Cirurgia robótica - tecnologia digital que salva vidas

As exigências da sociedade moderna e as atuais ameaças de pandemias exigem fundamentalmente novas tecnologias de tratamento. O uso de robôs na medicina - cirurgia robótica - é a direção que fornece tal tecnologia. A cirurgia robótica como uma nova tendência em cirurgia, comprovadamente altamente eficaz do ponto de vista médico, está sendo desenvolvida e implementada ativamente em clínicas em todo o mundo. Muitos países têm programas estatais estimulando a introdução da cirurgia robótica, institutos especiais e centros de desenvolvimento estão sendo estabelecidos, e a cooperação internacional está sendo formada. Embora a introdução desta tecnologia na medicina tenha sido mais lenta do que em outros campos, o impacto pode ser enorme: a robótica na terapia pode ajudar a reduzir os erros humanos, encurtar os tempos de recuperação e reduzir as estadias hospitalares, melhorando, em última análise, a qualidade de vida dos pacientes' qualidade de vida.

Cirurgia robotizada: essência, avanços significativos e benefícios

Cirurgia robótica - passar para o próximo nível em operações baseadas em novos princípios de interação remota entre o cirurgião e o paciente e novas tecnologias cirúrgicas robóticas.

Avanços tecnológicos na cirurgia com robôs nos últimos anos:

• realizar a cirurgia à distância da mesa cirúrgica por um cirurgião sentado em uma postura confortável que lhe permite ficar menos cansado e, consequentemente, mais focado e atento,
• superar a barreira causada pelas habilidades fisiológicas das mãos do cirurgião: a cirurgia robótica pode remover tremores e melhorar a precisão das mãos,
• a câmera 3B permite que o cirurgião isole e visualize o menor campo cirúrgico possível, abrindo assim a possibilidade de trabalho prático com pequenos órgãos, vasos, terminações nervosas, etc. A cirurgia robótica foi aceita pela comunidade cirúrgica global e está se desenvolvendo ativamente. Além desses avanços, a introdução da cirurgia robótica oferece benefícios significativos em todos os níveis das organizações de assistência cirúrgica. Para o paciente:
• Trauma mínimo em órgãos e pele durante a cirurgia,
• Baixa probabilidade de complicações após a cirurgia,
• perda de sangue mínima,
• Preservação de feixes nervosos, grandes vasos, órgãos separados,
• Preservação de funções vitais, que antes era impossível,
• tempo mínimo gasto na clínica e uma recuperação rápida. Para o cirurgião:
• A precisão de operar um instrumento cirúrgico - anteriormente indisponível, até o tamanho das células,
• o uso de microinstrumentos,
• fácil acesso ao campo de operação. Para a clínica:
• Complicações pós-operatórias reduzidas,
• Reduzir o tempo de permanência de um paciente na clínica, aumentar a rotatividade de leitos,
• implementação de tecnologias digitais, aumentando o prestígio e atratividade da clínica, aumentando o fluxo de pacientes. Para o estado:
• Desenvolvimento de novas tecnologias digitais na área da saúde, incluindo inteligência artificial,
• Economia significativa e otimização do uso de leitos,
• implementação das tecnologias mais avançadas e eficientes para o atendimento ao paciente.

Cirurgiões de ferro

A maioria dos cirurgiões robóticos não são robôs no sentido clássico da palavra. Eles não são independentes e agem de acordo com comandos, repetindo movimentos humanos. Dito isso, a robótica cirúrgica começou especificamente com máquinas programáveis ​​e só então mudou de direção.

Do histórico

Em 1985, um robô foi usado pela primeira vez quando um homem de 52 anos foi manipulado em uma tomografia computadorizada para abrir seu crânio e coletar uma amostra de tecido. Nesta operação, os cirurgiões foram auxiliados por um braço PUMA 200 construído para uso nas linhas de montagem da General Motors. O componente industrial era necessário para posicionar e segurar com precisão o tubo guia através do qual a agulha era inserida. A operação terminou com segurança, mas o fabricante do robô proibiu o uso de PUMA em cirurgia. Pode ter sido devido a riscos de reputação e legais.

ROBODOC

No ano seguinte, o veterinário Howard "Hap" A. Paul e o engenheiro William Bargar, juntamente com especialistas da IBM, lançaram o desenvolvimento de um robô para a endoprótese articular. No passado, os implantes eram colocados com cimento acrílico. Mas esse material se deteriorou com o tempo e os pacientes tiveram que passar novamente pela faca. Em meados da década de 1980, surgiu uma alternativa - implantes porosos. O osso se funde com eles, e a nova articulação serve por décadas. Quanto mais longo, menor a folga e mais precisa a inserção. Para fazer entalhes no osso para a colocação de implantes, Paul e Bargar inventaram o ROBODOC, depois do Robocop. O ROBODOC foi testado pela primeira vez em cães com lesões no quadril e depois em humanos sob a supervisão da Food and Drug Administration (FDA). Estruturalmente, o Robodoc é um braço SCARA de 5 eixos com cabeçote de corte, sensor de pressão de 6 eixos e sistema de abastecimento de água para resfriamento e despoeiramento fixado na extremidade da península. O ROBODOC conseguiu um corte de alta precisão de até 0,5 mm. Como resultado, o robô cortou apenas 0,54% a mais de tecido do que o necessário. É mesmo que os cirurgiões removeram manualmente cerca de 30% mais osso ao colocar o implante. Apesar dos resultados positivos, os ensaios clínicos foram adiados. Em 1994, o ROBODOC tornou-se o primeiro robô cirúrgico permitido no mercado da UE, mas o uso da máquina logo foi interrompido devido a uma série de acidentes. As revisões e novos testes só terminaram em 2008. Só então o ROBODOC finalmente recebeu a aprovação do FDA. Foi o único sistema cirúrgico programável certificado nos Estados Unidos por um período prolongado.

Cirurgiões militares

Pela primeira vez no campo militar da robótica médica, mais precisamente - o conceito de telecirurgia interessou engenheiros da agência de defesa dos Estados Unidos DARPA. Esta idéia parecia muito promissora. Usando um robô com controle remoto, os cirurgiões poderiam operar os feridos não muito longe das linhas de frente sem se distrair com as balas que passavam por cima de suas cabeças. A DARPA financiou a pesquisa de telecirurgia durante dez anos, até os anos 90. Acontece que com mais de 200-300 ms de atraso de sinal, a cirurgia torna-se difícil, e com 700 ms, muito poucos cirurgiões podem realizar suas tarefas. Então os militares decidiram que não podiam fornecer a velocidade de comunicação necessária e congelaram o programa. Um dos seguidores da DARPA foi Yulun Wang, um candidato a Ph.D. da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara. Em 1992, ele projetou o AESOP, um laparoscópio robótico. Dois anos mais tarde, este dispositivo recebeu o controle de voz. As cirurgias laparoscópicas podiam agora ser realizadas sem a ajuda de um assistente ao vivo, abriu a Computer Motion, Inc. Foi assim que o primeiro jogador sério apareceu no mercado da robótica cirúrgica. A FDA aprovou as vendas da AESOP em 1994, e em 1995 a Computer Motion, uma empresa fundada por Wang, começou a testar o ZEUS, um novo sistema cirúrgico. Outro seguidor foi o estudante do MIT Akhil Madhani, que em 1993, com a ajuda do professor Kenneth Salisbury, montou o telemanipulador Black Falcon. Este projeto se tornou a base para os manipuladores da primeira geração de cirurgiões robóticos da Vinci. No início, da Vinci foi anunciado como um dispositivo especializado para a delicada cirurgia cardíaca. Ainda assim, urologistas e ginecologistas, que tinham que trabalhar em uma cavidade pélvica apertada e preenchida com vários órgãos, se interessaram pelo robô. A FDA então liberou da Vinci para uma cirurgia pélvica minimamente invasiva. Desde então, este cirurgião robótico permaneceu o mais popular, com vários sistemas novos copiando seu projeto. Em 31 de março de 2021, a Intuitive Surgical já havia instalado 6.142 diferentes gerações de robôs em todo o mundo. A lista de procedimentos em que da Vinci é utilizado ainda está crescendo..

Razões de popularidade

O uso do robô contribui para um período de reabilitação mais curto e permite que os pacientes voltem para casa dois dias após a cirurgia e quase sem cicatrizes. Em comparação, após a cirurgia convencional, eles passaram semanas no hospital antes de terem alta. Além disso, ao realizar a cirurgia sem um robô, os movimentos do cirurgião's são severamente restringidos; incapaz de levar o instrumento até o alvo num ângulo arbitrário e tem que usar ferramentas adicionais para compensar. O médico tem que observar o procedimento com uma câmera laparoscópica, o que significa uma visão deficiente e uma imagem plana e bidimensional. Tudo isso torna os procedimentos relativamente simples como suturar e dar nós muito desafiadores. Os robôs podem fazer todas as mesmas coisas, mas são muito mais fáceis de operar do que os instrumentos laparoscópicos. O cirurgião trabalha com os manipuladores da Vinci como se suas mãos estivessem dentro do paciente. O robô elimina o efeito de ponto de tratamento e permite que você use as habilidades aprendidas durante cirurgias abertas. Há benefícios adicionais. O robô filtra os movimentos do cirurgião's e reduz o tremor do instrumento mesmo em comparação à cirurgia aberta. Além disso, da Vinci escalona atividades como 2 a 1 - transformando cada dois centímetros de movimento do braço do cirurgião's em um centímetro de movimento do manipulador..

Falhas do da Vinci

Em mais de 20 anos de prática clínica, o da Vinci ganhou a reputação de ser uma máquina bem pensada e segura, mas o robô está longe de ser perfeito. Os engenheiros tiveram que fazer muitos compromissos em seu projeto..

• Baixa precisão. Você não pode controlar os movimentos dos braços porque os sensores estão no lado motor. Além disso, os cabos se movem e se esfregam contra o invólucro de polímero cada vez que o robô se move. E quanto menor o raio de curvatura da linha, mais atrito existe. É difícil compensar isso programaticamente, especialmente se você estiver tentando manter os movimentos suaves. É por isso que da Vinci não pode ser um cirurgião robótico autônomo. A precisão da mecânica do robô é de cerca de 2 mm, e o erro em retornar repetidamente o instrumento ao mesmo ponto é de cerca de 1 cm. O cirurgião monitora constantemente isso e corrige os movimentos.
• Volume de trabalho e força desigual. Tenha em mente que a precisão, como a força do robô, não é constante. Eles dependem não apenas do número de articulações e mobilidade, mas também da posição dos manipuladores no espaço.
• Comentários limitados. Outra desvantagem significativa é que os braços do robô não fornecem feedback tátil. Durante a cirurgia aberta convencional, o cirurgião depende muito do toque, por exemplo, para distinguir um tipo de tecido de outro ou para apertar suavemente uma sutura. Da Vinci priva o cirurgião desse sentido. Essa desvantagem é notada por quase todos que criticam o sistema. O robô pode exercer mais força em um ponto do que em outro. O mesmo é válido para a precisão de posicionamento. Alguns problemas são mais imprecisos do que outros.
• Duração das operações. Estudos mostram que as cirurgias assistidas por robô são, em média, mais rápidas do que as abertas, mas mais longas do que as cirurgias laparoscópicas convencionais. E à medida que a duração aumenta, também aumentam os riscos - o paciente fica mais tempo sob anestesia geral e mais dióxido de carbono é absorvido pelos tecidos.
• Custo. Os cirurgiões robóticos modernos custam cerca de US$ 2 milhões, mas suas vendas trazem à empresa apenas mais de 30% do lucro. O restante vem de suprimentos de manutenção e ferramentas. Os consumíveis são caros. Pelo preço de uma pinça robótica, você pode comprar vários instrumentos laparoscópicos tradicionais para centenas de cirurgias. Para se equilibrar depois de comprar um robô da Vinci, você precisaria de 150 a 300 cirurgias robóticas por ano durante seis anos. A cirurgia robótica nos EUA custa de US$ 3.000 a US$ 6.000 a mais do que a cirurgia convencional. Portanto, os administradores do hospital não estão interessados ​​em deixar um robô ocioso. Nos EUA, os pacientes são frequentemente "empurrados"; fazer cirurgia robótica, embora as convencionais sejam mais baratas e possam ser melhores do ponto de vista médico.

Qual ​​é a dificuldade em desenvolver cirurgiões robóticos

Muitos cirurgiões notam uma falta de clareza de imagem, o que significa uma necessidade de atualizar as câmeras. Além disso, acredita-se que cirurgiões robóticos muito melhores já podem ser criados com tecnologia padrão. Ainda assim, o mercado é dominado por um sistema que não mudou fundamentalmente em 20 anos. A principal razão é que se trata de um duro desafio de engenharia. O robô cirúrgico ideal deve ser preciso, ágil, rápido, capaz de fazer movimentos delicados, exercer grande força, e agarrar e levantar pesos de forma confiável. As características exigidas estão inter-relacionadas, e conseguir tudo de uma só vez é uma tarefa complexa e desafiadora. Por exemplo, a precisão de um robô. Ela depende de vários fatores. Aqui's uma lista parcial: desenho e peso do braço, folgas e folgas, tensão do cabo, atrito, resolução do sensor, erros de cálculo, qualidade dos componentes, e até mesmo temperatura da sala de operação. E todos estes fatores interagem uns com os outros. Outro exemplo é a rigidez estrutural. Ela aumenta a precisão, mas melhora o tamanho e o peso do braço's. Ele aumenta a inércia, de modo que o robô se move mais lentamente e fica atrás do cirurgião. É difícil, se não impossível, fazer um robô bom em tudo. Os engenheiros têm que manobrar entre exigências conflitantes, o que inevitavelmente leva a compromissos. As condições sob as quais um cirurgião robótico trabalha não o tornam genuinamente autônomo. Dentro de um organismo vivo, tudo deforma e muda de forma. Apesar do aquecimento embutido, a câmera fica suja e embaciada durante a cirurgia. A programação de um cirurgião robótico também não é uma tarefa fácil. Cálculos complexos estão por trás da aparente facilidade com que os movimentos humanos são transmitidos para o robô. Acima de tudo, eles são essenciais para determinar a posição correta do robô. Além disso, a velocidade para cada atuador tem que ser calculada para que o braço não vá além de uma trajetória segura e não prejudique o paciente. Para reduzir as oscilações do instrumento, são implementadas acelerações e desacelerações suaves. Uma única falha de funcionamento em um cirurgião robótico pode custar a vida de uma pessoa's. Portanto, a regra de ouro geralmente aceita aqui é que quanto mais simples for o projeto, melhor. Os engenheiros são altamente confiantes e raramente usam tecnologia promissora, mas não testada ou imatura. Os cirurgiões robóticos passam por incontáveis testes e testes antes de operar em humanos. O processo se prolonga por anos, tornando o desenvolvimento ainda mais difícil e caro. E se você vender os robôs em qualquer lugar fora dos Estados Unidos, você deve obter licenças em cada país. É principalmente por isso que 71% das vendas de robôs ainda ocorrem nos Estados Unidos, com apenas 15% das vendas na Europa e 10% na Ásia. Um desafio significativo é provar que o robô é medicamente benéfico. Ninguém contesta que da Vinci torna os cirurgiões' o trabalho mais acessível, mas não é um fato que a máquina seja útil para o paciente. Os benefícios não são óbvios, e freqüentemente não há evidência de que um robô seja melhor para um determinado tipo de cirurgia do que os instrumentos laparoscópicos convencionais..

O mercado da cirurgia robótica: desempenho, tendências e perspectivas de crescimento

Apesar de todas as dificuldades, o mercado de cirurgia robótica é caracterizado como um mercado em rápido crescimento. Nos últimos 8 a 10 anos, ele tem crescido a uma média de 15-18% ao ano. O volume de cirurgias realizadas com o uso de um robô cirúrgico está aumentando em cerca de 18-21% ao ano. Em 2019, aproximadamente 1,2 milhões de procedimentos cirúrgicos robóticos foram realizados em todo o mundo. Durante todo o período em que a cirurgia robótica foi introduzida, os números foram:

• 7.200.000 cirurgias foram realizadas usando um robô cirúrgico,
• 5.500 robôs da Vinci vendidos.

O prognóstico para cirurgia robótica

• A base instalada global de robôs cirúrgicos aumentará mais de 4,5 vezes em 2030 em comparação com 2017.
• O crescimento cirúrgico será impulsionado por um aumento na base instalada e um aumento na utilização - de 200 cirurgias por ano por robô para 309 cirurgias em 2030.
• Realização prevista para 2030. Cinco milhões de cirurgias em 20.000 robôs instalados correspondem a uma média de 1 cirurgia por dia por robô.

Perspectivas para cirurgia robótica em todo o mundo

Em todos os países economicamente avançados, há interesse e crescimento na adoção de tecnologias cirúrgicas robóticas. Mais de 80 empresas estão trabalhando no campo da cirurgia robótica em todo o mundo. Robôs cirúrgicos estão sendo desenvolvidos para operações na área abdominal (incluindo urologia e ginecologia), articulações do esqueleto, esqueleto, pulmões, olhos, coração, vasos, cérebro e feixes nervosos.

Análise de dados por país

A Europa, os EUA e o Japão instalaram 93% de seus sistemas robóticos. As empresas gastam centenas de milhares de dólares para desenvolver novos robôs cirúrgicos. A população do resto do mundo de 6 bilhões de pessoas é de apenas 7% - são 400 sistemas robóticos instalados. Índia e China, com uma população de 2,7 bilhões de pessoas, respondem por apenas 3% - cerca de 170 sistemas automáticos instalados.

O futuro dos cirurgiões robóticos

A tecnologia da informação nos acostumou a revoluções regulares, quase anuais. Em TI, uma nova ideia dispara, ganha popularidade e se torna obsoleta em um ano. Na medicina é diferente. Por causa de todas essas complexidades, o desenvolvimento e implementação de cirurgiões robóticos exigem enormes investimentos, e os investimentos nessa área trazem resultados décadas depois. Mas não importa o que aconteça, o mercado de robótica cirúrgica está crescendo (projetado para crescer 13,14% até 2025). A concorrência está crescendo e os robôs do tipo da Vinci estão surgindo – por exemplo, o coreano Revo-i e o chinês Micro Hand S. Ao mesmo tempo, o conservadorismo da medicina acaba sendo uma oportunidade inesperada. Ao ver como os engenheiros combinam a tecnologia existente, é possível antecipar o futuro da robótica médica.

Desenvolvimentos promissores

Manipuladores flexíveis

Os cirurgiões precisam de mais flexibilidade em seus braços. Isso inclui mais liberdade de ação e a capacidade de realizar cirurgias sem incisões visíveis, através de aberturas naturais no corpo, ou movendo-se para o ponto certo do corpo através de grandes vasos. O novo modelo da Vinci SP já possui instrumentos multiarticulares inseridos no corpo através de uma única abertura. O sistema Hominis israelense recebeu recentemente a aprovação da FDA e é ainda mais flexível. As ferramentas deste cirurgião robótico's dobram todos os 360 graus, exceto que elas't ficam amarradas em nós. Existem endoscópios robóticos semelhantes a cobras, como os cateteres Flex e automatizados. Não faz muito tempo, eles realizaram uma série de operações em porcos usando um dispositivo desse tipo. O cateter alcançou a válvula cardíaca automaticamente, seguindo as paredes da embarcação e navegando usando um sensor óptico híbrido de toque e algoritmos de aprendizagem da máquina.

Novos atuadores

Em paralelo, estão em andamento experiências com novas variedades de motores para substituir as cordas e atuadores elétricos. Tudo está sendo investigado, incluindo pneumáticos e hidráulicos, mas os polímeros eletroativos - músculos artificiais - parecem ser os mais promissores para uma cirurgia minimamente invasiva. Eles não são caros, altamente deformáveis, don'não ocupam muito espaço e desenvolvem uma força considerável. Mas estas tecnologias requerem altas tensões para funcionar. Usar algumas centenas de volts perto do paciente é perigoso, portanto estes desenvolvimentos são tratados cautelosamente.

Aprendizagem da máquina

A cadeia de bloqueios ainda não foi implementada na cirurgia, mas o aprendizado de máquinas é uma grande parte. Aqui, ela pode ser útil em vários níveis ao mesmo tempo. Os algoritmos de aprendizagem de máquinas podem simplificar o cálculo de movimentos manipuladores ou automatizar etapas inteiras da cirurgia. Por exemplo, em 2020, uma equipe da Universidade da Califórnia, Berkeley, treinou uma rede neural para fazer pontos perfeitamente retos com a ajuda de gravações de vídeo. Além disso, em 2016, durante a cirurgia propriamente dita, os pesquisadores mostraram que um cirurgião robótico podia costurar fragmentos de um intestino de porco's por conta própria. Entretanto, os cirurgiões então pré-marcaram a área cirúrgica com marcadores infravermelhos. Estes orientaram o robô durante a operação. Infelizmente, as características são impraticáveis - não são fáceis de implantar e desafiadoras de remover. O principal problema é ensinar os robôs a usar tais habilidades nas condições mutáveis do corpo humano. Até agora, os algoritmos têm sido treinados para confiar nos dados da câmera. Ainda não está claro se os algoritmos de visão mecânica podem funcionar dentro do corpo. No entanto, esta não é a única maneira.

Integração com scanners médicos

A integração de robôs com scanners médicos é de grande importância na robótica médica: tomografia computadorizada, ressonância magnética e ultrassom. Existem sistemas e sensores de ultrassom robóticos separados projetados para instalação no da Vinci. Sua imagem geralmente é transmitida para uma janela diferente no campo de visão do cirurgião. Os sistemas para cirurgia geral integrados com tomografia computadorizada e ressonância magnética ainda estão em fase conceitual.

Realidade aumentada e virtual

De todas as inovações listadas, esta é a mais próxima. A introdução da realidade aumentada na cirurgia é uma questão do futuro próximo. É um desenvolvimento lógico das interfaces do cirurgião robótico; a única questão é que informações adicionais devem ser exibidas no campo de visão do médico's. Além disso, em dezembro de 2019, a realidade virtual completa chegou oficialmente às salas cirúrgicas. A FDA aprovou cirurgias utilizando o robô cirúrgico Vicarious Surgical. Este sistema replica o corpo humano: cabeça, ombros, cotovelos e pulsos. O robô é conectado a óculos de proteção de realidade virtual de última geração, de modo que o cirurgião é imerso na cabeça. Assim, não há dúvida de que a robótica médica irá evoluir. Vários avanços na robótica no campo médico podem melhorar a qualidade do tratamento e os resultados para os pacientes. No entanto, vários obstáculos devem ser superados para que estas tecnologias sejam aplicadas ao cuidado do paciente a longo prazo. Além de desenvolvimentos complexos e freqüentemente dispendiosos, as empresas neste campo terão que considerar fatores como regulamentação, preços e treinamento de profissionais médicos, para não mencionar considerações emocionais e éticas em uma área sensível como a medicina. A tecnologia robótica pode trazer enormes benefícios aos cuidados com a saúde. Ainda assim, não há consenso sobre se todos os problemas foram superados para garantir a aplicação prática desta tecnologia a longo prazo. Os robôs podem nunca substituir os cirurgiões, mas isso não importa; o que importa é que eles ajudarão a salvar vidas reais em breve.