Інноваційні особливості сучасної ролі штучного інтелекту в хірургії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інноваційні особливості сучасної ролі штучного інтелекту в хірургії

Білодід Владислав

Студент, Дніпровський державний медичний університет,

м. Дніпро, Україна

Анотація

Стаття присвячена дослідженню інноваційних аспектів сучасних тенденцій в застосуванні штучного інтелекту в хірургії. В статті наведено аналіз наукового обговорення, щодо впливу штучного інтелекту на розвиток хірургічних технік та покращення точності діагностики та ефективності хірургічних втручань. Мета статті - розгляд і аналіз інноваційних особливостей штучного інтелекту в сучасній хірургії. Для визначення сучасного стану досліджень з використання Штучного Інтелекту в хірургії був проведений систематичний пошук наукових публікацій в різних базах даних, після чого інформація з обраних публікацій була систематизована та інтегрована для визначення основних тенденцій у використанні ШІ в хірургії та здійснено синтез результатів для визначення інноваційних аспектів та викликів. В статті проводиться аналіз порівняння сучасних програмних продуктів систем роботизованих хірургічних втручань діючих на базі алгоритмів штучного інтелекту. Досягнені результати в рамках цього огляду та аналізу інноваційних особливостей штучного інтелекту в хірургії свідчать про значущий внесок цієї технології у сучасну медичну практику де використання штучного інтелекту в хірургії сприяє значному покращенню точності діагностики та планування операцій, що впливає на загальну ефективність медичних втручань.

Ключові слова: комп'ютерні системи, алгоритми, штучний інтелект, загальна хірургія, хірургія, хірургічні процедури.

Abstract

Innovative features of the modern role of artificial intelligence in surgery

Bilodid Vladyslav1, Welgan Katarzyna2

1 Student, Dnipro State Medical University, Dnipro, Ukraine

2 Szpital Uniwersytecki w Krakowie: Krakow, Poland

The article is dedicated to exploring innovative aspects of contemporary trends in the application of artificial intelligence in surgery. The paper provides an analysis of the scientific discourse regarding the impact of artificial intelligence on the development of surgical techniques and the improvement of diagnostic accuracy and surgical intervention effectiveness. The aim of the article is to examine and analyze the innovative features of artificial intelligence in modern surgery. To assess the current state of research on the use of Artificial Intelligence in surgery, a systematic search of scientific publications in various databases was conducted. The information from selected publications was then systematized and integrated to identify key trends in the use of AI in surgery and to synthesize the results for determining innovative aspects and challenges. The article includes an analysis comparing contemporary software products of robotic surgical systems based on artificial intelligence algorithms. The achieved results in this review and analysis of innovative features of artificial intelligence in surgery indicate a significant contribution of this technology to modern medical practice, where the use of artificial intelligence in surgery contributes to a substantial improvement in diagnostic accuracy and surgical planning, thereby affecting the overall eficiency of medical interventions.

Keywords: Computer Systems, Algorithms, Artificial Intelligence, General Surgery, Surgical Procedures.

Вступ

У сучасному світі технологічних інновацій та швидкого розвитку науки штучний інтелект (ШІ) постає, як ключовий фактор у трансформації різних сфер життя, вносячи величезні зміни в практично всі аспекти людської діяльності. Однією з областей, яка відчуває особливий вплив цих інновацій, є хірургія. Хірургія завжди була ключовою галуззю медицини, спрямованою на вдосконалення методів втручань та збільшення їхньої ефективності (Moccia et al., 2019). У сучасному медичному середовищі роль ШІ стає невід'ємною частиною розвитку хірургії, впроваджуючи новаторські технології та методи для покращення результатів операцій та зменшення ризиків для пацієнтів (Fu et al., 2018). Розглядаючи погляди авторського колективу праці Ogawa (2018) відмітимо, що зростаючий обсяг хірургічних втручань вимагає постійного вдосконалення та розширення хірургічних можливостей. Натомість згідно з Naghibi (2018) використання ШІ може допомогти у вдосконаленні точності, зменшенні часу операції та оптимізації результатів лікування.

Зважаючи на вище наведене досить важливо детально розглянути інноваційні особливості, які ШІ вносить у сучасну хірургію, та зрозуміти, як ці технології переформатовують підходи до лікування та сприяють підняттю медичної практики на новий рівень.

Мета

штучний інтелект хірургія

Мета статті - розгляд і аналіз інноваційних особливостей штучного інтелекту в сучасній хірургії.

Автори ставлять перед собою завдання визначити ключові проблеми, які вирішує використання штучного інтелекту в хірургічній практиці, та проаналізувати його вплив на якість та ефективність медичних втручань. Дослідження спрямоване на ідентифікацію та розкриття ключових проблем у сучасній хірургії, які можуть бути вирішені штучним інтелектом, сприяючи покращенню результатів пацієнта.

Шлях досягнення мети: Дослідницька група планує використовувати методи аналізу літератури та огляду наукових праць для систематичного визначення інноваційних аспектів ШІ в хірургії.

Підходи до впровадження, технології та їхні впливи на хірургічну практику будуть ретельно розглянуті. Це дослідження спрямоване на заповнення прогалин у розумінні та визначенні ключових аспектів використання штучного інтелекту в хірургії, зокрема, акцентуючи його інноваційні особливості та потенціал впливу на якість та результати хірургічних втручань.

Матеріали і методи

Для визначення сучасного стану досліджень з використання Штучного Інтелекту (ШІ) в хірургії був проведений систематичний пошук наукових публікацій в різних базах даних, таких як PubMed, IEEE Xplore, Scopus, та Google Scholar. Отримані наукові публікації були обрані для подальшого детального аналізу на основі критеріїв включення та виключення. Враховувались рік публікації, методологія дослідження, використані техніки ШІ та результати. Інформація з обраних публікацій була систематизована та інтегрована для визначення основних тенденцій у використанні ШІ в хірургії. Здійснено синтез результатів для визначення інноваційних аспектів та викликів. На основі аналізу був підготовлений критичний огляд, в якому висвітлені основні висновки з області використання ШІ в хірургії, а також внесок різних досліджень у цю область.

Огляд і обговорення

В праці Attanasio (2021) розкрито питання, щодо використання ШІ в хірургічній справі та вирішенні завдань пов'язаних із ідентифікацією динамічних моделей в межах застосування хірургічних роботів, які працюють на базі системи da Vinci. Зокрема в зазначеній вище праці запропоновані алгоритми оптимізації для точної ідентифікації динамічних моделей, що може сприяти точному управлінню хірургічними роботами, які працюють на базі сучасних ШІ. В праці Colleoni (2019) розкрито питання щодо ролі ШІ при керуванні інструментів хірургічних роботів.

В праці Black (2020); проаналізовано аспектні особливості інноваційного використання ШІ в системах глибокого навчання для виявлення та оцінювання артикуляції хірургічних інструментів.

В праці Das (2020) підкреслюється особливості застосування ШІ при використанні нейронних мереж для аналізу та інтерпретації динаміки рухів хірургічних інструментів під час операцій, що дозволяє автоматизовано оцінювати рівень артикуляції та точність виконання операцій.

В табл. 1 розглянуто тенденції застосування штучного інтелекту в хірургії за останні 10 років.

Як видно з табл.1. нині роль ШІ в хірургії набуває все більшого значення і відіграє важливу роль у поліпшенні результатів лікування та оптимізації процесів у хірургічній практиці. До сучасних інноваційних особливостей, які вносить ШІ в хірургію можна віднести:

хірургічне планування (моделювання): ШІ може допомагати хірургам створювати тривимірні моделі пацієнтів на основі медичних зображень, що дозволяє попередньо планувати операції та визначати оптимальний підхід до конкретного випадку (дозволяє хірургам краще зрозуміти анатомію пацієнта та розробити більш точний план операції) (Jamjoom et al., 2020);

Таблиця 1. Тенденції застосування штучного інтелекту в хірургії за останні 10 років

навчання та симуляція (віртуальні тренажери): ШІ може використовуватися для створення віртуальних хірургічних тренажерів, що дозволяють лікарям підтримувати та поліпшувати свої навички безпосередньо перед операцією (Black et al., 2020);

автоматизація та роботизація (хірургічні роботи): роботизовані системи, керовані ШІ, дозволяють хірургам виконувати операції з великою точністю та зменшенням травм для пацієнта, такі як роботизовані артеріотомії, лапароскопічні операції та інші процедури (Molinero et al., 2019);

діагностика та моніторинг (аналіз зображень): ШІ може вдосконалювати аналіз медичних зображень, допомагаючи ідентифікувати патології та точно визначати місце знаходження патологічних утворень під час операцій (Naghibi et al., 2018);

покращення точності та зменшення ризиків праці (Rahman et al., 2020):

для (автоматизованих систем впровадження ліків): ШІ може бути використаний для розробки автоматизованих систем доставки ліків під час операції, що зменшує ймовірність помилок та покращує точність (Wang et al., 2019);

автоматизований контроль точності за проведенням хірургічних операцій (включає налагодження корегуючи зв'язків із автоматизованими програмними системними модулями, які використовуються для роботи в реальному часі моніторинговим аналізом стану пацієнта, контроль хірургічних рішень та застосовуються для внесення постійних коректив щодо проведення хірургічних операційних дій із врахуванням відповідних ризиків, тощо) (Black et al., 2020);

робота в реальному часі (моніторинг пацієнта): системи ШІ можуть аналізувати дані в реальному часі, допомагаючи хірургам в прийнятті рішень під час операції та миттєво реагувати на будь-які ускладнення. Відповідно сучасні ШІ можна використовувати, як асистента хірургів, допомагаючи їм виконувати операції. Наприклад, ШІ можна використовувати для контролю хірургічних інструментів, або для забезпечення точності хірургічних рухів (Fu et al., 2018);

персоналізоване лікування (аналітика даних та геноміка): ШІ може використовуватися для аналізу великих обсягів клінічних та генетичних даних для створення персоналізованих підходів до лікування та реабілітації пацієнтів (Moccia et al., 2019).

Відповідно зазначенні вище інновації в галузі хірургії зробили медичні процедури безпечнішими, ефективнішими та більш доступними для пацієнтів, а також дозволили хірургам розвивати та підтримувати свої навички в реальному часі.

В табл. 2 наведено результати комплексного аналізу порівняння сучасних програмних продуктів систем роботизованих хірургічних втручань діючих на базі алгоритмів ШІ.

У відповідності до даних, які наведено в табл. 2 наочно видно, що усі розглянуті сучасні системи роботизованих хірургічних втручань, які діють на базі алгоритмів ШІ (Da Vinci Surgical System, Medtronic's Hugo, Verb Surgical, TransEnterix Senhance, Titan Medical's SPORT) володіють високою точністю та стабільністю рухів, використовують 3D-візуалізацію з високою роздільною здатністю, а також інтегрують інтелектуальні алгоритми, такі як роботопідтримка та автоматичне управління інструментами. Також важливо відмітити, що гнучкість та доступність можуть відрізнятися (Verb Surgical, TransEnterix Senhance, та Titan Medical's SPORT отримали високі оцінки, в той час, як Da Vinci та Medtronic's Hugo були оцінені, як середні) (Wang et al., 2019).

Важливою характеристикою є також можливість інтеграції з іншими технологіями, яку всі системи забезпечують (Rahman et al., 2020). Загалом, обираючи систему, слід враховувати конкретні потреби, фінансові можливості та рівень гнучкості, щоб забезпечити оптимальний вибір для конкретного хірургічного середовища.

Таблиця 2. Результати комплексного аналізу порівняння сучасних програмних продуктів систем роботизованих хірургічних втручань діючих на базі алгоритмів ШІ

ШІ має потенціал революціонізувати хі- рургію, зробивши її більш точною, ефектив- нішою та менш травматичною (Jamjoom et al., 2020). Однією з ключових областей, де ШІ може мати найбільший вплив, є управління інструментами хірургічних роботів.

Хірургічні роботи дають хірургам мож- ливість виконувати операції з більшою точ- ністю та контролем, ніж традиційні методи. Однак вони також можуть бути складними у використанні, і навіть досвідчені хірурги можуть іноді допускати помилки. Відповід- но праці Ogawa (2018) ШІ може допомогти вирішити цю проблему, автоматизуючи деякі аспекти управління інструментами хірургіч- них роботів.

Відповідно праці Das (2020) роль ШІ в ме- жах управління інструментами хірургічних роботів зводиться до:

– Автоматичного позиціонування інстру- ментів: ШІ можна використовувати для авто- матичного позиціонування інструментів у по- трібному місці. Це може допомогти уникнути травмування тканин і органів;

– Автоматичного контролю сили: ШІ мож- на використовувати для автоматичного конт- ролю сили, з якою інструменти застосовують- ся до тканин. Це може допомогти запобігти пошкодженню тканин;

– Автоматичного відстеження руху тканин: ШІ можна використовувати для автоматично- го відстеження руху тканин під час операції. Це може допомогти хірургам точніше викону- вати операції.

Дослідження Black (2020) показують, що ШІ має потенціал значно поліпшити точність і безпеку хірургічних операцій.

Анологічно дослідження, які висвітлені в праці Rahman (2020) показали, що ШІ може допомогти хірургам виконувати операції на серці з точністю, яка на 99% перевершує точ- ність людини.

Серед різноманіття прикладів застосуван- ня ШІ використовується для управління ін- струментами хірургічних роботів варто відмі- тити наступні:

– Система Medtronic Mazor X: Ця система використовує ШІ для автоматичного позиціо- нування інструментів під час нейрохірургіч- них операцій (D'Ettorre et al., 2018);

– Система Stryker Mako: Ця система ви- користовує ШІ для автоматичного контро- лю сили, з якою інструменти застосовують- ся до тканин під час ортопедичних операцій (Molinero et al., 2019);

– Система Intuitive Surgical da Vinci Xi: Ця система використовує ШІ для автоматичного відстеження руху тканин під час лапароско- пічних операцій (Wang et al., 2019).

ШІ все ще перебуває на ранніх стадіях розвитку, але він має потенціал революціоні- зувати хірургію. Очікується, що ШІ буде ві- дігравати все більш важливу роль у хірургії в майбутньому.

Відповідно праці D'Ettorre (2018) перева- гами використання ШІ для управління інстру- ментами хірургічних роботів є:

– Підвищення точності: ШІ може допомог- ти хірургам виконувати операції з більшою точністю, що може призвести до кращих ре- зультатів для пацієнтів;

– Підвищення безпеки: ШІ може допомог- ти уникнути травмування тканин і органів, що може знизити ризик ускладнень після операції;

– Зменшення часу операції: ШІ може до- помогти хірургам виконувати операції швид- ше, що може зменшити витрати для пацієнтів і систем охорони здоров'я;

– Зменшення втоми хірурга: ШІ може до- помогти хірургам зменшити втому під час операції, що може призвести до кращих ре- зультатів.

Звичайно, ШІ також має деякі потенційні недоліки, які слід враховувати. Наприклад, ШІ може бути дорогим, і його складність може ускладнити його навчання та викори- стання. Крім того, ШІ може бути вразливим до кібератак.

Незважаючи на ці потенційні недоліки, за- гальний потенціал ШІ для революціонізації хірургії є значним. Очікується, що ШІ буде ві- дігравати все більш важливу роль у хірургії в майбутньому.

В якості прикладів сучасного застосування ШІ для керування хірургічних роботів, можна навести наступні:

– Система позиціонування інструментів від Intuitive Surgical використовує ШІ для створення тривимірних зображень операційного поля. Ці зображення використовуються для планування операції та забезпечення того, щоб інструменти були правильно розміщені (Rahman et al., 2020);

– Система керування рухом від Medtronic використовує ШІ для контролю руху роботів- хірургів під час операцій на серці. Ця систе- ма допомагає хірургам виконувати операції більш точно та безпечно (Jamjoom et al., 2020);

– Система мікрохірургії від Stryker вико- ристовує ШІ для допомоги хірургам у вико- нанні мікрохірургічних процедур. Ця систе- ма допомагає хірургам зберігати фокус під час операції та уникати пошкодження тканин (Black et al., 2020).

В табл.3. наведено результати аналізу впливу ШІ на ефективність різних типів хі- рургічних операцій.

З табл. 3, наочно видно, що використання технологій ШІ, таких, як роботизовані систе- ми та машинне навчання, може призвести до значного поліпшення ефективності хірургіч- них операцій, зменшення часу виконання та підвищення точності та стабільності рухів, що впливає на позитивний результат для пацієнтів.

Таким чином застосування ШІ в медичній практиці стає не просто показником техноло- гічного прогресу, але й революцією в самому підході до лікування пацієнтів. Відповідно проведеному аналізу сучасна роль ШІ в хірур- гії не обмежується лише підтримкою лікарів. Вона стає необхідністю для вдосконалення процедур, зменшення ризиків та підвищення ефективності хірургічних втручань. Велика кількість даних, доступ до потужних обчис- лювальних ресурсів та алгоритмів глибокого навчання роблять можливими досягнення ве- ликих висот у вдосконаленні планування та виконання операцій, а також в управлінні піс- ля операційним процесом.

Висновки