Американский робот самостоятельно провел лапароскопическую операцию. Ему доверили свинью

15:11 03 февраля Киев, Украина

Американские ученые представили отчет о первой лапароскопической операции по сшиванию кишечника, проведенной роботом самостоятельно без вмешательства оператора. Роботу STAR доверили соединение сегментов кишки живым свиньям под наркозом из-за небольших отверстий в теле. STAR с помощью инфракрасных маркеров отслеживал положение тканей, самостоятельно планировал нанесение швов, реагировал на деформацию тканей, например при дыхании животного, и таким образом успешно провел операцию. В его работу вмешивались только если робот сообщал об ошибке в нанесении шва, например, пропускал его. Результаты работы STAR были опубликованы в журнале Science Robotics.

Как можно доверить роботу операцию?

На самом деле в хирургических отделениях работы появились давно — они, например, ассистируют врачам, управляющим механизированными руками, наблюдая за пациентом за камерами. Точность таких манипуляций растет хотя бы благодаря тому, что руки в работе не трясутся. Такое вмешательство позволяет добиться минимального травмирования, снижает риск инфекций и сокращает период восстановления, а также обеспечивает эффективность, безопасность и согласованность действий независимо от навыков и опыта отдельных хирургов.

Уровни автономии медицинских роботов отличаются: от простого дистанционного управления с непрерывным контролем со стороны человека до автономии уровня контроля выбранных роботом решений и самостоятельной работы без вмешательства специалистов. Наиболее известным примером является хирургическая роботизированная система da Vinci, работающая под контролем врача. Первой же демонстрацией самостоятельности роботов стала проведенная на свинье in vivo еще в 2016 году операция по проведению анастомоза кишечника (операция по соединению сегментов кишечника наложением швов), где вмешательство человека было минимальным. Однако до сих пор о лапароскопических операциях, то есть вмешательство из-за небольших искусственных отверстий в теле, с участием роботов известно только на моделях в лабораториях.

В этой работе ученые из университета Джонса Гопкинса, которые первыми и дали работу прооперировать свинью в 2016 году, впервые продемонстрировали работа STAR (Smart Tissue Autonomous Robot) по лапароскопической операции, где он провел анастомоз кишечника живой свиньи под наркозом.

Что должен был сделать робот?

В таком виде вмешательства как анастомоз кишечника, очень важны такие параметры как расстояние между швами, их размер и натяжение, непосредственно влияющие на качество анастомоза, что, в свою очередь, улучшает результаты лечения пациентов и снижает частоту рецидивов и осложнений после операции. Также сложность операции состоит в том, что помимо необходимой для наложения швов маневровости и повторяемости движений она проводится на мягких тканях кишечника, которые создают большие трудности для хирургов из-за непредсказуемых эластичных и пластических изменений. Следовательно, в отличие от других вмешательств и хирурги, и работы должны постоянно приспосабливаться к непредсказуемым изменениям. Поэтому это лучшая задача для медицинских роботов, чтобы проверить их профессионализм.

Помимо этого, работа решила опробовать в условиях лапароскопической операции, а не открытого хирургического вмешательства. В таких условиях видимость ограничена тем, что видит камера, а доступ отверстиями в несколько сантиметров. Чтобы выполнить операцию, STAR должен был отслеживать состояние тканей, учитывать дыхание пациента, взаимодействие инструментов с тканями, сообщать оператору о планируемых действиях, изменении планов и, конечно, ошибках.

В этом STAR помогали его собственное программное обеспечение и машинное зрение через инфракрасные камеры и монохромный 3D-эндоскоп. Система камер позволяет STAR самостоятельно отслеживать нанесенные хирургами ткани маркеры, видимые в инфракрасном диапазоне, независимо от условий освещения, а так планировать свои действия. Двухмерное изображение камеры также использовалось как визуальная обратная связь для оператора.
 
Гистология тканей свиней, оперированных роботом, из контрольной группы (а), а также наложенные швы. H. Saedi, Science Robotics, 2022

Как прошла операция?

С помощью алгоритма, который помогал отслеживать состояние ткани, STAR самостоятельно оценивал, когда пациент не дышал, а значит, его ткани не двигались. Выбирая момент, робот создавал два плана на наложение швов, которые должны были соединить два инфракрасных маркера, и спрашивал у оператора, который ему выбрать. Как только план действий утверждали, робот приступал к наложению швов, а затем снова оценивал состояние тканей. Так, если он замечал отклонения более чем на три миллиметра, он спрашивал оператора, есть ли необходимость изменять установленный план или продолжать действовать за ним. Если же наложить шов работу не удавалось и он, например, не проходил через два слоя ткани, то оператор через пользовательский интерфейс самостоятельно накладывал его, а затем STAR продолжал операцию.

По словам исследователей, хотя оператору и приходилось вмешиваться в случае пропуска шва или ошибки при его наложении, более 83 процентов заданий робот выполнил самостоятельно. Основной целью этой работы было снизить нагрузку на оператора за счет дополнительных автономных функций. В предыдущем подобном эксперименте, где вмешательство было открытым, робот самостоятельно наложил менее 60 процентов швов и не имел возможности оценить дыхание и предлагать несколько вариантов действий. Поэтому представленный в настоящей работе вариант STAR обеспечивает заметно большую автономность и точность.

Заменит ли этот робот хирургов?

Операции провели на четырех свиньях, но в среднем робот справился через 62 минуты. Всего STAR нанес 86 швов. Через неделю после операции животным произвели вскрытие, чтобы оценить качество работы и сравнить ее с контрольным животным, которому операцию провели вручную. Гистологический анализ не показал заметной разницы между экспериментальной и контрольной группами, а швы оказались одинаково герметичными при проверке давлением.

Однако пока STAR имеет некоторые веские ограничения. Его работа все еще зависит от удобного ему положения тканей, ограничений систем машинного зрения и их возможности оценивать взаимодействие инструментов с тканями. Чтобы получить полную оценку работы STAR, ученые провели серию экспериментов на искусственных тканях, где сравнивали работу с ручной работой хирургов и операциями, проведенными роботом (da Vinci) под управлением человека. И хотя пока этого недостаточно, чтобы иметь полное представление о работе STAR in vivo , проведенная операция является доказательством работоспособности новой системы, которая обеспечит работу медицинской самостоятельностью.
В будущем STAR может помочь стандартизировать некоторые операции, не зависящие от человеческого фактора, и снизить нагрузку на хирургов и передать им надзорную роль, чтобы обеспечить безопасность операции в целом.