Роман Смирнов
Новый закон робототехники
Обзор роботов, пришедших в медицину: хирургия, нанотехнологии и не только

Процесс информатизации всего вокруг, кажется, уже не остановить. Еще вчера роботы занимались сборкой машин, а сегодня они учатся эти машины водить.
Скорее всего, уже скоро мы будем наблюдать большое нашествие искусственного интеллекта в практическую медицину. Сегодняшние диковинные аппараты отойдут в прошлое, и перед нами появится новая реальность: нас будут лечить компьютеры.

Проект Fleming отобрал самых прогрессивных роботов, которые уже заняты в медицине.

Пришедшие из книг

Когда мы говорим о роботах в медицине, то чаще всего представляем себе нечто, выполняющее определённую программу, заложенную в память, без постороннего вмешательства и контроля. Конечно, такой подход вполне приемлем для промышленности, но когда речь идёт о человеческом теле, требуются соответствующие навыки врача. Хотя роботы в медицине используются в течение всего лишь нескольких десятилетий, их влияние на лечебно-диагностический процесс неуклонно растёт.

waldo

Обложка книги Хайнлайна

История роботов началась 1940-х годов. Тогда появилась первая концепция удаленного манипулятора: в 1942 году писатель-фантаст Роберт Хайнлайн выпустил короткий рассказ о Вальдо — человеке, настолько слабом, что он не мог поднять голову чтобы есть или пить. Тогда он придумал устройство, которое управлялось перчаткой и шлемом, и могло поднимать тяжести, непосильные для простого человека.

В начале пятидесятых такие устройства уже были изобретены и собраны. Использовались эти манипуляторы сначала в опасных условиях, заражённых радиацией, химикатами, или особо опасными инфекциями, и их применение себя оправдало. Впоследствии эти манипуляторы стали называть по имени главного героя рассказа Хайнлайна — “waldoes”.

Постепенно робототехника пришла и в медицину, что было связано с появлением лапароскопии — метода хирургии, когда хирург пользуется несколькими проколами в стенке полости (например, живота) для введения в неё видеокамеры и инструментов. Такой метод имеет множество плюсов для пациента и врача, как минимальная травматизация (а любая операция — это всегда травма), короткие сроки восстановления функций организма и работоспособности пациента в целом, но визуализация операционного поля (участка, с которым непосредственно работает хирург), возможность чувствовать ткани и пространство для манёвра сильно ограничены, и именно желание иметь полный контроль над операцией в теле пациента подтолкнуло к разработке первого хирургического робота.

puma

PUMA 560

Первым роботом, внедрённым в практику, стал PUMA 560, с помощью которого c 1985 года стали проводить биопсии — забор фрагментов живых тканей для изучения их структуры. Первой же полноценной операцией с участием робота стала лапароскопическая холецистэктомия (удаление желчного пузыря через прокол) в 1987 году, когда доктор Фил Грин из Исследовательского института Стэнфорда вместе с армейским хирургом Джоном Бауэрсоксом разработали первый хирургический удалённый манипулятор.

С 1988 года стали проводиться экспериментальные операции по удалению простаты при помощи PROBOT, а в 1991 году такие операции были внедрены в повседневную практику.

doc-02-right-side

ROBODOC

Следующим же роботом, завоевавшим популярность у хирургов, стал ROBODOC, ассистировавший при операциях по замене тазобедренных суставов. Он же стал первым хирургическим роботом, официально допущенным FDA для медицинской практики. В 1992 году Юлун Вэнг, выпускник Университета Калифорнии в Санта-Барбаре, занимается разработкой манипулятора для NASA и замечает, что применение его изобретения не ограничивается нуждами космонавтики и может применяться в эндоскопии. На основе своего изобретения Вэнг создает AESOP (“Эзоп”) — автоматизированную эндоскопическую систему для оптимального позиционирования. Серьёзной проблемой тогда было отсутствие обратной связи с роботом, что исключало наличие чувствительности, которая важна при осуществлении манипуляций с легко травмируемыми органами. В начале 90-х начала развиваться хаптика — наука о взаимодействии через тактильные ощущения. Благодаря наработкам в хаптике были созданы первые манипуляторы с обратной связью, что стало прорывом в телехирургии: хирург чувствовал, где нужно приложить больше или меньше силы, а робот фильтровал сигналы с контроллера, например, тремор, который бывает у людей в норме, а у хирургов зачастую проявляется от усталости. Открытия в области хаптики используются и в повседневной жизни (например, виброотклик телефона при контакте с сенсорным экраном).

Космические технологии

Однажды в NASA серьёзно задумались: “А если нашим астронавтам понадобится хирургическая помощь на борту корабля?”. Так возникла потребность в создании аппарата для удалённой хирургии. Объединив полученные ранее знания, ученые разработали телеробота Da Vinci.

000800_si_patient_cart_oblique

Da Vinci

Своё название робот получил неслучайно: именно Леонардо да Винчи написал первые труды по анатомии человека и спроектировал (а потом и собрал) на их основе первого в истории человечества робота.

Робот da Vinci настолько точный, что он в состоянии пришить фрагмент кожицы винограда на прежнее место. Помимо точности, робот позволяет осуществлять операции, не находясь в операционной и не нарушая стерильности помещения, благодаря множеству контроллеров и видеосигналу высокого разрешения. В 2000 году робот был допущен FDA для повсеместного использования. Хирурги долго приспосабливались к аппарату, первые операции шли по 6-7 часов, однако сейчас операции с применением da Vinci длятся не более 3-х часов.

Тем не менее, такие трудозатраты оправдывают себя и позволяют осуществлять удалённые операции. В 2003 году при помощи AESOP и ZEUS (аналог da Vinci, произведенный компанией Юлуна Вэнга Computer Motion Inc.) была проведена трансатлантическая операция между Страсбургом и Нью-Йорком. В итоге da Vinci так никуда и не полетел: космонавты и так проходят строгий медицинский контроль и карантин, а отправить 20-30 килограмм, которые с вероятностью 99% на орбите не понадобится — просто выкинуть несколько сотен тысяч долларов для их транспортировки на ветер.

Не только хирургия

Сфера влияния машин в хирургии не ограничивается выполнением операций: программный комплекс ORTHODOC позволяет проектировать операции, проводимые ROBODOC, и воспроизводить индивидуальные модели конечностей пациентов для экспериментальных операций.

Не обошли стороной медицину и нанотехнологии: уже существуют концепты нанороботов, предназначенных для адресной доставки лекарственных средств и лечения рака: за основу робота будет взята модель интересной бактерии магнитококка, открытой в 1993 году. Её особенность заключается в том, что она ориентируется строго вдоль магнитных линий, что позволит управлять ею при помощи слабопольного МРТ-томографа, а её скорость передвижения превышает её собственную длину в 150 раз, но продолжительность жизни микроорганизма в теле млекопитающих не более 40 минут, что весьма ограничивает сферу их применения и требует многократного применения.

Однако, есть и не менее насущные проблемы. Болезни сердечно-сосудистой системы — причина большинства смертей населения развитых стран, и чаще всего они развиваются вследствие атеросклероза — зарастания просвета сосудов жировыми бляшками или закупорка ими сосудов из-за отрыва от стенки сосуда по току крови. Бляшки представляют из себя клеточный “налёт” на повреждённой внутренней оболочке сосудов, собирающий на себя избыток липопротеидов — веществ смешанной белково-жировой природы, предназначенных именно для транспортировки жиров в крови. Очистить стенки сосудов от этого “налёта” должен микроробот, запущенный в крупную артерию под контролем хирурга, над конструкцией которого сейчас работают учёные со всего мира. Предполагается, что его управление будет осуществляться с помощью встроенного пьезоэлектрического двигателя, но размер в четверть миллиметра слишком мал, чтобы встроить в него “мозг” для выполнения своей работы при существующих технологиях.

21st-century-medicine

iRobot

Зачастую, когда речь идёт о медицинских роботах, мы вспоминаем именно робот-ассистированную хирургию, но медицинская робототехника не ограничивается ею, потому что хирургия — только часть медицины, ведь есть ещё и терапия, то есть, лечение внутренних болезней. Современная техника научилась взаимодействовать с нашими носимыми устройствами. Эта особенность легла в основу iRobot. iRobot взаимодействует с медицинской аппаратурой, подключенной к нему, и передаёт всю телеметрию на планшет врача. Уже основываясь на показаниях телеметрии, врач определяет, придерживаться ли назначенного лечения или корректировать его. Такая оперативность позволяет курировать большее число пациентов и менять тактику лечения, основываясь на оперативных данных об их состоянии. В педиатрии есть аналог этого робота — CosmoBot, но его цель — помогать врачу оценивать состояние детей с особенностями развития, облегчая контакт с ребёнком на протяжении длительного времени.

paro

PARO

Известен в педиатрии и гериатрии (раздел медицины о болезнях пожилых людей) робот PARO — плюшевая игрушка в форме детёныша гренландского тюленя, которая реагирует на прикосновения и голос, откликаясь на имя, имитирует радость, удивление и гнев, и в отличие от живого тюленя “просыпается” и “засыпает” вместе с владельцем. Она предназначена для зоотерапии, при этом сводя на “нет” любые нежелательные явления, возможные при контакте с живым зверем. Таканори Сибата, разработчик робота, вдохновился идеей его создания в Канаде, когда увидел бельков во льдах у северо-восточного побережья. Там же он и записал крики бельков, и эти записи теперь заложены в память робота. С момента представления робота широкой публике в 2001 году уже вышло 9 версий робота. Последняя версия работает до 9 часов, имеет усиленные соединения и искусственный мех с антибактериальным эффектом. Пожилым людям также часто хочется общения, и робот Vasteras Giraff помогает им не терять контакт с внешним миром. По сути, робот представляет из себя компьютер с видеосвязью по типу Skype, только с пультом дистанционного управления для перемещения его по дому.

Сестринский уход — тоже часть лечения, и постепенно её начинают доверять роботам. На медицинских сестёр возложена ответственность не только в плане выполнения назначений врача, но и в плане помощи в реабилитации и социализации. Aethon TUG — автоматизированный носильщик, который не только способен доставлять лекарства и еду лежачим пациентам, но и заниматься их транспортировкой и различными хозяйственными нуждами. Согласно последним подсчётам, робот, работая круглосуточно, может заменить трёх человек среднего медперсонала, при этом его покупка обойдётся дешевле годовой зарплаты одного из них. Казалось бы, можно заменить людей роботом-носильщиком, но нет и не будет замены сёстрам индивидуального ухода. В помощь им, а также для повседневного применения создан Bestic — рука с ложкой, крепящаяся на любой стол и управляемая любым удобным способом, что позволяет пользователю чувствовать себя независимым. В сестринском деле есть и аналог da Vinci под названием Cody, он может выступать спутником для ограниченно-мобильных пациентов, служить им опорой, помогать открывать двери и ящики. Для контроля же выполнения назначений сестрами есть Anybot — нечто наподобие Vasteras Giraff, только мобильный, управляемый врачом дистанционно.

***

Роботы выходят на замену людям повсеместно. Они уже заменяют нам секретарей и рабочих. Скоро на место водителей и полицейских придут свои машины, которые будут выполнять ту же функцию, что и люди. На место врачей они уже пришли, и лишь вопрос времени и доверия, когда они начнут лечить нас.

 


Если вы нашли опечатку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter


Понравилась статья? Подпишитесь!

Резонансное дело

Как делили Нобелевскую премию за МРТ - "The Economist"

Доктор, что со мной будет?

Первая глава книги Никиты Жукова "Модицина"