Применение робототехники в хирургии. Преимущества и недостатки системы Da Vinci

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Со времени создания первых электронных вычислительных машин прошло не так много времени, но они сумели внедриться и плотно пустить свои корни во все отрасли человеческой жизни. Медицина не стала исключением.

В частности, при помощи видео технологий стало возможным проведение малоинвазивных хирургических манипуляций таких, как лапароскопическая холецистэктомия и др.

Эндовидеоскопические технологии во многом исчерпали свои оперативные возможности в связи со своими недостатками такими как: ограниченная в четырех плоскостях свобода действий, использование двухмерного изображения не дающего полной информации об операционном поле, фиксированные запястья и инструменты ограничивают двигательные возможности.

Новые технологические разработки инженеров и стремление минимизировать операционную травму стали предпосылками для появления робототехники.

В конце 90-х годов прошлого века был достигнут новый революционный рубеж развития хирургической техники - внедрение роботов.

На данный момент роботов, используемых в хирургии, можно разделить на пассивных, полуактивных и активных.

Пассивный робот предназначен, как правило, для удержания инструмента в определенном положении, что облегчает выполнение и увеличивает точность какого-либо этапа оперативного вмешательства. Изменять положение инструментов система может только с помощью хирурга. Примером может служить первый хирургический робот Unimate Puma 560, который был создан в конце 1980-х в Америке. Этот робот, представлял из себя большую руку с двумя когтистыми отростками, которые могли вращаться друг относительно друга. Робот имел довольно ограниченный спектр движений, использовался в нейрохирургии для удерживания инструментов при проведении стереотаксической биопсии.

Полуактивный робот выполняет ряд запрограммированных манипуляций, в определенной последовательности осуществляя движения в различных направлениях и плоскостях. Такой робот используется, например, для протезирования коленного сустава.

Активный робот оснащен манипуляторами, подобными рукам хирурга, и фактически сам приводит в движение инструменты. В настоящее время такими системами дистанционно управляет хирург, а механические руки робота воспроизводят движения его кистей и пальцев, увеличивая точность, уменьшая усталость и устраняя тремор. Активные системы используются для трансуретральной простатэктомии, эндоскопической телероботохирургии.

1. Робот ROBODOC

ROBODOC был создан в 1992 году компанией CUREXO Technology Company и стал первым в мире медицинским роботом, аппаратом для тотальной артропластики тазобедренного сустава. К настоящему времени с использованием системы ROBODOC® проведено 24 000 операций. Данный хирургический робот предназначен для всех основных операций по артропластике - первичная полная артропластика тазобедренного сустава, ревизия тазобедренного сустава, полная артропластика коленного сустава.

Перед проведением операции, пациенту назначают КТ сканирование операционной зоны, после чего программное обеспечение форматирует КТ снимок на экран из 4 рабочих окон, показывается сустав в 3 плоскостях и его трехмерное изображение кости. Использование в работе трехмерного изображения сустава позволяет выбрать подходящий имплантат, соответствующий анатомической структуре. Возможность увидеть сустав в разных плоскостях помогают хирургу в планировании операции, кроме того врач сразу видит виртуальный результат операции в трехмерном пространстве. Процесс планирования операции помогает избежать проблем и отклонений во время хирургического вмешательства. После процесса планирования операции информация передается на вспомогательную машину ROBODOC Surgical Assistant. Робот устанавливается в операционной, пациент позиционируется, используя специальные фиксаторы, затем хирург вскрывает сустав. После вскрытия сустава робот показывает хирургу куда необходимо приложить специальный регистратор для получения наиболее точной пространственной картины кости. Под контролем хирурга, рука робота наводится на операционное поле. Затем робот начинает пилить кость с субмиллиметровой точностью. После подготовки кости к имплантации рука робота удаляется из операционного поля и хирург устанавливает протез так, как это было спланировано заранее.

ROBODOC не только позволяет точно установить протез, но и снижает риск возникновения инфекционного процесса, уменьшает интенсивность послеоперационной боли и частоту осложнений.

2. Робот Da Vinci

Система Da Vinci начала применяться в хирургии в 2000 году. Хирургический робот работает посредством минимально-инвазивного метода, в ходе которого четыре роботизированные руки проникают в тело пациента через четыре разреза - один из которых сделан для камеры, а три других - для инструментов. Камера позволяет хирургу, который контролирует процесс с помощью отдельной консоли, получить трехмерное изображение «изнутри» пациента. Другим важным преимуществом системы является то, что у пациента не останется больших швов, а время восстановления после операции минимально.

Хирургическая система состоит из эргономичной консоли хирурга, стойки с четырьмя интерактивными роботизированными руками у операционного стола, высокопроизводительной системы обзора InSite и инструментов EndoWrist. Вооруженные современнейшей роботизированной технологией, движения рук хирурга масштабируются, фильтруются и равномерно преобразуются в точные движения инструментов EndoWrist. В итоге, создается интуитивный интерфейс с превосходными хирургическими возможностями.

Консоль управления оснащена компьютером, генерирующим реальное трехмерное изображение с полной иллюзией его глубины, видоискателем, ножными педалями для управления электрокоагуляцией, фокусным разрешением камер, ручными джойстиками для управления инструментами и видеокамерой в теле пациента. Трехмерное изображение, создаваемое системой перед глазами хирурга, обеспечивает полную иллюзию оперирования в реальном пространстве. Точность хирургических действий обеспечивается за счет устранения эффекта естественного дрожания человеческих рук, использования инструментов с увеличенной свободой движения рабочей части (семь плоскостей) и возможностью системы трансформировать большие по амплитуде движения на джойстиках управления центральной консоли в точные манипуляции в теле пациента . В результате рабочие части инструментов приобретают возможности человеческих рук, а хирург получает возможность оперировать не двумя, а тремя и большим числом «рук». Система управления устроена таким образом, что инструменты просто повторяют движение кистей и пальцев хирурга.

Операционная (хирургическая) панель - это часть системы, которая находится в прямом контакте с пациентом, и поэтому в течение всей операции она имеет специальное стерильное покрытие. В зависимости от конфигурации операционная панель содержит 2 или 3 рабочих манипулятора с закрепленными на них инструментами, а также один манипулятор с камерой.

Движения манипуляторов можно разделить на два вида. Первый вид - это моторные движения, которые задаются оператором непосредственно с панели управления, оказывают влияние на ход операции в теле пациента, управляют инструментами и с помощью которых, собственно, проводится операция. Второй вид - это движения торможения, которые задаются ассистирующим персоналом и служат только для настройки системы перед операцией.

Инструменты и камера легко прикрепляются к рукам и легко перемещаются с консоли или ассистентом. Первые две руки робота, соответствующие правой и левой руке хирурга, держат инструменты EndoWrist®. Третья рука держит эндоскоп, позволяя хирургу легко менять, перемещать, приближать и поворачивать поле зрения с консоли. Такая подвижность устраняет необходимость в ассистенте. Четвертая рука позволяет добавлять третий инструмент EndoWrist и выполнять дополнительные задачи, такие как приложение противотяги и поддержка непрерывного шва. Это устраняет необходимость еще в одном ассистенте. Хирург может одновременно управлять любыми двумя руками с помощью педалей под консолью.

Созданные по образцу человеческого запястья, инструменты EndoWrist имеют даже больший объем движений, чем человеческая рука. Они действительно позволяют системе da Vinci продвигать хирургическую точность и технику за пределы возможностей человеческой руки. Сходно с человеческими сухожилиями внутренние тросы инструментов EndoWrist обеспечивают максимальную реакцию, давая возможность быстро и точно накладывать швы, выполнять диссекцию и манипуляции на тканях.

Набор инструментов EndoWrist включает разнообразие зажимов, иглодержателей, ножниц; монополярных и биполярных электрохирургических инструментов; скальпелей и других специализированных. Инструменты EndoWrist могут иметь диаметр 5 мм и 8 мм.

При смене инструментов интерфейс сразу распознает тип нового инструмента и число его использований.

Оптическое устройство. Видеосистема снабжена двумя независимыми каналами передачи изображений, сопряженными с двумя цветными мониторами высокого разрешения. Система также имеет оборудование для обработки изображений, состоящее из двух видеокамер, алгоритмов усиления контуров и шумоподавления. Результирующее трехмерное изображение высокого разрешения яркое, четкое и резкое, без утомляющего мерцания и затухания. Управление камерой, осуществляемое через рукоятки и педали, обеспечивает плавное перемещение в операционном пространстве. Перемещение головы хирурга на консоли не влияет на качество изображения.

Выполняемые операции:

- Восстановление митрального клапана.

- Реваскуляризация миокарда.

- Абляция тканей сердца.

- Установка эпикардиального электронного стимулятора сердца для бивентрикулярной ресинхронизации.

- Желудочное шунтирование.

- Фундопликация по Nissen

- Гистерэктомия и миомэктомия.

- Тимэктомия.

- Лобэктомия легкого.

- Эзофагоэктомия.

- Резекция опухоли средостения.

- Радикальная простатэктомия.

- Пиелопластика.

- Удаление мочевого пузыря.

- Радикальная нефрэктомия и резекция почки.

- Реимплантация мочеточника.

Достоинства и недостатки Da Vinci:

1. Улучшенная сноровка, точность и управляемость.

- da Vinci позволяет транслировать движения рук хирурга в соответствующие микро движения инструментов внутри пациента.

- 4 роботизированные руки с инструментами, имеющими 7 степеней свободы (больше чем кисть человеческой руки) и изгибающиеся на 90 градусов.

- Патентованный инструментарий EndoWrist системы da Vinci, оснащенный системой уменьшения тремора, системой управления движениями улучшает равноценность владения обеими руками до пределов, недоступных человеку и укорачивает кривую обучения. Расширенный объем движений инструментов улучшает доступ и надежность при операциях в ограниченных пространствах, таких как малый таз, средостение, сердечная сумка.

2. Отличная эргономика.

- Оптимальное уравнивание оптической и двигательной оси.

Da Vinci - хирургическая система, предназначенная для работы, сидя, что не только более комфортно, но также может давать клинические преимущества вследствие меньшего утомления хирурга. Система da Vinci дает естественное уравнивание глаз и рук на хирургической консоли, что обеспечивает лучшую эргономику, чем традиционная лапароскопия. Так как роботизированные руки системы da Vinci держат камеру и инструменты на весу, это потенциально уменьшает скручивающий момент на брюшной стенке, травму пациента, необходимость в ассистенции и утомляемость. Наконец, так как роботизированные руки дают дополнительную механическую силу, хирург теперь может оперировать пациентов с выраженным ожирением.

3. Безопасность.

- Система da Vinci уменьшает риск инфицирования хирургической бригады гепатитом, ВИЧ и т.п.

- В целом, da Vinci может дать хирургу лучшую визуализацию, сноровку, точность и управляемость, чем в открытой хирургии, при выполнении операции через 1 - 2 - сантиметровые разрезы.

- Основными недостатками системы da Vinci являются продолжительность настройки оборудования, его высокую стоимость (около 3 млн. евро), длительность и стоимость подготовки и обучения медицинского персонала.

3. Новые достижения в робототехнике

- В Германском центре авиации и космонавтики создали передового робота хирурга. Робота назвали MiroSurge и он способен проводить операции на сердце.

Новая система позволяет хирургу проводить операцию, даже находясь совершенно в другом месте. Врач видит на экране статическое сердце, а MiroSurge сам подстраивается под биение сердца. Робот MiroSurge устанавливается на операционный стол и состоит из трех рук. Операцию можно проводить при бьющимся сердце, а это может означать, что при использовании системы не придется подключать аппарат искусственного кровообращения.

- Исследователи из UPM участвуют в разработке роботизированной руки для точной вставки игл, катетеров и других хирургических инструментов в процедурах минимально инвазивной хирургии.

Этот робот имеет гибридную структуру powerstrain, которая позволит проводить точный, повторяющиеся, запланированный и контролируемый ввод инструментов.

Процедуры выполняемые роботом включают в себя: сбор проб, образцов жидкостей и тканей для биопсии и диагностики. Все это стало возможным благодаря виртуальному планированию, которая основана на анализе медицинских изображений, которые робот заранее захватывает с помощью сканера.

Запатентованная роботизированное устройство имеет гибридную структуру трансмиссии с шестью степенями свободы, которая использует особенности последовательных и параллельных механизмов. Кроме того робот имеет систему с лазерами и инерциальных блоков, которая позволит врачам производить калибровку, коррекцию положения и ориентацию хирургических инструментов.

- робот i-Snake для проведения торакоскопических операций на бьющемся сердце. Положение камер и инструментов синхронизируется с движениями сердечной мышцы, при этом хирург видит на экране неподвижное изображение органа.

- В рамках проекта ARES (Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical System) предлагается создать роботизированную систему, которой под силу преодолеть естественные ограничения миниатюрных электронных устройств, широко использующихся в гастроэнтерологии.
Если пациенту предстоит хирургическая операция, он должен выпить около полутора литров жидкости, после чего необходимо проглотить 10-15 роботизированных модулей. Попав в желудок, расширенный выпитой ранее водой, модули начинают собираться в единую структуру в соответствии с запланированной конфигурацией. Сборка осуществляется с помощью магнитных связок между модулями системы.

Робот по беспроводной связи полностью контролируется оператором. Каждый из отдельных узлов системы может быть отсоединен в любой момент времени в случае, если он, например, перестанет функционировать, или в нем отпадет необходимость. Причем модуль может быть не просто отсоединен, он может быть заменен на необходимый даже во время операции.

После того как все запланированные действия выполнены, робот может быть либо реконфигурирован в змееподобную систему для того чтобы пройти через пилорический сфинктер в кишечник, либо разобран (разрушен) до составляющих его модулей, которые затем естественным образом эвакуируются через желудочно-кишечный тракт аналогично использованной видеокапсуле.

Примечательно также, что в одном из модулей при этом могут быть выведены из организма образцы тканей, отобранных во время проведения процедуры для последующей биопсии.

Заключение

робототехника хирургический артропластика

Подводя итоги анализа использования робототехники в хирургии, возможно выделить следующие области ее применения:

-- грудная хирургия и кардиохирургия -- выделение внутренней грудной артерии, восстановление митрального и трехстворчатого клапанов, установка электрода для бивентрикулярной ресинхронизации, трансхиатальная эзофагэктомия, биопсия и резекция легких, пульмонэктомия;

-- сосудистая хирургия -- восстановительные операции на грудной аорте и крупных сосудах, на брюшной аорте, аортобедренное шунтирование;

-- гинекология -- репродуктивная хирургия (реанастомоз маточных труб, миомэктомия, аблация эндометрия, транспозиция яичника, лигирование маточных труб), реконструктивная тазовая хирургия (операция Burch, крестцовая кольпопексия), общая гинекология (гистерэктомия, удаление дермоидной кисты, аднексэктомия, сальпингэктомия);

-- абдоминальная хирургия -- бариатрия, герниопластики, фундопликация, резекции печени, поджелудочной железы; резекции желудка, тонкой, ободочной и прямой кишки, холецистэктомия, симпатэктомия, реконструктивные операции;

-- урология -- простатэктомия, нефрэктомия, цистэктомия, адреналэктомия, орхиэктомия, забор почки у живого донора для трансплантации.

Размещено на Allbest.ru