"Нам поставили амбициозную задачу". Как создавали робота-хирурга в России
Новый российский робот-хирург, способный выполнять сложные операции на сосудах, сердце и даже мозге, успешно прошел испытания и скоро выйдет на мировой рынок медицинского оборудования. РИА Новости рассказывает, на что способен ассистирующий хирургический комплекс отечественной разработки, почему пациентам не придется за него платить и в чем он превосходит американского конкурента "da Vinci" - машину предыдущего поколения.
Первых роботов для хирургии создали в США в середине 1980-х годов. Электрический манипулятор, ориентируясь на данные компьютерной томографии, делал биопсию мозга. В 1990-м стартап Computer Motion по заказу NASA изготовил роботическую руку "Эзоп" (AESOP), вооруженную эндоскопом. Ею можно было управлять голосовыми командами. Космическое ведомство намеревалось оснащать этим манипулятором орбитальные шаттлы, а когда программу закрыли, "Эзоп" пригодился в гражданской медицине.
В 2000-х его сменил более совершенный робот-хирург "da Vinci". Врач сидит за консолью, наблюдая за операционном полем в 3D-мониторе. С помощью джойстиков и педалей он управляет расположенными на подкатной тележке манипуляторами и инструментами, введенными в пациента.
Эпоха "da Vinci"
Изначально "da Vinci" разрабатывали для операций на сердце, аортокоронарного шунтирования. Затем область применения расширили, и теперь наиболее популярные операции с его помощью - это простатэктомия и гистерэктомия.
"Da Vinci" произвел революцию в хирургии за счет внедрения роботической технологии. Но у него есть недостатки. Дело в том, что в среднем один робот делает одну операцию в два дня. То есть устройство стоимостью более двух миллионов долларов фактически простаивает. Объясняется это, во-первых, ценой операции с его участием, которая не вписывается в страховку: больной либо клиника вынуждены доплачивать. Во-вторых - ограниченным функционалом", - рассказывает РИА Новости Сергей Шептунов, доктор технических наук, директор Института конструкторско-технологической информатики РАН.
Производитель "da Vinci" фактически монополизировал рынок. В мире продано несколько тысяч таких комплексов. Около 30 действуют в России. Однако на практике "da Vinci" оказался не таким эффективным, как ожидали врачи. Среди связанных с ним трудностей отмечают большие габариты и вес комплекса, необходимость специально готовить для него операционную, узкий угол обзора для хирурга. Кроме того, для разных движений манипулятора применяется один механизм. Обслуживание робота тоже дорогое: один комплект инструментов для манипуляторов стоит около трех тысяч долларов. Обучить хирургов для его использования можно только за рубежом.
"Не будем повторять"
Российские медики провели не одну тысячу операций с помощью "da Vinci" и знают все его проблемы. Несколько лет назад Дмитрий Пушкарь, заведующий кафедрой урологии МГМСУ и главный уролог Минздрава, предложил создать более совершенного робота, учитывающего все пожелания хирургов.
За проект взялся Сергей Шептунов с командой молодых инженеров.
"Чтобы сделать такого робота, нужно быть совершенно отвязными. Старый опыт сюда не притянешь", - говорит ученый.
Институт конструкторско-технологической информатики РАН основан в 1990 году, в перестройку. Его специалисты занимались автоматизацией станкостроения, а потом применяли свои наработки в самых разных областях: от образования до медицины. Проектировали автоматизированные парковки, образовательные инженерные стенды, создавали медицинские имплантаты с наноструктурированными поверхностями, композитные наночастицы, угнетающие раковые клетки.
"Изучив, какие технологии нужны хирургам, мы поняли, что улучшать "da Vinci" не имеет смысла. Мы разработали принципиально иную архитектуру. Сделали макет, который в семь с половиной раз больше того, что получилось в итоге. Доказали, что наш подход работает, и приступили к реализации. Если "da Vinci" - это стандартный робот, то наш - ориентированный на хирургию", - рассказывает Шептунов.
Хирургам нужен был компактный робот с высокой точностью действий и широким функционалом. Важное техническое условие - манипуляторы должны крепиться к операционному столу. И, конечно, операция не может быть такой дорогой, как с "da Vinci", - необходимо вписаться в ОМС.
Инженеры в корне изменили конфигурацию системы, способы фиксации инструментов, камеры, существенно уменьшив габариты установки, повысив ее мобильность и расширив функционал.
Можно потрогать
Операция с использованием отечественного робота-хирурга, или, как его называют разработчики, ассистирующего хирургического комплекса, внешне похожа на то, как действует "da Vinci". Хирург сидит за консолью, используя рукоятки-контроллеры для манипулирования и педали для включения разных функций. Он смотрит в монитор в 3D-очках, где с заданным увеличением показано операционное поле. Хирург может менять масштаб: например, приблизить кровяной сосуд, чтобы прижечь его коагулятором или поставить клипсу. Его движения контроллерами передаются на манипуляторы в микромасштабе.
Российские ученые добились на порядок большей точности манипулирования: 50 микрон вместо полмиллиметра у "da Vinci". Возможно, в урологии это не всегда нужно, но в кардиохирургии, при операциях на сосудах, позвоночнике или мозге - очень важно. Высокая точность расширяет сферу применения робота-хирурга.
"Da Vinci", чтобы достичь такой точности, должен быть в несколько раз больше. При нынешней архитектуре они не смогут преодолеть барьер в сто микрон", - уверен Сергей Александрович.
В отличие от "da Vinci" российский робот сразу создавался на цифровой платформе, что в сочетании с отказом от тросикового механизма позволило реализовать обратную связь, когда хирург-оператор физически чувствует давление инструмента на ткани. То есть установка передает тактильные ощущения, столь важные в хирургии. Разумеется, принцип реализации обратной связи ученые не раскрывают: это ноу-хау с большим коммерческим потенциалом.
"Мы разработали универсальные крепления к операционному столу, которые позиционируют манипуляторы относительно тела с нужной точностью, под нужными углами", - добавляют ученые.
Еще одна "фишка" - операционное поле можно задать, просто очертив его на мониторе. Инструмент манипулятора не выйдет за этот контур и не заденет, например, кости малого таза, что чревато воспалением.
И, конечно, мозг всей системы - компьютер. В его память записываются все движения хирурга на контроллерах - обсчитываются и передаются на манипуляторы. Это позволит в будущем подключить элементы искусственного интеллекта, чтобы облегчить работу человеку.
Хирург - и в Арктике хирург
Полностью отечественная разработка прошла недавно "боевое" крещение. С ее помощью прооперировали свинью, удалив миому матки. Сейчас робота модернизируют и вскоре начнут продвигать на рынок.
В планах - реализовать мобильную версию робота-хирурга, помещающуюся в чемодане и пригодную для полевых условий. Аккумуляторов хватит на три часа автономной работы. Врач в труднодоступной точке успеет выполнить операцию - самостоятельно или под контролем опытного хирурга, наблюдающего за процессом по монитору из другого региона. Для этого нужен только мобильный интернет. Полностью дистанционное управление роботом пока невозможно из-за физического ограничения скорости линий связи. Чем длиннее кабель, тем дольше идет сигнал. А задержка даже в пять миллисекунд для хирурга критична.
Разработчики пытаются расширить возможности робота, заставив кончик инструмента поворачиваться на 180 градусов. Кроме того, они хотят вооружить комплекс еще одним инструментом - лазером. Тогда добавится много хирургических техник и технологий, в том числе операции на участках размером десять микрон, то есть на клеточном уровне. На такое пока не способен ни один робот-хирург.
