Роботы настоящего
Большинство современных роботических медицинских систем различных типов были разработаны и внедрены в ортопедии.
В ортопедической хирургии роботические системы применяются для выполнения оперативных вмешательств на суставах, включая замещение последних искусственными.
В 1990 году была разработана и представлена для ортопедического применения первая автономная роботическая система, способная сформировать впадину необходимой конфигурации и глубины при выполнении операции по замещению тазобедренного сустава. Система, получившая название Robodoc/Orthodoc может быть использована как при первичном или повторном замещении тазобедренного сустава, так и при выполнении тотального замещения коленного сустава. Для построения трехмерной модели, планирования и симуляции операции рабочая станция Orthodoc использует данные выполненного КТ исследования. Хирург, оценив и одобрив предложенный роботической системой план выполнения оперативного лечения, разрешает передачу информации хирургическому роботу Robodoc для осуществления лечения. В 1998 году было выполнено рандомизированное сравнительное исследование роботической и традиционной техники выполнения замещения тазобедренного сустава [7]. Оперативное пособие было выполнено 120 пациентам, при этом авторами не было отмечено статистически достоверной разницы в послеоперационном значении опросника Harris. Несмотря на большую длительность оперативного лечения и большую степень кровопотери при использовании роботической техники, данные послеоперационного обследования подтвердили точность замещения тазобедренного сустава. Хирургическая система Robodoc/Orthodoc является классическим представителем семейства автономных хирургических систем, выполняемых запрограммированные задания без участия хирурга. Последней разработкой в ортопедической хирургии являются гибридные полуавтономные роботические системы, представляющие собой установки небольших размеров, прикрепляющихся непосредственно к месту операции на ноге, получили название MBARS (The mini bone-attached robotic system) (Рисунок 1.14).
Рисунок 1.14 - Роботическая система MBARS
Первым мини-роботом, применяемым в ортопедии для выполнения тотального замещения коленного сустава стала система, разработанная в Университете Карнеги Меллон (Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania, USA) [22]. Аналогичная система была разработана во Франции (Praxiteles; Praxim Ltd, Grenoble, France) [72]. К настоящему времени нет достаточного количества проведенных исследований для определения эффективности применения полу автоматизированных мини-роботических систем в ортопедии.
Для выполнения однокомпонентного замещения коленного сустава была предложена и широко используется тактильная роботическая система RIO (The Robotic Arm Interactive Orthopedic Sysytem, MAKO Surgical Corp., Fort Lauderdale, Florida, USA) (Рисунок 1.15).
Рисунок 1.15 - Роботическая система RIO
При использовании тактильных систем в процессе операции предполагается активное участие хирурга. Система RIO составляет 3D модель коленного сустава пациента, используя данные выполненного КТ исследования. На основании полученной модели хирург составляет план оперативного лечения и формируя область рабочую область для роботической системы. В последующем трехмерная модель синхронизируется с реальной картиной и во время операции хирург, управляющий буром, основывается на изменениях компьютерной модели, отображаемой на мониторе. Более того, происходит автоматическая остановка ортопедического бура при выходе за пределы установленной зоны работы и/или при излишней резекции костной ткани. Интерфейс роботической системы RIO позволяет с высокой точностью произвести предоперационное моделирование вмешательства, что минимизирует риск неточного замещения сустава. Однако, при неверном планировании хода оперативного вмешательства, у системы отсутствуют механизмы, позволяющие исправить ситуацию и интраоперационно компенсировать неточность [55,70].
Roche et al. проанализировали 43 случая выполнения робот-ассистированного однокомпонентного замещения коленного сустава, выполненной при помощи системы RIO. Авторы выполнили 344 рентгенологических исследования замещенных коленных суставов и лишь в трех случаях отметили отклонения от нормального течения послеоперационного периода. Исходя из этого ученые сделали вывод о высокой эффективности применяемой методики. Более того, использование роботической системы RIO позволяет хирургу выполнять оперативное лечение используя гораздо меньший разрез, нежели при традиционной технике, что существенно укорачивает период восстановления [75]. К неоспоримым преимуществам системы относится относительно короткий период обучения, исчисляющийся по мнению ряда авторов двадцатью случаями [20].Сходными характеристиками для выполнения однокомпонентного замещения коленного сустава обладает еще одна тактильная роботическая хирургическая система, получившая название Acrobot (The Acrobot Company, London, UK). Также как и система RIO, Acrobot использует данные КТ исследования для предоперационного моделирования и обладает способностью работать исключительно в установленной до операции зоне, не позволяющей хирургу выйти за границы последней. Cobb et al. опубликовали результаты проведенного проспективного сравнительного рандомизированного исследования выполнения однокомпонентного замещения коленного сустава традиционным способом и при помощи роботической системы Acrobot. Результаты не выявили явного преимущества той или иной техники, что позволило авторам сделать вывод о необходимости проведения дальнейших исследований по сравнительному изучению робот-ассистрованной техники выполнения однокомпонентного замещения коленного сустава [19].
Еще одним видом роботических хирургических систем, применяемых в ортопедии, являются так называемые пассивные хирургические системы, получившие второе название - компьютерная навигация в артропластике. Данные системы обладают способностью мониторировать ход операции и предоставлять хирургу все необходимые данные в режиме реального времени [47,67].
Более того на основании полученных от роботической системы рекомендаций по изменению хода оперативного лечения, хирург может в любую секунду применить данные для коррекции вмешательства. Пассивные системы состоят из нескольких оптических камер, позволяющих мониторировать все движения инструментов и геометрию костей и связок. При этом камеры располагаются над пациентом и ориентируются на светодиоды, расположенные на анатомических костных ориентирах, что позволяет с большей точностью выполнять навигацию хирургических инструментов. Данный вид роботических хирургических систем предоставляет детальную информацию и рекоммендации хирургу, который всегда может следовать или игнорировать предположения системы. Кроме того, системы не ограничивают хирурга строго очерченными рамками предоперационно определенной «безопасной» зоны. Все это приводит к более точной и аккуратной работе по сравнению с традиционно открытой хирургией, особенно в периоде обучения начинающих специалистов [47,67] Ряд авторов сообщает о неоспоримых преимуществах пассивных систем при выполненииартрологических вмешательств [18,25,85], другие предоставляют данные об отсутствии каких-либо преимуществ над традиционной техникой [13,56,89]. Все это свидетельствует об остром дефиците проспективных сравнительных рандомизированных исследований с длительным периодом наблюдения. В настоящее время в доступной литературе работы, посвященные робот- ассистированным манипуляциям в ортопедии, обладают недостаточной степенью достоверности, что не может привести к формированию необходимых для следования рекомендаций. Однако, учитывая тот факт, что в последние годы применение роботических хирургических систем в ортопедии значительно увеличилось, логично предположить появление значимого числа необходимых исследований, на основании которых можно будет получить ответы на большинство вопросов о месте роботической хирургии в ортопедии.
Компании Intuitive Surgical Inc. (Sunnyvale, CA, USA) удалось выкупить создаваемой военными организациями прототип роботической системы для применения в гражданских целях.
Результатом стало появление хирургической роботической системы da Vinci, основанной на принципах дистанционной телемедицины. В настоящее время система da Vinci является единственной подобной системой и неоспоримым лидером в области роботической хирургии. Система da Vinci состоит из трех компонентов:1. Консоль хирурга (Рисунок 1.16)
2. Тележка пациента
3. Оптическая система
в)
Рисунок 1.16 - Система da Vinci
а)
(a) консоль хирурга роботической системы da Vinci S, (б) консоль хирурга роботической системы da Vinci Si, (в) консоль хирурга роботической
системы da Vinci Xi
Консоль хирурга является панелью управления всей системы и местом работы оператора, осуществляющего управление тремя инструментами- манипуляторами и камерой тележки пациента при помощи двух джойстиков и ножных педалей (Рисунок 1.17).
Рисунок 1.17 - Консоль хирурга
(а) Ножные педали и джойстики консоли хирурга da Vinci S; (б) ножные педали и джойстики консоли хирурга da Vinci Si
Движения рук хирурга полностью копируются джойстиками и передаются на манипуляторы, нивелируя тремор и обеспечивая возможность прецизионной диссекции. Ножные педали обеспечивают активацию процесса коагуляции (система оснащена как монополярным, так и биполярным типом коагуляции), переключение между рабочими манипуляторами и камерой, а также фокусировку оптической системы. При помощи консоли хирург обладает возможностью удаленного управления системой, таким образом, консоль может быть расположена за пределами операционной.
Эффект присутствия обеспечивается оптической системой, состоящей из двух параллельных камер, передающих изолированное изображение для каждого глаза (Рисунок 1.18).
б)
Рисунок 1.18 - Оптическая система роботической системы
в)
(а) Оптическая система роботической системы da Vinci S; (б) оптическая система роботической системы da Vinci Si; (в) оптическая система роботической
системы da Vinci Xi
При этом передаваемое изображение является трехмерным, что позволяет хирургу определять объемное положение органов и тканей пациента в пространстве. Каждая камера оснащена собственным источником света, имеет собственную панель управления. Для получения реального 3-D изображения одним из компонентов высокотехнологичной оптической системы является синхронизатор, обеспечивающий равномерное восприятие изолированных сигналов обоими глазами хирурга. Связь хирурга с операционной обеспечивается при помощи микрофона и динамиков, расположенных как на консоли хирурга, так и на тележке пациентка, находящейся в операционной.
Тележка пациента несет на себе рабочие манипуляторы и находится в непосредственном контакте с пациентом во время выполнения всей процедуры (Рисунок 1.19).
а)
Рисунок 1.19 - Тележка пациента
(a) тележка пациента роботической системы da Vinci S и Si с расположенными на ней рабочими манипуляторами; (б) тележка пациента роботической системы da Vinci Xi с расположенными на ней рабочими манипуляторами
Три манипулятора, с закрепленными на них инструментами, а также один манипулятор с камерой связаны с консолью хирурга при помощи компьютерного интерфейса. Во время подготовки тележки пациента к операции все манипуляторы одеваются в специальные стерильные чехлы и остаются в них на протяжении всей процедуры. Одним из отличиев системы последнего поколения
Xi является возможность установки камеры в любой из четырех манипуляторов. Для выполнения роботической хирургии используются инструменты EndoWrist, созданные по образцу человеческого запястья и обладающие семиградусной свободой движения, превосходящие объем движений кисти человека. Набор инструментов EndoWrist включает разнообразие зажимов, иглодержателей, ножниц; монополярных и биполярных электрохирургических инструментов; скальпелей и других специализированных инструментов (всего более 40 типов). Инструменты EndoWrist могут иметь диаметр 5 или 8 мм. Важной особенностью является четкое ограничение использования инструментария. Каждый инструмент может быть применен лишь десять раз, при этом при смене инструментов интерфейс распознает тип нового инструмента и число его использований (Рисунок 1.20).
б)
Рисунок 1.20 - Инструменты
(а) инструменты EndoWrist для систем da Vinci S и Si; (б) инструменты EndoWrist для систем da Vinci Xi
Дополнительное оборудование, необходимое для выполнения оперативного пособия располагается на стойке оборудования и включает в себя инсуфлятор, коагулятор, источник света, аспиратор и ирригатор. Также на стойке расположен дополнительный монитор для ассистента и компоненты оптической системы (Рисунок 1.21).
а)
б)
в)
Рисунок 1.21 - Стойка оборудования роботической системы
(a) стойка оборудования роботической системы da Vinci S; (б) стойка оборудования роботической системы da Vinci Si; (в) стойка оборудования
роботической системы da Vinci Xi
Валидизация системы da Vinci была начата кардиохирургами. В 1999 году было опубликовано первое сообщение об успешном выполнении аортокоронарного шунтирования при помощи хирургической системы da Vinci [16]. Огромную работу выполнила группа ученых из Лейпцига (Leipzig group), результатом которой стала публикация целого ряда сообщений об успешном выполнении различных кардиохирургических вмешательств, в т.ч. и на «включенном» сердце [4,63]. В феврале 2002 года кардиохирурги из Columbia Presbyterian Medical Center сообщили о первом в США проведении аортокоронарного шунтирования с использованием системы da Vinci. Сложная, но малоинвазивная операция была проведена через три небольших разреза (8-15 мм) грудной клетки для введения двух манипуляторов и эндоскопа. В ноябре 2002 года на сессии American Heart Association были представлены результаты 15 операций по устранению врожденного дефекта межпредсердной перегородки, проведенных в той же клинике, что положило начало открытой роботохирургии сердца без "вскрытия" грудной клетки. Примерно в то же время был опубликован целый ряд работ об успешном применении роботической системы в абдоминальной хирургии. Уже в 1997 году была успешно выполнена первая лапароскопическая холецистэктомия с использованием прототипа системы da Vinci [40]. Немногим позже ряд авторов сообщили об успешном выполнении целого ряда хирургических вмешательств [29,30]. В 2001 году было опубликовано сообщение о наличии технической возможности и безопасности выполнения радикальной простатэктомии с помощью хирургической роботической системы da Vinci [11].
Роботохирургия продолжает стремительно развиваться, завоевывая все большее и большее количество направлений в медицине. Стала реальностью так называемая трансконтинентальная телероботохирургия. В 2001 году хирурги успешно удалили желчный пузырь с помощью дистанционно управляемой роботической системы, установленной в одном из госпиталей Франции, находясь от пациентки на расстоянии 7000 км в Нью-Йорке. Современные средства связи обеспечили передачу сигналов в обоих направлениях (от видеокамеры лапароскопа к хирургу и обратно - от станции управления к роботу) по трансатлантическому волоконно-оптическому кабелю. Задержка сигнала составляла менее 200 мсек (безопасно допустимое отставание сигнала составляет около 300 мсек) [57]. В настоящее время активно развивается трансоральная роботическая хирургия, хирургия головы и шеи, гинекологическая роботическая хирургия. К 2014 году имеет место более чем 7000 публикаций, посвященных роботической хирургии, 3102 системы da Vinci инсталлированы в более чем 3000 медицинских учреждениях по всему миру. В 2013 году выполнено более 523000 роботических операций по всему миру, наиболее популярными из которых являются роботическая радикальная простатэктомия и роботическая гистерэктомия [45].
Еще по теме Роботы настоящего:
- Робот-ассистированная хирургия: прошлое, настоящее и будущее
- Обчислення стажу безперервної роботи, що дає право на отримання надбавок за тривалість безперервної роботи
- Методическое обеспечение настоящего исследования
- Предпосылки к проведению настоящего исследования
- Семейство Musddae — настоящие мухи (рис. 74, 75).
- Третий этап (60 гг. – настоящее время). Период расцвета травматологии, ортопедии и протезирования.
- Індивідуальна робота із студентами: зміст та особливостіорганізації.
- Робот-ассистированная нефрэктомия
- Робот-ассистированная вазовазостомия
- Часть V. Интервью с медицинскими работниками, руководителями лечебных учреждений и госслужащими в системе охраны здоровья о состоянии паллиативной помощи в настоящее время и перспективе ее развития
- Самоконтроль та його розвиток в процесі самостійної роботи студенті.
- Надбавки за безперервний стаж роботи