Chirurgie robotique - une technologie numérique qui sauve des vies

Les exigences de la société moderne et les menaces actuelles de pandémies nécessitent des technologies de traitement fondamentalement nouvelles. L'utilisation de robots en médecine - la chirurgie robotique - est la direction qui fournit une telle technologie. La chirurgie robotique, nouvelle tendance en matière de chirurgie, dont l'efficacité médicale a été prouvée, est activement développée et mise en œuvre dans des cliniques du monde entier. De nombreux pays ont mis en place des programmes d'État pour stimuler l'introduction de la chirurgie robotisée, des instituts spéciaux et des centres de développement sont créés, et une coopération internationale se met en place. Bien que l’introduction de cette technologie en médecine ait été plus lente que dans d’autres domaines, l’impact peut être énorme : la robotique en thérapie peut contribuer à réduire les erreurs humaines, à raccourcir les temps de récupération et à réduire les séjours à l’hôpital, améliorant ainsi la qualité de vie des patients.

La chirurgie robotique : essence, avancées significatives et avantages

Chirurgie robotisée - passage au niveau supérieur dans les opérations basées sur les nouveaux principes d'interaction à distance entre le chirurgien et le patient et les nouvelles technologies chirurgicales robotisées.

Les progrès technologiques réalisés ces dernières années dans le domaine de la chirurgie robotique :

• réaliser une intervention chirurgicale à distance de la table d'opération par un chirurgien assis dans une posture confortable qui lui permet d'être moins fatigué et, par conséquent, plus concentré et attentif,
• surmonter la barrière causée par les capacités physiologiques des mains du chirurgien : la chirurgie robotique peut éliminer les tremblements et améliorer la précision de la main,
• la caméra 3B permet au chirurgien d'isoler et de visualiser un champ opératoire aussi petit que possible, ouvrant ainsi la possibilité de travaux pratiques avec de petits organes, vaisseaux, terminaisons nerveuses, etc. La chirurgie robotique a été acceptée par la communauté chirurgicale mondiale et se développe activement. En plus de ces avancées, l'introduction de la chirurgie robotique offre des avantages significatifs à tous les niveaux des organisations de soins chirurgicaux. Pour le patient :
• Traumatisme minimal des organes et de la peau pendant la chirurgie,
• Faible probabilité de complications après la chirurgie,
• perte de sang minimale,
• Préservation des faisceaux nerveux, des gros vaisseaux, des organes séparés,
• La préservation des fonctions vitales, ce qui était impossible auparavant,
• un minimum de temps passé à la clinique et une récupération rapide. Pour le chirurgien :
• La précision d'actionnement d'un instrument chirurgical - auparavant indisponible, jusqu'à la taille des cellules,
• l'utilisation de micro-instruments,
• accès facile au champ opératoire. Pour la clinique :
• Réduction des complications postopératoires,
• Réduire la durée du séjour d'un patient à la clinique, augmenter la rotation des lits,
• mise en œuvre des technologies numériques, augmentation du prestige et de l'attractivité de la clinique, augmentation de l'afflux de patients. Pour l'état :
• Développement de nouvelles technologies numériques dans le domaine de la santé, y compris l'intelligence artificielle,
• Économies importantes et optimisation de l'utilisation des lits,
• mise en œuvre des technologies les plus avancées et les plus efficaces pour les soins aux patients.

Les chirurgiens du fer

La plupart des chirurgiens robotiques ne sont pas des robots au sens classique du terme. Ils ne sont pas indépendants et agissent selon les ordres, répétant les mouvements humains. Cela dit, la robotique chirurgicale a commencé spécifiquement avec des machines programmables et ce n'est qu'ensuite qu'elle a changé de direction.

De l'historique

En 1985, un robot a été utilisé pour la première fois lorsqu'un homme de 52 ans a été manipulé dans un scanner pour ouvrir son crâne et prélever un échantillon de tissu. Dans cette opération, les chirurgiens ont été assistés par un bras PUMA 200 construit pour être utilisé sur les chaînes de montage de General Motors. Le composant industriel était nécessaire pour positionner et maintenir avec précision le tube de guidage à travers lequel l'aiguille était insérée. L'opération s'est terminée en toute sécurité, mais le fabricant du robot a interdit l'utilisation de PUMA en chirurgie. Cela peut être dû à des risques de réputation et à des risques juridiques.

ROBODOC

L'année suivante, le vétérinaire Howard "Hap" A. Paul et l'ingénieur William Bargar, ainsi que des spécialistes d'IBM, ont lancé le développement d'un robot pour l'endoprothèse articulaire. Dans le passé, les implants étaient placés à l'aide de ciment acrylique. Mais ce matériel s'est détérioré avec le temps, et les patients ont dû repasser sous le bistouri. Au milieu des années 1980, une alternative est apparue - les implants poreux. L'os fusionne avec eux et la nouvelle articulation sert pendant des décennies. Plus l'écart est long, plus l'écart est petit et plus l'insertion est précise. Pour faire des encoches dans l'os pour la pose d'implants, Paul et Bargar ont inventé ROBODOC, après Robocop. ROBODOC a d'abord été testé sur des chiens blessés à la hanche, puis sur des humains sous la supervision de la Food and Drug Administration (FDA). Structurellement, le Robodoc est un bras SCARA à 5 axes avec une tête de coupe, un capteur de pression à 6 axes et un système d'alimentation en eau pour le refroidissement et le dépoussiérage fixé à l'extrémité de la péninsule. ROBODOC a réussi à obtenir une coupe de haute précision jusqu'à 0,5 mm. En conséquence, le robot n'a coupé que 0,54 % de tissu en plus que nécessaire. C'est même si les chirurgiens ont retiré manuellement environ 30 % d'os en plus lors de la pose de l'implant. Malgré les résultats positifs, les essais cliniques ont été retardés. En 1994, ROBODOC est devenu le premier robot chirurgical autorisé sur le marché de l'UE, mais l'utilisation de la machine a été rapidement interrompue en raison d'une série d'accidents. Les révisions et les nouveaux tests n'ont pris fin qu'en 2008. Ce n'est qu'alors que ROBODOC a finalement reçu l'approbation de la FDA. C'était le seul système chirurgical programmable certifié aux États-Unis pendant une période prolongée.

Chirurgiens militaires

Pour la première fois dans le domaine militaire de la robotique médicale, plus précisément - le concept de téléchirurgie a intéressé les ingénieurs de l'agence de défense américaine DARPA. Cette idée semblait très prometteuse. À l'aide d'un robot télécommandé, les chirurgiens pourraient opérer les blessés non loin des lignes de front sans être distraits par les balles sifflant au-dessus de leurs têtes. La DARPA a financé la recherche sur la téléchirurgie pendant dix ans, jusque dans les années 1990. Il s'est avéré qu'à plus de 200-300 ms de retard de signal, la chirurgie devient difficile, et à 700 ms, très peu de chirurgiens peuvent accomplir leurs tâches. Puis les militaires ont décidé qu'ils ne pouvaient pas fournir la vitesse de communication nécessaire et ont gelé le programme. L'un des adeptes de la DARPA était Yulun Wang, un candidat au doctorat de l'Université de Californie, Santa Barbara. En 1992, il a conçu AESOP, un laparoscope robotisé. Deux ans plus tard, cet appareil est doté d'une commande vocale. Les chirurgies laparoscopiques pouvaient désormais être réalisées sans l'aide d'un assistant en chair et en os, ouvre Computer Motion, Inc. C'est ainsi que le premier acteur sérieux est apparu sur le marché de la robotique chirurgicale. La FDA a approuvé la vente d'AESOP en 1994, et en 1995, Computer Motion, une société fondée par Wang, a commencé à tester ZEUS, un nouveau système chirurgical. Un autre adepte est Akhil Madhani, étudiant au MIT, qui, en 1993, avec l'aide du professeur Kenneth Salisbury, a assemblé le télémanipulateur Black Falcon. Cette conception est devenue la base des manipulateurs de la première génération du robot chirurgien da Vinci. Au début, da Vinci était présenté comme un appareil spécialisé pour les opérations cardiaques délicates. Pourtant, les urologues et les gynécologues, qui devaient travailler dans une cavité pelvienne exiguë et remplie de divers organes, se sont intéressés au robot. La FDA a alors autorisé da Vinci pour la chirurgie pelvienne mini-invasive. Depuis lors, ce robot chirurgien est resté le plus populaire, plusieurs nouveaux systèmes copiant son design. Au 31 mars 2021, Intuitive Surgical avait déjà installé 6 142 générations différentes de robots dans le monde. La liste des procédures dans lesquelles da Vinci est utilisé ne cesse de s'allonger.

Les raisons de la popularité

L'utilisation du robot contribue à raccourcir la période de rééducation et permet aux patients de rentrer chez eux deux jours après l'opération, avec des cicatrices quasi inexistantes. En comparaison, après une chirurgie conventionnelle, ils passaient des semaines à l'hôpital avant de pouvoir sortir. De plus, lors d’une opération sans robot, les mouvements du chirurgien sont fortement limités ; il est incapable d’amener l’instrument sur la cible à un angle arbitraire et doit utiliser des outils supplémentaires pour compenser. Le médecin doit observer la procédure à l'aide d'une caméra laparoscopique, ce qui signifie une mauvaise vue et une image plate et bidimensionnelle. Tout cela rend très difficiles des procédures relativement simples comme la suture et le nouage. Les robots peuvent faire toutes les mêmes choses, mais ils sont beaucoup plus faciles à utiliser que les instruments laparoscopiques. Le chirurgien travaille avec les manipulateurs da Vinci comme si ses mains étaient à l'intérieur du patient. Le robot élimine l'effet de point de service et vous permet d'utiliser les compétences acquises lors des chirurgies ouvertes. Il existe des avantages supplémentaires. Le robot filtre les mouvements du chirurgien et réduit la gigue des instruments, même par rapport à la chirurgie ouverte. En outre, da Vinci met les activités à l'échelle, par exemple 2 pour 1 - en transformant chaque deux centimètres de mouvement du bras du chirurgien en un centimètre de mouvement du manipulateur..

Les inconvénients du da Vinci

En plus de 20 ans de pratique clinique, le da Vinci a acquis la réputation d'être une machine bien pensée et sûre, mais le robot est loin d'être parfait. Les ingénieurs ont dû faire de nombreux compromis dans sa conception.

• Mauvaise précision. Vous ne pouvez pas contrôler les mouvements des bras car les capteurs sont du côté du moteur. De plus, les câbles se déplacent et frottent contre la coque en polymère à chaque déplacement du robot. Et plus le rayon de courbure de la ligne est petit, plus il y a de friction. Il est difficile de compenser cela par programmation, surtout si vous essayez de garder les mouvements fluides. C'est pourquoi da Vinci ne peut pas être un chirurgien robotique autonome. La précision de la mécanique du robot est d'environ 2 mm et l'erreur de retour répété de l'instrument au même point est d'environ 1 cm. Le chirurgien surveille cela en permanence et corrige les mouvements.
• Volume de travail et force inégale. Gardez à l'esprit que la précision, comme la force du robot, n'est pas constante. Ils dépendent non seulement du nombre d'articulations et de la mobilité mais aussi de la position des manipulateurs dans l'espace.
• Commentaires limités. Un autre inconvénient important est que les bras du robot ne fournissent pas de retour tactile. Lors d'une chirurgie ouverte conventionnelle, le chirurgien s'appuie fortement sur le toucher, par exemple pour distinguer un type de tissu d'un autre ou pour resserrer doucement une suture. Léonard de Vinci prive le chirurgien de ce sens. Cet inconvénient est noté par presque tous ceux qui critiquent le système. Le robot peut exercer plus de force à un endroit qu'à un autre. Il en va de même pour la précision de positionnement. Certains problèmes sont plus imprécis que d'autres.
• Durée des opérations. Des études montrent que les chirurgies assistées par robot sont en moyenne plus rapides que les chirurgies ouvertes mais plus longues que les chirurgies laparoscopiques conventionnelles. Et plus la durée augmente, plus les risques augmentent : le patient reste plus longtemps sous anesthésie générale et plus de dioxyde de carbone est absorbé dans les tissus.
• Coût. Les chirurgiens robotiques modernes coûtent environ 2 millions de dollars, mais leurs ventes ne rapportent à l'entreprise que plus de 30% des bénéfices. Le reste provient de l'entretien et des fournitures d'outillage. Les consommables coûtent cher. Pour le prix d'une pince robotique, vous pouvez acheter plusieurs instruments laparoscopiques traditionnels pour des centaines de chirurgies. Pour atteindre le seuil de rentabilité après l'achat d'un robot da Vinci, vous auriez besoin de 150 à 300 chirurgies robotiques chaque année pendant six ans. La chirurgie robotique aux États-Unis coûte entre 3 000 $ et 6 000 $ de plus que la chirurgie conventionnelle. Par conséquent, les administrateurs d'hôpitaux ne sont pas intéressés à laisser un robot inactif. Aux États-Unis, les patients sont souvent "poussés" ; avoir recours à la chirurgie robotique, même si les chirurgies conventionnelles sont moins chères et peuvent être meilleures d'un point de vue médical.

Quelle est la difficulté de développer des chirurgiens robotiques

De nombreux chirurgiens constatent un manque de clarté de l'image, d'où la nécessité d'améliorer les caméras. En outre, on pense qu'il est déjà possible de créer des chirurgiens robotisés bien meilleurs avec la technologie standard. Pourtant, le marché est dominé par un système qui n'a pas fondamentalement changé en 20 ans. La raison principale est qu'il s'agit d'un défi technique difficile à relever. Le robot chirurgical idéal doit être précis, agile, rapide, capable d'effectuer des mouvements délicats, d'exercer une grande force et de saisir et soulever des poids de manière fiable. Les caractéristiques requises sont interdépendantes, et tout réaliser en même temps est une tâche complexe et difficile. Par exemple, la précision d'un robot. Elle dépend de divers facteurs. En voici une liste partielle : la conception et le poids du bras, les jeux, la tension des câbles, la friction, la résolution des capteurs, les erreurs de calcul, la qualité des composants et même la température de la salle d'opération. Et tous ces facteurs interagissent les uns avec les autres. Un autre exemple est la rigidité structurelle. Elle accroît la précision mais augmente la taille et le poids du bras. Elle augmente l'inertie, de sorte que le robot se déplace plus lentement et est en retard sur le chirurgien. Il est difficile, voire impossible, de faire en sorte qu'un robot soit bon dans tous les domaines. Les ingénieurs doivent manœuvrer entre des exigences contradictoires, ce qui conduit inévitablement à des compromis. Les conditions dans lesquelles travaille un robot chirurgien ne le rendent pas véritablement autonome. Dans un organisme vivant, tout se déforme et change de forme. Malgré le chauffage intégré, la caméra se salit et s'embue pendant l'opération. La programmation d'un robot chirurgien n'est pas non plus une tâche aisée. Des calculs complexes se cachent derrière l'apparente facilité avec laquelle les mouvements humains sont transmis au robot. Ils sont surtout essentiels pour déterminer la position correcte du robot. En outre, la vitesse de chaque actionneur doit être calculée pour que le bras ne dépasse pas une trajectoire sûre et ne blesse pas le patient. Pour réduire les oscillations de l'instrument, des accélérations et décélérations progressives sont mises en œuvre. Un seul dysfonctionnement d'un chirurgien robotisé peut coûter la vie à une personne. La règle d'or généralement admise ici est donc que plus la conception est simple, mieux c'est. Les ingénieurs sont très sûrs d'eux et utilisent rarement des technologies prometteuses mais non testées ou immatures. Les chirurgiens robotiques subissent d'innombrables tests et essais avant d'opérer sur des humains. Le processus s'étend sur des années, ce qui rend le développement encore plus difficile et coûteux. Et si vous vendez les robots en dehors des États-Unis, vous devez obtenir des autorisations dans chaque pays. C'est principalement pour cette raison que 71 % des ventes de robots se font encore aux États-Unis, contre seulement 15 % en Europe et 10 % en Asie. Un défi important consiste à prouver que le robot est médicalement bénéfique. Personne ne conteste que da Vinci rend le travail des chirurgiens plus accessible, mais il n’est pas certain que la machine soit utile pour le patient. Les avantages ne sont pas évidents, et il n'y a souvent aucune preuve qu'un robot est meilleur pour un type particulier de chirurgie que les instruments laparoscopiques conventionnels.

Le marché de la chirurgie robotique : performances, tendances et perspectives de croissance

Malgré toutes les difficultés, le marché de la chirurgie robotique se caractérise comme un marché en croissance rapide. Au cours des 8 à 10 dernières années, il a augmenté en moyenne de 15 à 18 % par an. Le volume de chirurgies effectuées à l'aide d'un robot chirurgical augmente d'environ 18 à 21 % par an. En 2019, environ 1,2 million d'interventions chirurgicales robotisées ont été réalisées dans le monde. Sur toute la période d'introduction de la chirurgie robotique, les chiffres étaient :

• 7 200 000 opérations ont été réalisées à l'aide d'un robot chirurgical,
• 5 500 robots da Vinci vendus.

Le pronostic de la chirurgie robotique

• La base mondiale installée de robots chirurgicaux sera multipliée par plus de 4,5 en 2030 par rapport à 2017.
• La croissance chirurgicale sera tirée à la fois par une augmentation de la base installée et une augmentation de l'utilisation : de 200 chirurgies par an et par robot à 309 chirurgies en 2030.
• Durée prévue en 2030. Cinq millions d'opérations sur 20 000 robots installés correspondent à une moyenne d'une opération par jour et par robot.

Perspectives de la chirurgie robotique dans le monde

Dans tous les pays économiquement avancés, l'adoption de technologies chirurgicales robotisées suscite un intérêt et une croissance. Plus de 80 entreprises travaillent dans le domaine de la chirurgie robotique dans le monde entier. Des robots chirurgicaux sont en cours de développement pour les opérations dans la région abdominale (y compris l'urologie et la gynécologie), les articulations du squelette, le squelette, les poumons, les yeux, le cœur, les vaisseaux, le cerveau et les faisceaux nerveux.

Analyse des données par pays

L'Europe, les États-Unis et le Japon ont installé 93 % de leurs systèmes robotiques. Les entreprises dépensent des centaines de milliers de dollars pour développer de nouveaux robots chirurgicaux. Le reste de la population mondiale de 6 milliards de personnes n'est que de 7% - c'est 400 systèmes robotiques installés. L'Inde et la Chine, avec une population de 2,7 milliards d'habitants, ne représentent que 3 % - environ 170 systèmes automatiques installés.

L'avenir des chirurgiens robotiques

L'informatique nous a habitués à des révolutions régulières, presque annuelles. En informatique, une nouvelle idée jaillit, gagne en popularité et devient obsolète en un an. En médecine, c'est différent. En raison de toutes ces complexités, le développement et la mise en œuvre de chirurgiens robotiques nécessitent d'énormes investissements, et les investissements dans ce domaine donnent des résultats des décennies plus tard. Quoi qu'il en soit, le marché de la robotique chirurgicale est en croissance (devrait croître de 13,14 % d'ici 2025). La concurrence s'intensifie et des robots de type da Vinci font leur apparition - par exemple, le coréen Revo-i et le chinois Micro Hand S. Dans le même temps, le conservatisme de la médecine s'avère être une opportunité inattendue. En voyant comment les ingénieurs mélangent les technologies existantes, il est possible d'anticiper l'avenir de la robotique médicale.

Développements prometteurs

Manipulations flexibles

Les chirurgiens ont besoin de plus de flexibilité dans leurs bras. Il s'agit notamment d'une plus grande liberté d'action et de la possibilité d'effectuer des interventions chirurgicales sans incisions visibles, par des ouvertures naturelles dans le corps, ou en se déplaçant vers le bon point du corps via de grands vaisseaux. Le nouveau modèle da Vinci SP est déjà doté d'instruments multi-articulaires insérés dans le corps par une seule ouverture. Le système israélien Hominis, qui a récemment reçu l'approbation de la FDA, est encore plus flexible. Les outils de ce chirurgien robotisé se plient à 360 degrés, mais ils ne se nouent pas. Il existe des endoscopes robotisés en forme de serpent, comme Flex et des cathéters automatisés. Il n'y a pas si longtemps, ils ont effectué une série d'opérations sur des porcs en utilisant un tel dispositif. Le cathéter a atteint la valve cardiaque automatiquement en suivant les parois du vaisseau et en naviguant à l'aide d'un capteur optique tactile hybride et d'algorithmes d'apprentissage automatique.

Nouveaux actionneurs

En parallèle, des expériences sont en cours avec de nouvelles variétés de moteurs pour remplacer les cordes et les actionneurs électriques. Tout est à l'étude, y compris la pneumatique et l'hydraulique, mais les polymères électroactifs - des muscles artificiels - semblent être les plus prometteurs pour la chirurgie mini-invasive. Ils sont peu coûteux, très déformables, peu encombrants et développent une force considérable. Mais ces technologies nécessitent des tensions élevées pour fonctionner. L'utilisation de quelques centaines de volts à proximité du patient est dangereuse, aussi ces développements sont-ils traités avec prudence.

Apprentissage automatique

La blockchain n'a pas encore été mise en œuvre en chirurgie, mais l'apprentissage automatique y joue un rôle important. Ici, il peut être utile sur plusieurs niveaux à la fois. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent simplifier le calcul des mouvements des manipulateurs ou automatiser des étapes entières de la chirurgie. Par exemple, en 2020, une équipe de l'Université de Californie à Berkeley a entraîné un réseau neuronal à réaliser des points de suture parfaitement droits à l'aide d'enregistrements vidéo. En outre, en 2016, lors d'une opération chirurgicale, des chercheurs ont montré qu'un chirurgien robotisé était capable de recoudre seul des fragments d'intestin de porc. Cependant, les chirurgiens ont ensuite pré-marqué la zone chirurgicale avec des marqueurs infrarouges. Ceux-ci ont guidé le robot pendant l'opération. Malheureusement, ces dispositifs ne sont pas pratiques - ils ne sont pas faciles à implanter et difficiles à retirer. Le principal problème est d'apprendre aux robots à utiliser de telles compétences dans les conditions changeantes du corps humain. Jusqu'à présent, les algorithmes ont été formés pour s'appuyer sur les données des caméras. Il n'est pas encore certain que les algorithmes de vision artificielle puissent fonctionner inside the body. However, this is not the only way.

Intégration avec les scanners médicaux

L'intégration des robots aux scanners médicaux est d'une grande importance en robotique médicale : CT, IRM et échographie. Il existe des systèmes et des capteurs d'ultrasons robotisés distincts conçus pour être installés sur da Vinci. Leur image est généralement transmise à une fenêtre différente dans le champ de vision du chirurgien. Les systèmes de chirurgie générale intégrés au CT et à l'IRM sont encore au stade de la conception.

Réalité augmentée et virtuelle

De toutes les innovations énumérées, celle-ci est la plus proche. L'introduction de la réalité augmentée en chirurgie est une question d'avenir proche. Il s'agit d'une évolution logique des interfaces des chirurgiens robotisés ; la seule question est de savoir quelles informations supplémentaires afficher dans le champ de vision du médecin. D'ailleurs, en décembre 2019, la réalité virtuelle à part entière est officiellement arrivée dans les salles d'opération. La FDA a approuvé les opérations chirurgicales réalisées à l'aide du robot Vicarious Surgical. Ce système reproduit le corps humain : tête, épaules, coudes et poignets. Le robot est relié à des lunettes de réalité virtuelle de pointe, de sorte que le chirurgien est immergé dans la tête. Ainsi, il ne fait aucun doute que la robotique médicale va évoluer. Plusieurs avancées de la robotique dans le domaine médical peuvent améliorer la qualité des traitements et les résultats pour les patients. Cependant, plusieurs obstacles doivent être surmontés pour que ces technologies soient appliquées aux soins des patients sur le long terme. Outre des développements complexes et souvent coûteux, les entreprises de ce secteur devront tenir compte de facteurs tels que la réglementation, la tarification et la formation des professionnels de la santé, sans oublier les considérations émotionnelles et éthiques dans un domaine aussi sensible que la médecine. La technologie robotique peut apporter des avantages considérables aux soins de santé. Pourtant, il n'existe pas de consensus sur la question de savoir si tous les problèmes ont été surmontés pour assurer l'application pratique à long terme de cette technologie. Les robots ne remplaceront peut-être jamais les chirurgiens, mais cela n'a pas d'importance ; ce qui compte, c'est qu'ils contribueront à sauver de vraies vies sous peu..