Telemanipulator chirurgiczny Robin Heart

Teleoperacje i eksperymentalne badania na zwierzętach

Telemanipulatory, nowe narzędzia chirurgów, zostały wprowadzone w celu zmniejszenia urazu pooperacyjnego oraz zwiększenia precyzji wykonywania operacji małoinwazyjnych. Robot chirurgiczny jest manipulatorem kopiującym (telemanipulatorem), który składa się z dwóch lub więcej ramion narzędziowych i jednego trzymającego kamerę oraz układu zadawania ruchu wraz z układem sterowania. Operator wykonuje różne zadania, sterując ruchem końcówki roboczej przymocowanego do ramienia narzędzia pracującego jako chwytak, nożyczki lub nóż koagulujący.

Robot – telemanipulator chirurgiczny jest złożony z trzech części:

1. konsoli sterowniczej z systemem endowizyjnym,
2. systemu sterowania,
3. manipulatora, tzn. ramion robota z narzędziami roboczymi.

Jednym z pierwszych seryjnie wytwarzanych robotów chirurgicznych typu Master-Slave jest teleoperator Zeus firmy Computer Motion CM (Goleta, CA). Firma CM wprowadziła w 1994 r. na rynek pierwszy system zdalnego pozycjonowania endoskopu AESOP (ang. Auto Endoscope System for Optimal Positioning). Robot da Vinci firmy Intuitve Surgical (która kilka lat temu przejęła firmę Computer Motion i zablokowała sprzedaż produktów Zeus i AESOP) wyposażony jest w konsolę chirurga z okularem stereoskopowym i manetkami manipulacyjnymi oraz układ trzech lub czterech ramion zamontowanych na jednej kolumnie, kamerę i komplet wymiennych narzędzi.

Telemanipulatory chirurgiczne już dzisiaj stanowią wyposażenie wielu sal operacyjnych, przyczyniając się do prowadzenia operacji w sposób mniej inwazyjny, skracając czas hospitalizacji bezpośrednio po operacji i zmniejszając liczbę powikłań pooperacyjnych. Jedyny obecnie dostępny na rynku robot da Vinci firmy Intuitive Surgical został sprzedany w liczbie ponad 1600 sztuk. Około 300 robotów jest w Europie. Od grudnia 2010 r., dzięki staraniom prof. W. Witkiewicza, w Polsce funkcjonuje pierwszy tego typu robot (w Wojewódzkim Szpitalu Specjalistycznym we Wrocławiu). Według informacji prasowych robot będzie wykorzystywany na oddziałach chirurgii ogólnej, naczyniowej i onkologicznej, a także urologii, ginekologii i kardiochirurgii. Czteroramienny robot może być sterowany przez dwóch chirurgów z dwóch niezależnych konsol. Robot wraz z kompletem narzędzi, wystarczających na 30 operacji, kosztował 8,6 mln zł. Koszt operacji, według obliczeń dyrektora szpitala, waha się w granicach 18–24 tys. zł. Pionierskie w Polsce prace kliniczne za pomocą robotów prowadzono w Klinice Kardiochirurgii SUM w Katowicach (prof. A. Bochenek, prof. M. Cisowski) 10 lat temu. Wykorzystywano wówczas z powodzeniem zakupiony robot toru wizyjnego AESOP oraz wypożyczony na 10 operacji robot Zeus.

Robin Heart „na żywo”

Prace nad polskim robotem, finansowane przez KBN (a następnie MNiSW) i Fundację Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu, prowadzone są od 2000 r. Projekt badawczy realizowany przez multidyscyplinarny zespół w kilku ośrodkach naukowych i przedsiębiorstw w Polsce obejmuje swoim zakresem opracowanie różnych strategii operacji, symulacje przebiegu operacji, opracowanie ergonomicznego stanowiska pracy chirurga, zaprojektowanie układu sterowania i konstrukcji mechanicznej manipulatora oraz wykonanie niezbędnych modeli i prototypu. Rezultatem prac jest system urządzeń, prototypów telemanipulatorów chirurgicznych o nazwie Robin Heart, przygotowujący się do wkroczenia na sale operacyjne.

Robot składa się z dwóch lub trzech ramion narzędziowych i jednego trzymającego kamerę. Każde ramię robota ma 3 stopnie swobody (2 obroty i jeden przesuw). Sterowanie robotem odbywa się za pomocą ergonomicznej konsoli Robin Heart Shell. Chirurg, używając przycisków (pedały jako sprzęgła oraz rodzaj dżojstików w dłoni), uruchamia funkcje manipulacyjne i wykonawcze narzędzi, obserwując obraz pola operacji na monitorze. Założono, że naturalna konkurencyjność robotów jest związana z zastosowaniem narzędzi, które mają funkcje automatyczne (co do sposobu działania oraz sekwencji ruchu). System zadawania i kontroli ruchu jest realizowany za pomocą układu przycisków i mikrodżojstików umocowanych w specjalnych uchwytach, których orientacja w przestrzeni związana jest z orientacją końcówki narzędzia wewnątrz ciała pacjenta. Wprowadzono też oryginalne narzędzia mechatroniczne systemu Robin Heart Uni, które można mocować na ramieniu robota lub w specjalnym uchwycie ręcznym.

Polska rodzina robotów Robin Heart liczy już prawie dziesięć modeli i prototypów. W pierwszej fazie powstały trzy modele: Robin Heart 0, Robin Heart 1 i Robin Heart 2, różniące się m.in. koncepcją sterowania i mocowania. Zgodnie z planem, pierwszym robotem, który trafi na sale operacyjne, będzie robot toru endoskopowego. Powstały w latach 2007–2008 telemanipulator Robin Heart Vision, przeznaczony do pozycjonowania endoskopu w trakcie zabiegów chirurgicznych (możliwość zamocowania endoskopów wielu producentów), ma następujące parametry: ramię o kinematyce sferycznej o 4 stopniach swobody i zakresach przemieszczeń 120°, 160°, 150 mm oraz 340° odpowiednio; rozdzielczość pozycjonowania końcówki ramienia: nie gorsza niż 0,1 mm. Opracowany i zaimplementowany układ sterowania realizuje funkcję mapowania ruchów operatora na ruch ramienia wykonawczego z opcją skalowania ruchu, i zawiera elementy systemu bezpieczeństwa robota.

W styczniu 2009 r. wykonano pierwsze eksperymentalne operacje na świniach: usunięcia woreczka żółciowego oraz elementy operacji naprawczych zastawki mitralnej i trójdzielnej. Wskazano obszar niezbędnych zmian, udoskonaleń, które są wprowadzone do opracowywanych urządzeń w ramach opracowania technologii produkcji seryjnej przed wdrożeniem klinicznym [1].

W ciągu 9 miesięcy przygotowano zupełnie nowego robota Robin Heart mc², który odpowiada na potrzeby precyzyjnego działania w małym obszarze pola. To pierwszy robot pracujący za dwóch chirurgów i asystenta kierującego torem wizyjnym. Robota przetestowano w czasie ostatniego eksperymentu w 2010 r. Operację w krążeniu pozaustrojowym wykonano w klasyczny sposób zabezpieczając stan kliniczny operowanego zwierzęcia. Anestezja została wykonana przez Jerzego Stojko (CMD SUM). Perfuzja została zabezpieczona przez Adama Smołkę (SUM).

W pierwszej fazie ustawiono środkowe ramię robota z platformą. Chirurdzy: Michał Zembala i Joanna Śliwka (ŚCCS) wybrali lokalizację ustawienia przejścia przez powłoki ciała tak, by umożliwić pobranie tętnicy piersiowej jako graftu do pomostowania naczyń wieńcowych. Po potwierdzeniu prawidłowej pozycji otworów za pomocą toru wizyjnego osadzono troakary i pozycję ramienia robota. Na platformie roboczej zamontowano tor wizyjny HD oraz dwa narzędzia: zmodyfikowany nóż do elektrokoagulacji firmy EMED (dodano jeden stopień swobody: przegub umożliwiający odchylenie końcówki w kształcie haka) oraz chwytak. Chirurg zasiadł w konsoli i zaczął wykonywać kolejne elementy procedury. Następnie ustawiono robota do operacji wszczepienia graftu naczyniowego w serce. Tym razem zdemontowano platformę i wykonano elementy operacji w systemie klasycznym ustawienia ramion robota: dwa narzędzia oraz tor wizyjny w środku. Wszystkie elementy operacji zarejestrowano za pomocą kilku kamer. Przeanalizowano opinie chirurgów oraz wykonane elementy operacji [2].

Opinie chirurgów zdecydowanie potwierdzają przyjęte założenia konstrukcyjne i ideowe nowego robota. W czasie eksperymentu przetestowano również zmodernizowaną konsolę Robin Heart Shell 2. Opracowywane urządzenia i badania stanowią pionierskie w kraju działania, które zbliżają nas do uruchomienia produkcji w Polsce pełnego systemu zrobotyzowanych elementów wyposażenia sali operacyjnej.

Tele – Robin Heart

Stosowane obecnie klinicznie roboty chirurgiczne wywodzą się z zarzuconego programu wojen gwiezdnych, prowadzonego w latach 1970–1980 przez NASA (nieistniejąca już firma Computer Motion CMI, produkująca robota Zeus) oraz Pentagon (firma Intuitive Surgical IS produkująca robota da Vinci). W 1986 r. Phil Green z Stanford Research Institute (SRI) otrzymał grant na opracowanie zdalne sterowanego robota chirurgicznego. Pierwszy robot testowany był przez waszyngtońskiego chirurga – Richarda Satava.

Pierwsze telepoperacje prototypem robota da Vinci (opracowanym w SRI) wykonali Richard Satava i John Bowersox w 1996 r. Pierwszym spektakularnym sukcesem telechirurgii była Operacja Lindbergh (wrzesień 2001 r.), w której sygnały sterujące robotem przekazywane były na odległość 7 tys. km, z Nowego Jorku do szpitala w Strasburgu (Francja). Jacques Marescaux ze swoim zespołem IRCAD za pomocą robota Zeus usunął pęcherzyk żółciowy 68-letniej pacjentce (opóźnienie podmorskiej sieci światłowodowej nie przekraczało 155 ms). W 2002 r. przeprowadzono kolejną operację, tym razem w Berlinie (rak prostaty). W lutym 2003 r. przeprowadzono pierwszą teleoperację szpital–szpital. Mehran Anvari z Kanady przeprowadził operację, fundoplikację (Nissan) na odległość 350 km (między McMaster University w Hamilton, Ontario Canada a North Bay) robotem Zeus (opóźnienie do 150 ms). Technicznie największym problemem jest opóźnienie przesyłu obrazu, które może uniemożliwić właściwe kontrolowanie działania robota (jako graniczne podaje się opóźnienie 200 ms).

Najważniejszym wydarzeniem grudniowej konferencji Roboty Medyczne 2010 był pierwszy w Polsce eksperyment teleoperacji. Chirurg Joanna Śliwka (na co dzień kardiochirurg ŚCCS w Zabrzu) zza konsoli w FRK w Zabrzu operowała robotem Robin Heart zlokalizowanym w Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego Katowicach–Ligocie. Na tej samej sali operacyjnej kilka miesięcy wcześniej wykonano eksperyment na świni z użyciem robota Robin Heart mc². System przesyłu informacji na odległość – bezprzewodowe łącze radiowe pkt FRK Zabrze – pkt CMD SUM Katowice (13 km) zestawiła firma Emitel, natomiast Pracownia Biocybernetyki zaplanowała, przygotowała i wykonała eksperyment.

Jednym z najistotniejszych elementów było dostosowanie systemu sterowania do potrzeb teletransmisji. W CMD SUM zainstalowano na stole chirurgicznym jedno ramię robota Robin Heart Vision wyposażone w nóż do elektrokoagulacji oraz tor wizyjny na statywie biernym. W modelu klatki piersiowej człowieka umocowano serce wieprzowe. Utrzymywano stały kontakt wizyjny i głosowy między zespołem w Katowicach i widownią na Sali Konferencyjnej w Zabrzu. Chirurg–operator kierował położeniem i działaniem narzędzia za pomocą zadajników ruchu konsoli. Zmierzono czas opóźnienia sygnałów. Uzyskane doświadczenie zostanie wykorzystane do przygotowania projektu serii eksperymentów teleoperacji na zwierzętach wykonywanych w katowickim centrum w Zabrzu. Pomiar opóźnienia przesyłanego sygnału sterowania robotem (1 ms) oraz obrazu (280 ms) świadczy o możliwości wykonania już dzisiaj operacji typu wycięcie pęcherzyka żółciowego. Opóźnienie przesyłu obrazu jest jednak zbyt duże do prowadzenia operacji na sercu.

Konsola Robin Heart Shell

Studia ergonomii pracy chirurga obejmują zagadnienie wizualizacji (adekwatna ekspozycja pola operacyjnego i jakość obrazu), manipulacji i postawy. Wiedza o motoryczności człowieka jest podstawowym zagadnieniem w projektowaniu interfejsu zrobotyzowanego chirurga. Działanie ruchowe człowieka polega wg Bernsteina (1947) na nadążającym porównywaniu pożądanej wartości z aktualną, dotyczącą wskaźników charakteryzujących ruch. Dlatego wielką wagę przykładamy do procedury planowania i programu doradczego dostępnego w konsoli w trakcie operacji. Nasza baza doradcza zmniejsza obszar niepewności, udostępnia dodatkowe metody pośrednie i bezpośrednie. Wykonano i przetestowano w eksperymentach dwa typy konsoli różniące się uchwytem zadajnika ruchu i wyposażeniem oraz geometrią ustawienia elementów konsoli. System jest optymalizowany pod względem funkcjonalnym na podstawie przeprowadzonych badań i będzie zawierał elementy siłowego sprzężenia zwrotnego (dla 2 osi) oraz system doradczy z bazą danych dostępną w trybie on-line i off-line, dla chirurga operatora (zagadnienia do dzisiaj nie są rozwiązane w sposób właściwy w żadnym tego typu urządzeniu). Obecnie tworzony, kolejny model służy do badan ergonomicznych i wprowadzenia systemu sterowania z odczuciem siły. Projektowana konsola ma system obserwacji pola operacyjnego 2D i 3D oraz odpowiedni system wizualizacji pola pracy. Konsola powinna umożliwiać współpracę z inną konsolą, np. Robin Heart Shell 2 w pracy sprzężonej: dwóch operatorów w trybie nauczyciel/obserwator – chirurg operator, nadawca-odbiorca sygnałów sterowania i obrazów oraz w trybie dwóch współpracujących podczas operacji chirurgów [3].

Podsumowanie

Rynek robotyki medycznej rozwija się bardzo dynamicznie. Dzisiaj roboty wzbudzają ogromne zainteresowanie chirurgów i pacjentów. Nie rozwiązano do tej pory jednak wielu zagadnień dotyczących techniki operacji, bezpieczeństwa oraz kryteriów ekonomicznych obszarów stosowania robotów chirurgicznych. Polski projekt robota Robin Heart stanowi istotny wkład w realizację dążenia do europejskiego robota medycznego o podobnym jak da Vinci obszarze zastosowań. Eksperymenty przeprowadzone w 2010 r. udowodniły rosnące kompetencje polskiego zespołu.

W grudniu 2010 r. podczas konferencji Roboty Medyczne (Medical Robots 2010) powołano Międzynarodowe Stowarzyszenie na rzecz Robotyki Medycznej (International Society for Medical Robotics) z siedzibą w Zabrzu. Następna, 9. już konferencja będzie organizowana przez nowo powstałe Stowarzyszenie. Oficjalną stroną internetową nowego towarzystwa z siedzibą w Zabrzu jest www.medicalrobots.eu.

Minęło 10 lat od rozpoczęcia polskiego projektu robota chirurgicznego. Zabrzański zespół nadal odgrywa pionierską i inspirująca rolę dla rozwoju tej multidyscyplinarnej dziedziny nauki, techniki i medycyny. Dzisiaj robot da Vinci stanowi najwyższy standard technologii. Mamy nadzieję, że za kilka lat rozwijane innowacyjne projekty robota Robin Heart będą stanowić uzasadnioną alternatywę dla chirurgów wielu specjalności. Niniejszy artykuł stanowi jedną z prób uzasadnienia tej tezy.

Podziękowania

Projekt robota Robin Heart był finansowany w ramach projektu badawczego KBN 8 T11E 001 18 oraz projektu zamawianego PW-004/ITE/02/2004 i ze środków na naukę w latach 2006–2009 jako projekt badawczy rozwojowy, grant nr R1303301, także kontynuowany obecnie projekt rozwojowy Nr N R13 0058 06/2009, oraz przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii i wielu sponsorów. Dziękuję firmom EMED, FAMED i EMITEL za wsparcie naszych projektów. Dziękuję zespołowi Pracowni Biocybernetyki FRK, w tym głównie P. Kostce, za pracę nad systemem sterowania robota, konstruktorom L. Podsędkowskiemu z zespołem, K. Mianowskiemu, M. Ciembroniewiczowi oraz naszym chirurgom, którzy testują nasze roboty i cierpliwe czekają na kliniczną wersję i produkcję robota Robin Heart – J. Śliwka, R. Cichoń, M. Zembala, K. Filipiak, G. Religa.

Bibliografia

1. Nawrat Z., Kostka P., Dybka W., Rohr K., Podsędkowski L., Śliwka J., Cichoń R., Zembala M., Religa G.: Pierwsze eksperymenty na zwierzętach robota chirurgicznego Robin Heart. PAR 2/2010, s. 539–545.
2. Nawrat Z.: Pierwszy eksperyment in vivo robota chirurgicznego Robin Heart mc²– raport. PAR 2/2011, s. 613–618.
3. Nawrat Z., Kostka P., Małota Z.: Ergonomiczne stanowisko operatora robota chirurgicznego Robin Heart – prace projektowe, konstrukcyjne i badawcze 2009–2010. PAR 2/2011, s. 619–626.

Zbigniew Nawrat
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii im. Prof. Zbigniewa Religi, Zabrze
Katedra Kardiochirurgii i Transplantologii w Zabrzu,
Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach