Роботизированная хирургия: как фантастическая идея стала реальностью в медицине и почему важно не бояться мечтать

Можно ли безопасно выполнить холецистэктомию, если хирурга и пациента разделяют шесть тысяч километров?

Одна из самых обычных и вместе с тем страшных ситуаций на поле боя — кровотечение после ранения. Больше трети погибших солдат могли бы остаться в живых, будь в шаговой доступности квалифицированный хирург¹.

Чтобы обеспечить медицинскую помощь, можно разбить мобильный госпиталь или доставлять раненых в медицинские учреждения, если они находятся неподалеку. Но это возможно не всегда. Например, в начале 1980-х годов один военный отряд оказался на тропическом острове площадью 344 км² далеко в Карибском море. Весной на этой территории идут проливные дожди, а  а с июля по октябрь дуют ураганные ветра. В таких условиях рассчитывать на высококвалифицированную — да что уж там, хоть на какую-то — хирургическую помощь им не приходилось.

Военные инженеры задумались — можно ли создать роботов-хирургов, которыми можно будет управлять из безопасного места. Так начался путь к роботизированной хирургии — не в медицинских институтах, а в оборонных лабораториях. 

Вы узнаете:

Как зародилась роботизированная хирургия: военные разработки и первые прототипы
Что умели первые гражданские роботы для роботизированной хирургии
Какие системы стали прорывными и какую роль сыграли в развитии минимально инвазивной хирургии
Почему операцию «Линдберг» считают символом успеха роботизированной хирургии

Зарождение роботизированной хирургии: военные разработки и первые прототипы

В 1980-х годах Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA запустило несколько инновационных разработок, направленных на развитие технологий удаленной хирургии². Одной из таких стал MEDFAST³. Авторы проекта предложили создать роботизированную систему, способную выполнять базовые хирургические процедуры под дистанционным управлением врача. 

Разработки MEDFAST не продвинулись дальше прототипа и нескольких тестов на животных. Но благодаря проекту исследователи поняли, что у идеи роботизированной хирургии есть огромный потенциал. 

Первые гражданские системы для роботизированной хирургии

Гражданские ученые тоже задумывались о том, как роботы могли бы помочь хирургу в операционной. Однако фокус внимания был сосредоточен не на дистанционных вмешательствах, а на повышении точности манипуляций, особенно тех, где требуется миллиметровая точность движений^4–6.

Исследователь из Long Beach Memorial Medical Center, доктор Сан Квон, работал над совершенствованием процедуры стереотаксической биопсии головного мозга. Фиксирующих рамок и КТ-сканирования было недостаточно: нейрохирургам приходилось делать большие отверстия в черепе пациента, чтобы расположить инструменты под нужным углом, направление движения не всегда было точным, а тремор рук врача сильным — из-за этих факторов риск повреждения важных структур мозга оставался крайне высоким⁷.

Доктор Квон предположил, что точность процедуры мог бы повысить робот-манипулятор, который будет задавать вектор для инструмента. Подходящих медицинских разработок для этого не было, поэтому исследователи стали искать варианты среди промышленных роботов. Выбрали программируемый универсальный промышленный робот-манипулятор PUMA — Programmable Universal Manipulation Arm. Его разработал Виктор Шейнман для работы на линиях сборки автомобилей⁷.

Движения робота были достаточно тонкими и деликатными, а еще их можно было описать в «человеческих» терминах — плечо, локоть, запястье, сгибание, отведение и т. д. Все «суставы» робота были оснащены пружинными тормозами, которые автоматически срабатывали при механическом или электрическом сбое. Поэтому устройство можно было адаптировать для хирургических процедур. Доктор Квон разработал программу, которая позволяла по координатам КТ задавать роботу нужную траекторию движения⁷.

После ряда доработок PUMA 200 стал первым в мире роботом, которому доверили провести операцию живому человеку^1,6. 

11 апреля 1985 года 52-летнему пациенту с подозрением на опухоль головного мозга впервые в мире провели робот-ассистированную стереотаксическую биопсию — она оказалась успешной⁴.

Примерно в те же дни команда хирургов провела еще две роботизированные биопсии. Они прошли хорошо, однако после второй манипуляции произошел кратковременный скачок напряжения — именно в тот момент, когда компьютер отправлял инструкции роботу. В результате роботическая рука отклонилась от цели на один дюйм (около 2,5 см). Оперирующий нейрохирург— доктор Северхи — сказал об этом, что «в мозге дюйм так же хорош, как миля» (около 1,6 км)⁸.

К счастью, проблему удалось обнаружить до начала сверления, и устройство перепрограммировали. С тех пор, по словам доктора Квона, к линии электропередачи добавили подавитель перенапряжения.

Благодаря точности движений манипуляторов, врач смог провести процедуру с минимальным риском для пациента⁹. PUMA 200 доказала, что робот способен выполнять задачи, требующие точности, и стала первой успешной демонстрацией робототехники в медицине.

Об этих операциях вышла подробная заметка в газете The New York Times. Авторы собрали мнения нескольких ведущих нейрохирургов того времени. Они высказали радость от того, что направление развивается, однако ожидания от роботизированной хирургии были весьма скромными⁸.

Эксперты говорили, что роботы не заменяет фактическую работу нейрохирурга, которая требует экспертного принятия решений и многолетнего опыта. Самого робота, при помощи которого провели операцию, тоже не побаловали похвалой. «Пока это даже близко не соответствует тому, о чем люди мечтают» — сказали о нем⁸.

Однако это не остановило докторов из Long Beach Memorial Medical Center: совершенствуя технологию, они выполнили более 300 биопсий головного мозга за 30 лет. 95% проведенных манипуляций завершились постановкой диагноза, и только две процедуры пришлось прервать из-за технических ошибок — при этом не возникло связанных с этим нежелательных явлений. Менее чем у 1% пациентов после операции образовалась клинически значимая гематома или устойчивый неврологический дефицит⁷.

Совершенствование первых технологий

Немного позже появилась система Robodoc: ее разработали, чтобы устанавливать протезы тазобедренного сустава. 

В отличие от традиционных методов, система могла обеспечить сверхточное сверление бедренной кости перед установкой протеза. Это увеличивало стабильность и срок службы импланта, повышало его плотность прилегания к тканям. В результате имплант меньше травмировал окружающие структуры, и риск осложнений был ниже.

Первую операцию человеку провели 7 ноября 1992 года — она оказалась успешной и стала первой из десяти, одобренных федеральным Управлением по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами (FDA) для определения безопасности и практической пользы устройства¹¹.

С 1992 года система ROBODOC провела более 28 тысяч успешных вмешательств¹¹.

В 1990-е годы появились новые технологии. Система ZEUS расширила возможности минимально инвазивной хирургии ⁸. Разработчики установили три роборуки — две для хирургических инструментов и одну для камеры, — которыми можно было управлять с помощью джойстиков^4,12. 

Создателей устройства вдохновили технологии, изначально разработанные в рамках космической программы, — манипуляторы, которые могли работать в условиях невесомости. Их отличал мгновенный отклик на команды и высокая точность движений.

К концу XX века склонное к скептицизму и консерватизму медицинское сообщество начало принимать новых «сотрудников». Всего за 20–30 лет ученым удалось реализовать идею о повышении точности и качества хирургического лечения. Вместе с этим роботы сократили продолжительность операций, снизили количество послеоперационных осложнений и ускорили восстановление пациентов ⁵. С их помощью стали безопаснее сложные процедуры в тех областях, где необходимы максимальная точность и стабильность: в кардио- и нейрохирургии, гинекологии, онкологии.

Однако было еще второе направление, в котором работали исследователи, верящие в роботизированную хирургию: телемедицина. Успех не заставил себя ждать и здесь.

Операция «Линдберг» как символа успеха телемедицинской хирургии

7 сентября 2001 года впервые в мире команда хирургов, находящаяся в Нью-Йорке, провела успешную холецистэктомию 68-летней пациентке, которая в это время была в Страсбурге¹⁴. Для манипуляций использовали систему ZEUS, а саму операцию назвали в честь Чарльза Линдберга, в 1927 году впервые совершившего трансатлантический перелет¹¹. Как и достижение Линдберга, эта операция стала символом преодоления географических границ.

Клинической потребности в проведении удаленной операции не было: она стала чистым экспериментом. Процедуру удаления желчного пузыря выбрали из-за ее относительно низкой сложности. Это позволило минимизировать риски вмешательства.

Вмешательство прошло успешно, и пациентку выписали из стационара без осложнений через два дня. Но поскольку стоимость операции превысила миллион евро, стало понятно — такой подход экономически нецелесообразен.

Тем не менее, исследования в области роботизированной хирургии продолжились: это привело к развитию современных систем, таких как da Vinci. Сегодня их широко применяют в клинической практике — об этом роботе мы подробно поговорим в следующей статье цикла.