Большинство же даже не представляет, откуда взялись, как устроены и зачем нужны эти системы. Так что, давайте разбираться. Под катом вас ждут ответы на эти вопросы, с полсотни фотографий и множество технических подробностей.
Большинство роботов-хирургов — вовсе не роботы в классическом понимании этого слова. Они «глупы», несамостоятельны и работают по принципу master/slave, или, если политкорректно, — «ведущий-ведомый».
Все они, по сути, марионетки в руках хирурга, сложные инструменты, которые повторяют человеческие движения. Просто имейте это в виду. Название робот-хирург намертво приклеилось к хирургическим манипуляторам даже в научной литературе, так что я буду его использовать несмотря на неточность.
При этом, хирургическая робототехника начиналась именно с программируемых машин и лишь затем свернула на другую дорожку.
Первый среди ранних
В 1985 году 52-летнего мужчину поместили в компьютерный томограф. Ему вскрыли череп и ввели в мозг тонкую иглу для забора образца ткани. В этой операции хирургам помогал манипулятор PUMA 200, созданный для работы на конвейерах General Motors. Это было первое применение робота в хирургии.
Промышленный манипулятор понадобился для точного позиционирования и удержания направляющей трубки, через которую вводилась игла.
Операция закончилась благополучно, но производитель робота не оценил самодеятельность и запретил использовать PUMA в хирургии. Скорее всего, из-за репутационных и юридических рисков. Вы бы тоже побоялись однажды прославиться, как производитель роботов-убийц.
ROBODOC
Уже на следующий год ветеринар Говард «Хэп» Пол (Howard «Hap» A. Paul) и инженер Уильям Баргар (William Bargar) вместе со спецами из IBM запустили разработку робота для эндопротезирования суставов.
Раньше имплантаты «приклеивали» на акриловый цемент. Он постепенно разрушался, и вскоре пациенты снова отправлялись под нож. В середине 80-х появилась альтернатива — пористые имплантаты. Кость срастается с ними и новый сустав служит десятки лет. Тем дольше, чем меньше зазор и выше точность при установке.
Чтобы делать выемки в кости под установку имплантатов, Пол и Баргар фактически переизобрели фрезерный станок с ЧПУ. Они назвали его ROBODOC, ага, в честь Робокопа.
передала прототип ROBODOC образца 1989 года в Национальный музей американской истории
Как вы могли догадаться, сначала ROBODOC испытали на собаках с травмами бедра, а затем и на людях под надзором Food and Drug Administration (FDA) — подразделения минздрава США и настоящего ночного кошмара медицинских стартапов.
Конструктивно, Robodoc — это 5-осевой манипулятор SCARA, на конце которого закреплена режущая головка с 6-осевым датчиком давления и системой подачи воды для охлаждения и удаления пыли.
Перед операцией ногу пациента жестко фиксируют при помощи винтов. Их вкручивают прямо в кость. К кости привязывается координатная сетка, в которой действует робот. Программу операции готовят заранее на базе трехмерной модели, созданной при помощи компьютерной томографии.
У конструкторов ROBODOC получилось добиться высокой точности реза, до 0,5 мм. В результате, робот снимал лишь 0,54% больше ткани, чем необходимо. Это при том, что при ручной установке имплантата хирурги удаляли примерно на 30% больше кости.
Казалось бы, вот он — успех, но клинические испытания затянулись. В 1994 году ROBODOC стал первым хирургическим роботом, допущенным на рынок ЕС, но вскоре использование машины остановили из-за череды несчастных случаев.
Доработки и повторные испытания закончились только в 2008 году. Только тогда ROBODOC наконец получил одобрение FDA. Можно только позавидовать упорству его создателей. Долгое время он был единственной программируемой хирургической системой, которую разрешено использовать в США.
В дело вступают военные
В числе первых людей, заинтересовавшихся медицинской робототехникой, были и военные инженеры из американского оборонного агентства DARPA. Пока ROBODOC тренировался на кошках, фрезеровал собак, они раздумывали над концепцией телехирургии.
Пожалуй, самая гуманная из их идей, тогда казалась очень перспективной. При помощи робота с дистанционным управлением хирурги могли бы оперировать раненных неподалеку от линии фронта, не отвлекаясь на пули, свистящие над головой.
Военные разыскали проекты дистанционных манипуляторов NASA и кое-какие прототипы, спроектированные для космоса в Стэнфордском научно-исследовательском институте (SRI). Большая часть наработок базировалась на чисто механических манипуляторах, созданных еще для Манхэттенского проекта, и малость устарела. Так что пришлось объявлять конкурс и раздавать гранты.
DARPA финансировало исследования телехирургии без малого десять лет, вплоть до 90-х годов прошлого века. Выяснилось, что при задержке сигнала более 200−300 мс хирургическое вмешательство становится затруднительным, а при 700 мс лишь очень немногие хирурги в состоянии выполнить свою задачу (а вы еще жалуетесь на пинг в компьютерных играх). Тогда военные решили, что не могут обеспечить необходимую скорость связи, и заморозили программу.
И все же, благодаря DARPA появились две частных компании, которые поставили себе более реалистичную цель — создание системы для роботизированной малоинвазивной хирургии безо всякого телеприсутствия.
Эзоп и Зевс
Один из последних грантов DARPA достался кандидату наук из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Юлану Вангу (Yulun Wang). На эти деньги Ванг в 1992 году сконструировал AESOP — роботизированный лапароскоп. Через два года это устройство получило голосовое управление. Теперь лапароскопические операции можно было проводить без помощи живого ассистента.
Как только DARPA остановила исследования, Ванг открыл компанию Computer Motion, Inc. Так на рынке хирургической робототехники появился первый серьезный игрок.
Предки Да Винчи
Пока Ванг трудился над AESOP, студент MIT Ахил Мадхани смотрел сериал про будни военных врачей. Под впечатлением от увиденного, он решил сделать дистанционную хирургию темой своей диссертации.
В 1993 году с помощью профессора Кеннета Солсбери он собрал телеманипулятор Black Falcon. Этот проект тоже профинансировало DARPA.
Прототип так и пылился бы в лаборатории, но в 1995 году хирург Фредерик Молл, венчурный инвестор Джон Фройнд (John Freund) и инженер Роберт Янг (Robert Younge) основали компанию Intuitive Surgical.
Они начали с того, что скупили все патенты, связанные с дистанционной хирургией, до которых смогли дотянуться: исследования SRI, технологии IBM и разработки MIT. Black Falcon оказался самым полезным из приобретений.
Разработка Мадхани легла в основу прототипов Lenny и Mona (на фото слева), а затем и манипуляторов робота-хирурга da Vinci первого поколения.
Зевс против Да Винчи (в кинотеатрах вашего города)
Испытания ZEUS начались раньше, но da Vinci первым вышел на рынок США. Робот поступил в продажу в 2000 году по цене чуть более 1 млн долларов. ZEUS получил одобрение FDA в октябре 2001 года и на старте продавался по цене 975 тыс долларов. ZEUS был меньше и дешевле, а da Vinci — ловчее.
Сперва da Vinci рекламировали как специализированное устройство для тонкой кардиохирургии, но роботом заинтересовались урологи и гинекологи, вынужденные работать в стесненной и заполненной различными органами тазовой полости.
Основатели Intuitive Surgical иногда шутят, что при разработке da Vinci компания целилась в сердце, а попала в простату
С их подачи FDA разрешила использовать da Vinci в малоинвазивной хирургии таза. В то же время Computer Motion подала в суд на растущего конкурента. Юристы сцепились намертво, разбирательство затянулось, убытки росли, и, в конце концов, компании договорились о слиянии. ZEUS вывели из эксплуатации в пользу da Vinci.
С тех пор этот робот-хирург остается наиболее популярным, и несколько новых систем копирует его конструкцию. По данным на 31 марта 2021 года Intuitive Surgical установила уже 6 142 робота разных поколений по всему миру. Список процедур, в которых применяется da Vinci, растет до сих пор.
Причины популярности
Чтобы понять, почему da Vinci так приглянулся хирургам, нужно знать, что представляет собой лапароскопическая, она же малоинвазивная хирургия.
В то же время в боковой части живота делается еще пара небольших разрезов. В них вставляются троакары — металлические трубки с обратным пневматическим клапаном. Через них в организм вводятся хирургические инструменты, закрепленные на концах длинных стержней: ножницы, пинцеты и мешочки, куда можно положить все, что нужно вынуть из организма.
Это замечательно, вот только малоинвазивная хирургия — чертовски сложное дело. Хирурги говорят, что такие операции похожи на сборку кораблика в бутылке при помощи палочек для еды. Дело в том, что инструменты вводятся в организм через отверстие не больше сантиметра диаметром, а их рабочий конец отделен от рукоятки 30 см валом, который усиливает дрожание наконечника.
Не говоря о том, что хирург сильно ограничен в движениях, не может подвести инструмент к цели под произвольным углом и вынужден использовать дополнительные инструменты, чтобы это компенсировать. Наконец, приходится наблюдать за процедурой при помощи лапароскопической камеры, а это означает не лучший обзор и плоскую, двухмерную картинку.
Все это делает сравнительно простые процедуры, вроде наложения швов и завязывания узлов, очень и очень непростой задачей.
Когда на рынок вышли ZEUS и da Vinci, оказалось, что роботы могут делать все то же самое, но управлять ими гораздо проще, чем лапароскопическими инструментами.
При помощи манипуляторов da Vinci хирург оперирует так, будто его руки оказались внутри пациента. Робот полностью избавляет от эффекта точки опоры и позволяет использовать навыки, приобретенные во время открытых операций.
Общий вид системы и поколения da Vinci
Существует шесть моделей роботов da Vinci:
- оригинальная система 1999 года выпуска;
- da Vinci S 2006 года. У него появился 3D-эндоскоп;
- da Vinci Si 2009 года, получивший поддержку второй консоли для совместных операций;
- версия Xi 2014 года, которая отличается обновленной конструкцией манипуляторов и самым широким набором функций;
- da Vinci X 2017 года — удешевленная модель на базе манипуляторов da Vinci Si и современных инструментов, созданных для версии Xi;
- da Vinci Single port 2018 года. Как можно догадаться по названию, эта версия с единственным манипулятором и одной точкой входа в организм. Продается только в нескольких странах и, вероятно, будет доработана для выхода на мировой рынок.
Подробнее не сайте Habr по ссылке: https://habr.com/ru/post/574544/