narządy. Jest między innymi projektantem komór wspomagania serca POLVAD, które zostały wdrożone klinicznie w 1993 r. Twórca i organizator konferencji BioMedTech Silesia (w marcu) i Roboty Medyczne (w grudniu), na które co roku zaprasza szerokie grono profesjonalistów i pasjonatów do Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii. głosem AESOP lub sterowany położeniem głowy EndoAssist chirurg może samodzielnie sterować położeniem kamery endoskopowej, służącej jako jego oczy w zamkniętym obszarze pola operacji. Kiedy rozpoczynaliśmy pracę nad polskim robotem Robin Heart (fot. 3), podzieliliśmy projekt na kilka modułów. Bardzo ważnym i od razu rzucającym się w oczy elementem jest manipulator trzymający narzędzie chirurgiczne, ale niemniej istotny jest interfejs użytkownika. Musi on zapewnić szeroko rozumianą ergonomię pracy i wygodę lekarzowi użytkownikowi podczas trwających nierzadko wiele godzin operacji. Dlatego też, po manipulatorze opracowaliśmy konsolę sterującą Robin Heart Shell, a teraz trwają prace nad Robin Heart Vision, innym manipulatorem, którego zadaniem jest wyeliminowanie uciążliwej fizycznie pracy asystenta, pozycjonującego kamerę laparoskopową podczas wykonywanych zabiegów. Zastąpi on asystenta trzymającego i sterującego położeniem toru wizyjnego i umożliwi wykonanie części operacji solo, przez jednego operującego. Jesteśmy gotowi do jego wdrożenia. Fot. 2. asystent AESOP firmy Computer Motion Fot. 3. Robot kardiochirurgiczny Robin Heart 64
Polskie roboty do operacji kardiochirurgicznych Przeciętny człowiek może zadać sobie pytanie: po co buduje się takie roboty jak nasz Robin? Pierwszym, najważniejszym powodem jest zwiększenie precyzji pracy chirurga. Manipulator trzymający narzędzie nie ma lepszych i gorszych dni, nie choruje, nie drżą mu mechaniczne ręce, jest pewnie przymocowany do stołu operacyjnego zapewniającego mu stabilność. Jego działanie polega na dokładnym powtarzaniu ruchu ręki operującego chirurga, ale z pewnymi inteligentnymi ograniczeniami. Dzięki temu przypadkowy, gwałtowny ruch ręki nie musi przełożyć się na nieintencjonalne uszkodzenie narządów wewnętrznych pacjenta. Niezmiernie istotna jest również dokładność i automatyzacja wykonywanego ruchu. Można dzięki nim zmniejszyć uraz pooperacyjny oraz wykonywać prawdziwe zabiegi mikroinwazyjne (laparoskopowe, endoskopowe). Drugim powodem jest to, że operacja może być wykonywana zdalnie np. przez lekarza specjalistę mieszkającego w miejscu odległym od sali operacyjnej. Informacja o istotnych wielkościach typu: wartości przemieszczeń zadawanych przez chirurga, generowane siły na końcówce operacyjnej (skalpelu, igle, kleszczykach, nożyczkach itd.) czy też informacje dotykowe o sztywności tkanki są między tymi dwoma głównymi składnikami systemu przekazywane za pomocą transmisji przewodowej, w której pośredniczy moduł sterowania z zabezpieczeniami eliminującymi praktycznie do zera możliwości niebezpiecznego wpływu zakłóceń. Dzięki temu udało się m.in. wykonać transatlantycką operację resekcji woreczka żółciowego na dystansie Nowy Jork Strasburg, pomyślnie zakończoną dla pacjenta. Dodatkowo udało się wyeliminować tremor przenoszący się z dłoni chirurga na operowany organ, co stało się prawdopodobnie największą zaletą tych wysokospecjalistycznych zrobotyzowanych asystentów chirurga stosowanych w chirurgii zmniejszonego urazu. Zapewne w niedalekiej przyszłości możliwa będzie też pewna automatyzacja wykonywanych zabiegów w taki sposób, że autonomiczne roboty będą mogły samodzielnie wykonywać pod nadzorem człowieka rutynowe operacje związane np. z wymianą zużywających się elementów pomp serca czy wymianę implantów. Współczesna medycyna wymaga od lekarzy sprawnego korzystania z coraz większej ilości informacji diagnostycznych. Nasza konsola o nazwie Robin Heart Shell (fot. 5), przeznaczona do sterowania robotem przez lekarza, wyposażona jest w program doradczy umożliwiająca w czasie operacji zapoznanie się z wszystkimi informacjami diagnostycznymi pacjenta oraz elementami planowania operacji. W odróżnieniu od innych systemów, ma ona konstrukcję ażurową, wykonaną w formie szkieletu z profili Fot. 4. Przygotowanie manipulatora do testów na manekinie metalowych. Na środku, tuż nad kolanami siedzącego lekarza znajdują się wspomniane monitory, natomiast zadajniki, w formie odpowiedniej do stosowanych narzędzi i preferencji operującego, zainstalowane są na poziomie jego głowy. Taki układ sprawia wrażenie przebywania chirurga tuż nad operowaną tkanką, w sposób, przy którym punkt wejścia narzędzi laparoskopowych do wnętrza ciała (tzw. porty trokarowe), znajduje się nad głową lekarza. Przedstawione rozwiązanie jest bardzo intuicyjne, co pozytywnie wpływa na szybkość nauki pracy z nowym robotem, a przede wszystkim poprawia wygodę zabiegu. Inspiracją do stworzenia konsoli była praca chirurga, operującego pacjenta w niewygodny, tradycyjny sposób. Zawarcie całego centrum sterowania zestawem urządzeń z rodziny Robin Heart w jednej, dostosowywanej do indywidualnych potrzeb konsoli, uwzględnia wszystkie potrzeby pracy na sali operacyjnej. Jak przystało na telemanipulator, konsola pozwoli w przyszłości również na pracę zdalną, podczas której chirurg może być nawet wiele kilometrów od operowanego pacjenta, co daje nowe możliwości w ekstremalnych warunkach. Podobne potrzeby były inspiracją do konstrukcji robota Robin Heart Vision. Trzymanie kamery laparoskopowej podczas operacji naprawdę nie jest zadaniem przyjemnym. Musi ona być wprowadzona do ciała pacjenta przez stosunkowo niewielkie nacięcie oraz pokazywać operującemu lekarzowi ściśle określony obszar. I tu zaczyna się nierzadko trwający kilka godzin taniec proszę w prawo, proszę w lewo, trochę w dół, teraz tak trzymać, nieruchomo!. Nasz manipulator pozwala ustawiać kamerę w sposób taki, jaki najbardziej odpowiada le- 65
tak to powstało Fot. 5. Konsola Robin Heart Shell karzowi i to przez samego lekarza z użyciem mechanicznego asystenta. Pierwsze testy w warunkach prawdziwej sali operacyjnej zostały przeprowadzone na specjalnie wyhodowanych świniach domowych (fot. 6). Operacje odbyły się 21 i 22 stycznia br. w Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. Podczas testów sprawdzano zachowanie prawie wszystkich modeli ramion Robin Heart podczas dwóch zabiegów: wycięcia pęcherzyka żółciowego, a także naprawy zastawki mitralnej serca (przy zastosowaniu sztucznego płuco-serca). Przeprowadzone eksperymenty ujawniły doskonałe przygotowanie robotów do pełnienia swoich funkcji w praktyce, a dodatkowe uwagi lekarzy, przeprowadzających zabieg, pozwolą ostatecznie doszlifować testowane konstrukcje. Ramię endoskopowe Robin Heart Vision zostało natomiast zaakceptowane od razu, bez żadnych poprawek. Dziś możemy już mówić o tym, że rodzi się polska rodzina robotów chirurgicznych o wspólnej nazwie Robin Heart. Jest ona szansą na wprowadzenie do praktyki klinicznej nowoczesnych, sprawnych narzędzi dla chirurga. Dzięki nim będzie można w szerszym zakresie stosować technikę operacji mniej inwazyjną dla pacjenta, bezpiecznie dla pacjenta i... lekarza. W przyszłości roboty będą zajmowały się serwisowaniem sztucznych narządów (zajmujemy się tym zagadnieniem w ramach projektu AORobAS Artificial Organs Robotically Assisted Surgery). Nic dziwnego, że jako jeden z głównych wykonawców projektu sztucznego serca, pierwszy na świecie uruchomiłem działania w kierunku zastosowania robotów do implantacji i serwisowania. To podejście zmienia zarówno sposób projektowania narzędzi wykonawczych robota, jak i samych implantów, tak by nadawały się do przeprowadzenia takiej interwencji. Warto w tym miejscu wspomnieć o innym, polskim osiągnięciu. Otóż Polska jest jednym z niewielu krajów posiadających oryginalny, własny system mechanicznego wspomagania serca. Opracowane w Zabrzu, zasilane pneumatycznie polskie komory POLVAD stosowane są z powodzeniem od 1993 r. Dały szansę wyleczenia serca lub doczekania transplantacji już około 200 pacjentom. Przeciętnemu człowiekowi, który nie rozumie zagadnień związanych z konstrukcją takiej komory może wydawać się, że to żadne osiągnięcie i żadna trudność. Proszę mi uwierzyć, że tak nie jest. Pompa musi być bezpieczna dla ludzkiego życia, a przecież jej elementy zużywają się i ulegają zniszczeniu (czas funkcjonowania najlepszych technologicznie, amerykańskich pomp wspomagających pracę serca sięga współcześnie 6 lat). Wszak jest to urządzenie, które musi być odpowiednio zsynchronizowane z potrzebami ludzkiego ciała oraz musi bezawaryjnie funkcjonować przez 24 godziny na dobę. W związku z tym trzeba spełnić szereg norm i wymogów związanych z bezpieczeństwem pacjenta oraz umożliwić łatwy, w miarę bezinwazyjny serwis. Wzrost możliwości obliczeniowych komputerów będzie miał wpływ na wszystkie dziedziny życia, ale przede wszystkim na rozwój bioniki i biocybernetyki. Powstałe roboty czy cyborgi będą posiadać zbliżoną do człowieka umiejętność orientacji i dostosowania się do otoczenia, więc będą mogły służyć człowiekowi jako elementy protezy narządu wzroku, słuchu czy ruchu. A być może również jako wzmacniacze inteligencji i zmysłów. Zmierzamy ku koncepcjom integracyjnym i systemowym. Głównym celem ujęcia systemowego jest opisanie i zrozumienie, w jaki sposób duża liczba różnych części oddziałuje i samoorganizuje się w całość (system), wykazującą właściwości, które nie mogą być zrozumiane w wyniku badania wyizolowanych składników. Ujęcie systemowe przekraczające poszczególne poziomy opisu wydaje się szczególnie istotne w badaniach biomedycznych. Badania systemowe pozwolą w niedalekiej przyszłości na ulepszanie ludzkich możliwości poprzez połączenie technologii z zakresu nanobiologii, biologii, informatyki i kognitywistyki (synteza wiedzy o umyśle Cognitive Science). W nurt tych badań doskonale wpisuje się projekt Organome, który zamierzamy realizować w ramach Sieci Centrów Doskonałości BioMedTech Silesia i w planowanym jako inwestycja strategiczna partnerów Centrum, celem projektu jest poznanie wszystkich interakcji sztucznych materiałów z organizmem żywym. Będzie to próba uzyskania odpowiedzi na szereg pytań o skutki stosowania nowych materiałów i technologii, o ich wpływ na reakcję organizmu od genomu do fizjomu. Jesteśmy na pierwszej linii frontu prowadzonych badań w kilku dziedzinach nauki i praktyki. Technika medyczna jest dzisiaj niezbędnym elementem postępów leczenia pacjenta. Odkąd inżynierowie stali się partnerami lekarzy, jest jasne, że to urządzenia automatyczne, programy ekspertowe, coraz bardziej samodzielne roboty będą stanowiły o jakości pomocy i upowszechnieniu wysokich standardów medycznych. Małymi krokami będziemy uniezależniali się od rygorów natury. Lecz podobnie jak postęp środków transportu morskiego od łodzi żaglowych namierzających kurs na gwiazdy do sterowanych satelitarnie nowoczesnych okrętów z własnym napędem - nie zlikwidował stanowiska kapitana, tak i pozycja lekarza, chirurga, jest niezagrożona. Pod koniec lat 90-tych prowadziliśmy pionierskie prace w kraju stosując metody modelowania i fizycznego i komputerowego do symulacji (i optymalizacji) efektów opera- 66
Polskie roboty do operacji kardiochirurgicznych Fot. 6. Testy robota Robin Heart na sali operacyjnej cji chirurgicznych. Planowanie operacji oraz elementy przygotowania treningowego można wykonać korzystając z naszych stanowisk badawczych lub wirtualnej sali operacyjnej. Wirtualna sala operacyjna, pierwsza w kraju, stanowi duże osiągniecie dydaktyczne a także jest elementem strategii testowania nowych konstrukcji już w czasie tworzenia rysunków technicznych. Zakładamy okulary i wchodzimy w trójwymiarowy świat sali operacyjnej, gdzie możemy odpowiednio ustawić roboty wokół pacjenta, sprawdzić czy umieszczenie otworów w danym miejscu pozwoli na wykonanie operacji bez przeszkód. Praca nad tak dużymi projektami, jak robot Robin Heart czy wirtualna sala operacyjna, jest oczywiście multidyscyplinarną pracą zespołową. Wymienię tylko z szacunkiem moich mistrzów i kolegów poczynając od prof. Zbigniewa Religi (bez którego nie tylko tego projektu by nie było), prof. Leszka Podsędkowskiego i jego łódzki zespół, dra Krzysztofa Mianowskiego z Warszawy oraz mój zabrzański zespół Pracowni Biocybernetyki poczynając od niezbędnego dra Pawła Kostki (Zbigniew Małota, Wojciech Dybka, Kamil Rohr, Wojciech Sadowski, Piotr Wojtaszczyk, Mariusz Jakubowski, Adam Klisowski) oraz znakomitych medyków prof. Romualda Cichonia oraz dorastającą w naszym kole naukowym, a obecnie świetnego kardiochirurga Joannę Śliwkę. Swoje osiągnięcia i pomysły prezentujemy na organizowanych przez FRK konferencjach Roboty Kardiochirurgiczne. Pierwszą z nich zorganizowaliśmy w 2002 r., by pokazać i pozwolić na publiczną weryfikację tego, co dokonaliśmy w naszym projekcie. Od początku budził on duże zainteresowanie. Na tej konferencji prezentowaliśmy nasze prace naukowe i roboty: robota sferycznego i pierwszego robota z rodziny Robin Heart - Model 0. Za rok na konferencji, która już zwyczajowo odbywa się na początku grudnia, zainaugurowaliśmy pokaz prototypu Robin Heart 1 oraz model Robin Heart 2. W tym roku mogliśmy pochwalić się nową konsolą sterującą Robin Heart Shell i robotami Robin Heart Vision oraz Robin Heart 3. Te publiczne pokazy i dyskusje, w których uczestniczyli najlepsi w Polsce specjaliści w różnych dziedzinach inżynierii i znakomici chirurdzy pozwalały nam wyciągać wnioski, kreować cele nad których realizacją pracowaliśmy potem czasami latami, wprowadzając modyfikacje i udoskonalenia. Od tego czasu wiele się zmieniło. Organizowane przez nas konferencje zyskały rozgłos w świecie i z lokalnych, krajowych stały się międzynarodowymi. Opieramy je o rosnącą sławę polskiego robota Robin Heart, która już przekroczyła granice kraju oraz rosnące zainteresowanie robotyką medyczną wśród naukowców i studentów w Polsce. Jednego nie zmieniliśmy. Każda konferencja wiąże się z pokazem naszych najnowszych osiągnięć, nowych, lepszych robotów, które już wkrótce będą stanowiły niezbędne narzędzie współczesnego chirurga. dr Zbigniew Nawrat Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze 67