Vad händer om din nästa operation planerades och utfördes av en robot? Ett team vid Johns Hopkins University arbetar för att förvandla denna idé till verklighet.
Begreppet robotassisterad operation är inte nytt: flera system har redan utvecklats och används för att behandla mänskliga patienter. Ett exempel är Da Vinci -kirurgiska systemet, en laparoskopisk anordning med robotarmar som kontrolleras av en kirurg. Detta system är inte autonomt-; roboten utför inga kirurgiska uppgifter oberoende. Andra robotsystem med högre autonomnivåer har utvecklats, till exempel Tsolution One ® , som använder en robot för att exakt klippa ben enligt en förspecificerad plan. Befintliga autonoma robotsystem har till stor del använts för att hjälpa till i operationer som involverar hårda vävnader, såsom borrning i ben för höft- eller knäimplantat. Men dessa system har inte använts för mjukvävnadsoperationer, som utgör unika utmaningar, som att redovisa oförutsägbara vävnadsrörelser som uppstår när patienten andas, eller storleksbegränsningar för de kirurgiska verktygen.
Nu utvecklar NIBIB-finansierade forskare en autonom robot som kan utföra tarmkirurgi med minimal hjälp från en kirurg. Dessutom överträffade de roboten expertkirurger jämfört med huvud-till-huvud i prekliniska modeller. En studie som beskriver utvecklingen av denna robot, som visar upp den första kända autonoma laparoskopiska mjukvävnadskirurgin, publicerades nyligen i Science Robotics .
Roboten, kallad Star (för smart vävnads autonom robot), utvecklades av Axel Krieger, Ph.D., och hans kollegor vid Johns Hopkins University. Hittills har roboten utvecklats för att utföra tarmanastomos-där två bitar av tunntarmen sys samman för att bilda en enda, kontinuerlig sektion-under övervakning och vägledning av en kirurg. Krieger förklarade hur roboten utför proceduren: Efter att kirurgen manuellt exponerar vävnadskanterna tar Star bilder och utvecklar en plan för suturplacering baserad på vävnadens form och tjocklek. När den mänskliga operatören har godkänt planen, stjärnan självständigt sömmar vävnaden tillsammans. Om vävnaden deformeras eller rör sig bortom en uppsättningströskel, frågar Star kirurgen om en ny kirurgisk plan ska skapas. Denna process upprepas tills roboten slutför hela proceduren.
"Genom att integrera nya sutureringsverktyg, bildsystem, maskininlärningsalgoritmer och robotkontroller är stjärnsystemet utrustat för att övervinna utmaningarna med autonom laparoskopisk kirurgi i mjuka vävnader," sade Krieger. "Stjärna kan visualisera en kirurgisk scen, generera en kirurgisk plan och sedan genomföra dessa planer med hög noggrannhet och precision." Han noterade dock att stjärnan inte är avsedd att ersätta kirurger. "Autonoma robotar, som Star, är utformade för att integreras i det kirurgiska arbetsflödet tillsammans med kirurger, förbättra prestanda för exakta, repetitiva uppgifter och i slutändan förbättra kirurgisk konsistens från patient till patient."
För att utvärdera hur väl stjärnan utförde jämfört med expertkirurger använde forskarna "fantom" tarmvävnader som ett modellsystem. Syntetisk tunntarmen monterades på ett linjärt stadium som programmerades för att röra sig fram och tillbaka, förklarade Krieger, som simulerade andningsrörelser som skulle inträffa under operationen. Under dessa experiment roterades och deformerades också fantomvävnaden, och deformerades, vilket krävde att stjärnan eller kirurgen skulle pausa, omgruppera och slutföra proceduren, sade han. Star utförde proceduren på fantomvävnader fem gånger, och fyra kirurger utförde proceduren på två olika sätt-två gånger med traditionell manuell laparoskopi och två gånger med hjälp av ett annat robotassisterat system.
Jämfört med expertkirurgerna hade Star färre misstag och var mer konsekvent i suturavstånd och djup. Dessutom, när forskarna flödade viskös vätska genom de resekterade fantom tarmarna, fann de att flödet var de mest laminära (släta och strömlinjeformade) i vävnaderna rekonstruerade av stjärnan, vilket indikerar en högre kvalitetsanastomos än de som utfördes av expertkirurgerna.
Slutligen utvärderades STAR: s prestanda i en stor djurmodell. Intestinal anastomos utfördes på fem grisar; För fyra av djuren utfördes proceduren via stjärna, och för det femte djuret utfördes proceduren via traditionell manuell laparoskopi. I likhet med Phantom -experimenten gjorde Star färre misstag jämfört med expertkirurgen. Dessutom, när forskarna analyserade hur väl de resekterade tarmarna hade läkt sju dagar efter operationen, fanns det ingen observerbar skillnad i sårläkning mellan de två olika kirurgiska metoderna.
"Våra resultat indikerar att Star är mer konsekvent och korrekt än expertkirurger när man utför sutureringsuppgifter," sade Krieger. Han noterade att deras resultat visar potentialen för autonom kirurgisk robotik för att demokratisera kirurgisk vård-vilket kan leda till mer förutsägbara och konsekventa patientresultat.
"Även om många känner sig tveksamma till att ha en maskin att utföra en specialiserad uppgift som traditionellt utförs av en mänsklig, robotsystem har potential att förbättra patientens resultat i medicinska miljöer," sade Krieger. "Precis som allmänheten har omfamnat den gradvisa tillströmningen av farthållare, spårassistent och självparkeringsfunktioner i bilar-vilket så småningom kommer att leda till självkörande bilar-; jag tror att vi kommer att se en liknande utveckling inom området medicinsk robotik."