Chirurgia robotica-tecnologia digitale che salva la vita

Le esigenze della società moderna e le attuali minacce di pandemie richiedono tecnologie di trattamento fondamentalmente nuove. L'uso dei robot in medicina - chirurgia robotica - è la direzione che fornisce tale tecnologia. La chirurgia robotica come nuova tendenza in chirurgia, dimostrata altamente efficace dal punto di vista medico, viene attivamente sviluppata e implementata nelle cliniche di tutto il mondo. Molti paesi hanno programmi statali che stimolano l'introduzione della chirurgia robotica, sono in corso la creazione di istituti speciali e centri di sviluppo e si sta formando la cooperazione internazionale. Sebbene l'introduzione di questa tecnologia in medicina sia stata più lenta che in altri campi, l'impatto può essere enorme: la robotica in terapia può aiutare a ridurre gli errori umani, abbreviare i tempi di recupero e ridurre le degenze ospedaliere, migliorando in definitiva i pazienti' qualità della vita.

Chirurgia robotica: essenza, progressi significativi e vantaggi

Chirurgia robotica: passaggio al livello successivo nelle operazioni basate su nuovi principi di interazione remota tra chirurgo e paziente e nuove tecnologie di chirurgia robotica.

Progressi tecnologici nella chirurgia robotica negli ultimi anni:

• l'intervento chirurgico a distanza dal tavolo operatorio da parte di un chirurgo seduto in una postura comoda che gli permetta di essere meno stanco e, di conseguenza, più concentrato e attento,
• superare la barriera causata dalle capacità fisiologiche delle mani del chirurgo: la chirurgia robotica può rimuovere i tremori e migliorare la precisione della mano,
• la telecamera 3B consente al chirurgo di isolare e visualizzare un campo chirurgico il più piccolo possibile, aprendo così la possibilità di lavoro pratico con piccoli organi, vasi, terminazioni nervose, ecc. La chirurgia robotica è stata accettata dalla comunità chirurgica globale e si sta sviluppando attivamente. Oltre a questi progressi, l'introduzione della chirurgia robotica offre vantaggi significativi a tutti i livelli delle organizzazioni di assistenza chirurgica. Per il paziente:
• Traumi minimi agli organi e alla pelle durante l'intervento chirurgico,
• Bassa probabilità di complicanze dopo l'intervento chirurgico,
• minima perdita di sangue,
• Conservazione di fasci nervosi, grandi vasi, organi separati,
• Preservazione delle funzioni vitali, che prima era impossibile,
• tempo minimo di permanenza in clinica e una rapida guarigione. Per il chirurgo:
• La precisione di operare uno strumento chirurgico - precedentemente non disponibile, fino alle dimensioni delle cellule,
• l'uso di microstrumenti,
• facile accesso al campo operatorio. Per la clinica:
• Ridotte complicazioni postoperatorie,
• Ridurre la durata della permanenza del paziente in clinica, aumentare il turnover dei posti letto,
• implementazione delle tecnologie digitali, aumentando il prestigio e l'attrattiva della clinica, aumentando l'afflusso di pazienti. Per lo stato:
• Sviluppo di nuove tecnologie digitali nel settore sanitario, compresa l'intelligenza artificiale,
• Risparmio significativo e ottimizzazione dell'uso dei letti,
• implementazione delle tecnologie più avanzate ed efficienti per la cura del paziente.

Chirurghi del ferro

La maggior parte dei chirurghi robotici non sono robot nel senso classico della parola. Non sono indipendenti e agiscono secondo i comandi, ripetendo i movimenti umani. Detto questo, la robotica chirurgica è iniziata proprio con le macchine programmabili e solo allora ha cambiato direzione.

Dalla storia

Nel 1985, un robot è stato utilizzato per la prima volta quando un uomo di 52 anni è stato manipolato in uno scanner TC per aprire il cranio e prelevare un campione di tessuto. In questa operazione, i chirurghi sono stati assistiti da un braccio PUMA 200 costruito per l'uso sulle linee di montaggio General Motors. Il componente industriale era necessario per posizionare e trattenere con precisione il tubo guida attraverso il quale veniva inserito l'ago. L'operazione si è conclusa in sicurezza, ma il produttore del robot ha vietato l'uso di PUMA in chirurgia. Potrebbe essere stato dovuto a rischi legali e reputazionali.

ROBODOC

Il prossimo anno, il veterinario Howard "Hap" A. Paul e l'ingegnere William Bargar, insieme agli specialisti IBM, hanno lanciato lo sviluppo di un robot per l'endoprotesi articolare. In passato, gli impianti venivano inseriti utilizzando cemento acrilico. Ma questo materiale si è deteriorato nel tempo e i pazienti hanno dovuto andare di nuovo sotto i ferri. A metà degli anni '80 apparve un'alternativa: impianti porosi. L'osso si fonde con loro e la nuova articolazione serve per decenni. Più lungo, minore è lo spazio vuoto e più preciso è l'inserimento. Per realizzare intagli nell'osso per il posizionamento dell'impianto, Paul e Bargar hanno inventato ROBODOC, dopo Robocop. ROBODOC è stato testato prima su cani con lesioni all'anca e poi su esseri umani sotto la supervisione della Food and Drug Administration (FDA). Strutturalmente, il Robodoc è un braccio SCARA a 5 assi con una testa di taglio, un sensore di pressione a 6 assi e un sistema di alimentazione dell'acqua per il raffreddamento e la rimozione della polvere fissato all'estremità della penisola. ROBODOC è riuscito a ottenere un taglio di alta precisione fino a 0,5 mm. Di conseguenza, il robot ha tagliato solo lo 0,54% in più di tessuto del necessario. È anche se i chirurghi hanno rimosso manualmente circa il 30% in più di osso durante il posizionamento dell'impianto. Nonostante i risultati positivi, gli studi clinici sono stati ritardati. Nel 1994, ROBODOC è diventato il primo robot chirurgico consentito sul mercato dell'UE, ma l'uso della macchina è stato presto interrotto a causa di una serie di incidenti. Le revisioni e i test si sono conclusi solo nel 2008. Solo allora ROBODOC ha finalmente ricevuto l'approvazione della FDA. È stato l'unico sistema chirurgico programmabile certificato negli Stati Uniti per un lungo periodo.

Chirurghi militari

Per la prima volta nel campo militare della robotica medica, più precisamente, il concetto di telechirurgia ha interessato ingegneri dell'agenzia di difesa statunitense DARPA. Questa idea sembrava molto promettente. Utilizzando un robot con telecomando, i chirurghi potevano operare sui feriti non lontano dalla prima linea senza essere distratti dai proiettili che sfrecciavano sopra le loro teste. La DARPA ha finanziato la ricerca in telechirurgia per dieci anni, fino agli anni '90. Si è scoperto che con un ritardo del segnale di oltre 200-300 ms, la chirurgia diventa difficile e, a 700 ms, pochissimi chirurghi possono svolgere i propri compiti. Quindi i militari hanno deciso che non potevano fornire la velocità di comunicazione necessaria e hanno bloccato il programma. Uno dei seguaci di DARPA era Yulun Wang, un Ph.D. candidato dell'Università della California, Santa Barbara. Nel 1992 ha progettato AESOP, un laparoscopio robotico. Due anni dopo, questo dispositivo ha ricevuto il controllo vocale. Gli interventi chirurgici laparoscopici potevano ora essere eseguiti senza l'assistenza di un assistente dal vivo, ha aperto Computer Motion, Inc. È così che è apparso il primo attore serio nel mercato della robotica chirurgica. La FDA ha approvato la vendita di AESOP nel 1994 e nel 1995 Computer Motion, una società fondata da Wang, ha iniziato a testare ZEUS, un nuovo sistema chirurgico. Un altro seguace fu lo studente del MIT Akhil Madhani, che nel 1993, con l'aiuto del professor Kenneth Salisbury, assemblò il telemanipolatore Black Falcon. Questo progetto è diventato la base per i manipolatori del chirurgo robotico da Vinci di prima generazione. Inizialmente, da Vinci fu pubblicizzato come un dispositivo specializzato per la chirurgia cardiaca delicata. Tuttavia, urologi e ginecologi, che hanno dovuto lavorare in una cavità pelvica angusta e piena di vari organi, si sono interessati al robot. La FDA ha quindi autorizzato da Vinci per la chirurgia pelvica minimamente invasiva. Da allora, questo chirurgo robotico è rimasto il più popolare, con diversi nuovi sistemi che ne hanno copiato il design. Al 31 marzo 2021, Intuitive Surgical aveva già installato 6.142 diverse generazioni di robot in tutto il mondo. L'elenco delle procedure in cui viene utilizzato da Vinci è ancora in crescita.

Motivi della popolarità

L'uso del robot contribuisce a un periodo di riabilitazione più breve e consente ai pazienti di tornare a casa due giorni dopo l'intervento e quasi senza cicatrici. In confronto, dopo un intervento chirurgico convenzionale, hanno trascorso settimane in ospedale prima di essere dimessi. Inoltre, quando si esegue un intervento chirurgico senza un robot, i movimenti del chirurgo sono fortemente limitati; non è in grado di portare lo strumento al bersaglio con un angolo arbitrario e deve utilizzare strumenti aggiuntivi per compensare. Il medico deve osservare la procedura con una telecamera laparoscopica, il che significa una vista scarsa e un'immagine piatta e bidimensionale. Tutto ciò rende molto impegnative procedure relativamente semplici come la sutura e l'annodatura. I robot possono fare tutte le stesse cose, ma sono molto più facili da usare rispetto agli strumenti laparoscopici. Il chirurgo lavora con i manipolatori da Vinci come se le sue mani fossero all'interno del paziente. Il robot elimina l'effetto point-of-care e ti consente di utilizzare le abilità apprese durante gli interventi chirurgici aperti. Ci sono ulteriori vantaggi. Il robot filtra i movimenti del chirurgo e riduce il jitter dello strumento anche rispetto alla chirurgia a cielo aperto. Inoltre, da Vinci scala le attività, come 2 a 1, trasformando ogni due centimetri di movimento del braccio del chirurgo in un centimetro di movimento del manipolatore.

Le carenze del da Vinci

In oltre 20 anni di pratica clinica, il da Vinci si è guadagnato la reputazione di macchina ben congegnata e sicura, ma il robot è tutt'altro che perfetto. Gli ingegneri hanno dovuto scendere a compromessi nella sua progettazione.

• Precisione scarsa. Non puoi controllare i movimenti delle braccia perché i sensori sono lato motore. Inoltre, i cavi si spostano e sfregano contro il guscio in polimero ogni volta che il robot si muove. E minore è il raggio di curvatura della linea, maggiore è l'attrito. È difficile compensare questo problema in modo programmatico, soprattutto se stai cercando di mantenere i movimenti fluidi. Ecco perché da Vinci non può essere un chirurgo robotico autonomo. La precisione della meccanica del robot è di circa 2 mm e l'errore nel riportare ripetutamente lo strumento nello stesso punto è di circa 1 cm. Il chirurgo lo controlla costantemente e corregge i movimenti.
• Volume di lavoro e forza irregolare. Tieni presente che la precisione, come la forza del robot, non è costante. Dipendono non solo dal numero di articolazioni e dalla mobilità, ma anche dalla posizione dei manipolatori nello spazio.
• Risposte limitate. Un altro svantaggio significativo è che i bracci del robot non forniscono feedback tattile. Durante la chirurgia a cielo aperto convenzionale, il chirurgo fa molto affidamento sul tatto, ad esempio per distinguere un tipo di tessuto da un altro o per stringere delicatamente una sutura. Da Vinci priva il chirurgo di questo senso. Questo inconveniente è notato da quasi tutti coloro che criticano il sistema. Il robot può esercitare più forza in un punto che in un altro. Lo stesso vale per la precisione di posizionamento. Alcuni problemi sono più imprecisi di altri.
• Durata delle operazioni. Gli studi dimostrano che gli interventi chirurgici assistiti da robot sono in media più veloci degli interventi chirurgici aperti, ma più lunghi degli interventi laparoscopici convenzionali. E con l'aumentare della durata, aumentano anche i rischi: il paziente rimane più a lungo in anestesia generale e più anidride carbonica viene assorbita nei tessuti.
• Costo. I moderni chirurghi robotici costano circa 2 milioni di dollari, ma le loro vendite portano all'azienda solo oltre il 30% del profitto. Il resto viene dalla manutenzione e dalle forniture di strumenti. I materiali di consumo sono costosi. Al prezzo di una pinza robotica, puoi acquistare diversi strumenti laparoscopici tradizionali per centinaia di interventi chirurgici. Per raggiungere il pareggio dopo aver acquistato un robot da Vinci, avresti bisogno di 150-300 interventi di chirurgia robotica ogni anno per sei anni. La chirurgia robotica negli Stati Uniti costa da $ 3.000 a $ 6.000 in più rispetto alla chirurgia convenzionale. Pertanto, gli amministratori ospedalieri non sono interessati a lasciare un robot inattivo. Negli Stati Uniti, i pazienti sono spesso "spinti"; sottoporsi a chirurgia robotica, anche se quelle convenzionali sono più economiche e potrebbero essere migliori dal punto di vista medico.

Qual ​​è la difficoltà nello sviluppo di chirurghi robotici

Molti chirurghi notano una mancanza di chiarezza dell'immagine, il che significa che è necessario aggiornare le telecamere. Inoltre, si ritiene che i chirurghi robotici molto migliori possano già essere creati con la tecnologia standard. Tuttavia, il mercato è dominato da un sistema che non è radicalmente cambiato negli anni 20. La ragione principale è che si tratta di una sfida di ingegneria dura. Il robot chirurgico ideale deve essere preciso, agile, veloce, in grado di eseguire movimenti delicati, esercitare una grande forza e afferrare e sollevare pesi in modo affidabile. Le caratteristiche richieste sono correlate e raggiungere tutto in una volta è un compito complesso e impegnativo. Ad esempio, la precisione di un robot. Dipende da vari fattori. Ecco un elenco parziale: design e peso del braccio, distanze e gioco, tensione del cavo, attrito, risoluzione del sensore, errori di calcolo, qualità dei componenti e persino temperatura della sala operatoria. E tutti questi fattori interagiscono tra loro. Un altro esempio è la rigidità strutturale. Aumenta la precisione ma migliora le dimensioni e il peso del braccio. Aumenta l'inerzia, quindi il robot si muove più lentamente e rimane indietro rispetto al chirurgo. È difficile, se non impossibile, fare un robot bravo a tutto. Gli ingegneri devono manovrare tra requisiti contrastanti, il che porta inevitabilmente a compromessi. Le condizioni in cui un chirurgo robotico lavora non lo rendono veramente autonomo. All'interno di un organismo vivente, tutto si deforma e cambia forma. Nonostante il riscaldamento integrato, la fotocamera si sporca e si appanna durante l'intervento chirurgico. Anche la programmazione di un chirurgo robotico non è un compito facile. Calcoli complessi sono dietro l'apparente facilità con cui i movimenti umani vengono trasmessi al robot. Soprattutto, sono essenziali per determinare la corretta posizione del robot. Inoltre, la velocità per ciascun attuatore deve essere calcolata in modo che il braccio non vada oltre una traiettoria sicura e non danneggi il paziente. Per ridurre le oscillazioni dello strumento, vengono implementate un'accelerazione e una decelerazione uniformi. Un singolo malfunzionamento in un chirurgo robotico può costare la vita di una persona. Quindi la regola d'oro generalmente accettata qui è che più semplice è il design, meglio è. Gli ingegneri sono altamente troppo sicuri di sé e raramente usano tecnologie promettenti ma non testate o immature. I chirurghi robotici sono sottoposti a innumerevoli test e prove prima di operare sugli esseri umani. Il processo si trascina per anni, rendendo lo sviluppo ancora più difficile e costoso. E se si vendono i robot ovunque al di fuori degli Stati Uniti, è necessario ottenere i permessi in ogni paese. È principalmente per questo che il 71% delle vendite di robot si verifica ancora negli Stati Uniti, con solo il 15% delle vendite in Europa e il 10% in Asia. Una sfida significativa sta dimostrando che il robot è clinicamente utile. Nessuno contesta che da Vinci rende chirurghi & # 39; lavoro più accessibile, ma non è un fatto che la macchina è utile per il paziente. I benefici non sono evidenti e spesso non vi è alcuna prova che un robot sia migliore per un particolare tipo di chirurgia rispetto agli strumenti laparoscopici convenzionali.

Il mercato della chirurgia robotica: performance, tendenze e prospettive di crescita

Nonostante tutte le difficoltà, il mercato della chirurgia robotica si caratterizza come un mercato in rapida crescita. Negli ultimi 8-10 anni, è cresciuto a una media del 15-18% all'anno. Il volume degli interventi chirurgici eseguiti utilizzando un robot chirurgico aumenta di circa il 18-21% all'anno. Nel 2019 sono state eseguite circa 1,2 milioni di interventi chirurgici robotici in tutto il mondo. Nell'intero periodo di introduzione della chirurgia robotica, i numeri sono stati:

• 7.200.000 interventi chirurgici sono stati eseguiti utilizzando un robot chirurgico,
• 5.500 robot da Vinci venduti.

La prognosi per la chirurgia robotica

• La base installata globale di robot chirurgici aumenterà di oltre 4,5 volte nel 2030 rispetto al 2017.
• La crescita chirurgica sarà guidata sia da un aumento della base installata sia da un aumento dell'utilizzo, da 200 interventi chirurgici all'anno per robot a 309 interventi chirurgici nel 2030.
• Esecuzione prevista nel 2030. Cinque milioni di interventi chirurgici su 20.000 robot installati corrispondono a una media di 1 intervento chirurgico al giorno per robot.

Prospettive per la chirurgia robotica nel mondo

In tutti i paesi economicamente avanzati c'è interesse e crescita nell'adozione di tecnologie di chirurgia robotica. Più di 80 aziende operano nel campo della chirurgia robotica in tutto il mondo. Sono in fase di sviluppo robot chirurgici per operazioni nell'area addominale (incluse urologia e ginecologia), articolazioni dello scheletro, scheletro, polmoni, occhi, cuore, vasi sanguigni, cervello e fasci nervosi.

Analisi dei dati per Paese

Europa, Stati Uniti e Giappone hanno installato il 93% dei loro sistemi robotici. Le aziende spendono centinaia di migliaia di dollari per sviluppare nuovi robot chirurgici. Il resto della popolazione mondiale di 6 miliardi di persone è solo il 7%, ovvero 400 sistemi robotici installati. India e Cina, con una popolazione di 2,7 miliardi di persone, rappresentano solo il 3% - circa 170 sistemi automatici installati.

Il futuro dei chirurghi robotici

La tecnologia dell'informazione ci ha abituato a rivoluzioni regolari, quasi annuali. Nell'IT, una nuova idea prende piede, guadagna popolarità e diventa obsoleta entro un anno. In medicina, è diverso. A causa di tutte queste complessità, lo sviluppo e l'implementazione di chirurghi robotici richiedono enormi investimenti e gli investimenti in questo campo portano risultati decenni dopo. Ma in ogni caso, il mercato della robotica chirurgica è in crescita (prevista una crescita del 13,14% entro il 2025). La concorrenza è in aumento e stanno emergendo robot simili a da Vinci, ad esempio il coreano Revo-i e il cinese Micro Hand S. Allo stesso tempo, il conservatorismo della medicina si rivela un'opportunità inaspettata. Vedendo come gli ingegneri mescolano la tecnologia esistente, è possibile anticipare il futuro della robotica medica.

Sviluppi promettenti

Manipolatori flessibili

I chirurghi hanno bisogno di maggiore flessibilità nelle loro braccia. Include maggiore libertà d'azione e la capacità di eseguire interventi chirurgici senza incisioni visibili, attraverso aperture naturali nel corpo o spostandosi nel punto giusto del corpo tramite grandi vasi. Il nuovo modello da Vinci SP vanta già strumenti multiarticolari inseriti nel corpo attraverso un'unica apertura. Il sistema israeliano Hominis ha recentemente ricevuto l'approvazione della FDA ed è ancora più flessibile. Gli strumenti di questo chirurgo robotico si piegano tutti a 360 gradi, tranne per il fatto che non si annodano. Ci sono endoscopi robotici simili a serpenti, come Flex e cateteri automatizzati. Non molto tempo fa, hanno eseguito una serie di operazioni sui maiali utilizzando un dispositivo del genere. Il catetere ha raggiunto la valvola cardiaca automaticamente seguendo le pareti del vaso e navigando utilizzando un sensore tattile ottico ibrido e algoritmi di apprendimento automatico.

Nuovi attuatori

In parallelo, sono in corso esperimenti con nuove varietà di motori per sostituire funi e attuatori elettrici. Tutto è allo studio, compresa la pneumatica e l'idraulica, ma i polimeri elettroattivi - i muscoli artificiali - sembrano essere i più promettenti per la chirurgia mininvasiva. Non sono costosi, altamente deformabili, non occupano molto spazio e sviluppano una forza considerevole. Ma queste tecnologie richiedono alte tensioni per funzionare. Usare poche centinaia di volt vicino al paziente è pericoloso, quindi questi sviluppi sono trattati con cautela.

Apprendimento automatico

Blockchain non è ancora stato implementato in chirurgia, ma l'apprendimento automatico è una parte importante. Qui, può essere utile su più livelli contemporaneamente. Gli algoritmi di apprendimento automatico possono semplificare il calcolo dei movimenti del manipolatore o automatizzare intere fasi della chirurgia. Ad esempio, nel 2020, un team dell'Università della California, Berkeley, ha addestrato una rete neurale per realizzare punti perfettamente diritti con l'aiuto di registrazioni video. Inoltre, nel 2016, durante l'intervento chirurgico vero e proprio, i ricercatori hanno dimostrato che un chirurgo robotico potrebbe cucire insieme frammenti di un intestino di maiale da solo. Tuttavia, i chirurghi hanno quindi pre-contrassegnato l'area chirurgica con marcatori a infrarossi. Questi hanno guidato il robot durante l'operazione. Sfortunatamente, le caratteristiche sono poco pratiche - non sono facili da impiantare e difficili da rimuovere. Il problema principale è insegnare ai robot a utilizzare tali abilità nelle mutevoli condizioni del corpo umano. Finora, gli algoritmi sono stati addestrati a fare affidamento sui dati della fotocamera. Non è ancora chiaro se gli algoritmi di visione artificiale possano funzionare all'interno del corpo. Tuttavia, questo non è l'unico modo.

Integrazione con scanner medici

L'integrazione dei robot con gli scanner medici è di grande importanza nella robotica medica: TC, risonanza magnetica e ultrasuoni. Ci sono sistemi a ultrasuoni robotici separati e sensori progettati per l'installazione su da Vinci. La loro immagine viene solitamente trasmessa a una finestra diversa nel campo visivo del chirurgo. I sistemi per la chirurgia generale integrati con TC e MRI sono ancora allo stadio concettuale.

Realtà aumentata e virtuale

Di tutte le innovazioni elencate, questa è la più vicina. L'introduzione della realtà aumentata in chirurgia è una questione del prossimo futuro. È uno sviluppo logico delle interfacce dei chirurghi robotici; l'unica domanda è quali informazioni aggiuntive visualizzare nel campo visivo del medico. Inoltre, a dicembre 2019, la realtà virtuale a tutti gli effetti è arrivata ufficialmente nelle sale operatorie. La FDA ha approvato interventi chirurgici utilizzando il robot chirurgico Vicarious. Questo sistema riproduce il corpo umano: testa, spalle, gomiti e polsi. Il robot è collegato a occhiali di realtà virtuale all'avanguardia, quindi il chirurgo è immerso nella testa. Quindi, non c'è dubbio che la robotica medica si evolverà. Numerosi progressi nella robotica in campo medico possono migliorare la qualità del trattamento e i risultati per i pazienti. Tuttavia, è necessario superare diversi ostacoli affinché queste tecnologie possano essere applicate alla cura dei pazienti a lungo termine. Oltre agli sviluppi complessi e spesso costosi, le aziende in questo campo dovranno considerare fattori come la regolamentazione, i prezzi e la formazione dei professionisti sanitari, per non parlare di considerazioni emotive ed etiche in un'area delicata come la medicina. La tecnologia robotica può apportare enormi benefici all'assistenza sanitaria. Tuttavia, non c'è consenso sul fatto che tutti i problemi siano stati superati per garantire l'applicazione pratica a lungo termine di questa tecnologia. I robot potrebbero non sostituire mai i chirurghi, ma non importa; ciò che conta è che contribuiranno a salvare vite reali in breve tempo.