Vertrauen Sie Ihren Körper einem Roboterchirurgen an?

In der leuchtend roten Höhle der Bauchhöhle des Patienten führt der Chirurg Michael Stifelman die beiden Roboterarme sorgfältig, um einen Knoten um die Fäden zu binden. Er kontrolliert eine dritte Hand mit einer Nadel und näht ein Loch in der Niere des Patienten, wo sich früher der Tumor befand. Ein anderer Manipulator hält ein Endoskop, das Videos an das Steifelman-Display sendet. Jeder Roboterarm tritt durch einen winzigen Einschnitt mit einer Breite von 5 Millimetern in den Körper ein.

Wenn Sie diesen komplexen Vorgang beobachten, müssen Sie sich wundern, was durch die Zusammenarbeit mit dem Roboter im Tandem erreicht werden kann. Styelman, Direktor, Zentrum für RoboterchirurgieLangon von der New York University, der mehrere tausend chirurgische Eingriffe mit einem Roboter durchgeführt hat, manipuliert Manipulatoren über das Bedienfeld. Er dreht sein Handgelenk und bringt seine Finger zusammen. Er zwingt das Instrument im Körper, die gleichen Bewegungen zu wiederholen, nur in einem viel kleineren Maßstab. „Der Roboter ist eins mit mir“, sagt Steifelman, während seine mechanischen Gliedmaßen einen weiteren Knoten knüpfen.

Aber einige Robotiker, die diese geschickten Bewegungen beobachten, würden kein Wunder sehen, sondern ein verlorenes Potenzial. Steifelman ist ein ausgebildeter Experte mit wertvollen Fähigkeiten und Erfahrungen in der Entscheidungsfindung. Aber er verbringt seine kostbare Zeit mit Nähen und Feinabstimmung nach der Hauptoperation. Wenn der Roboter selbst dieses monotone Verfahren durchführen könnte, wäre der Chirurg für wichtigere Dinge frei.



Die heutigen Roboter erweitern die Fähigkeiten des Chirurgen. Sie filtern Zittern in den Händen heraus und ermöglichen es Ihnen, solche Bewegungen auszuführen, die der beste Arzt während der Laparoskopie mit seinen langen und dünnen Instrumenten (Spitznamen "Essstäbchen") nicht ausgeführt hätte. Gleichzeitig ist der Roboter nur ein ausgefeilteres Werkzeug unter der direkten Kontrolle einer Person. Dennis Fowler, Executive Vice President von Robosurgeons, einem Unternehmen von Titan Medical , glaubt, dass Medizin besser wäre, wenn Roboter autonom würden, Entscheidungen treffen und ihre zugewiesenen Aufgaben unabhängig erledigen würden. „Diese technologische Verbesserung sollte die Zuverlässigkeit erhöhen und die Anzahl der Fehler verringern, die aufgrund von Personen auftreten“, sagt Fowler, der 32 Jahre lang als Chirurg tätig war, bevor er in diese Branche wechselte.

Robotern eine solche Beförderung zu geben, ist keine sehr entfernte Perspektive. Die meisten Technologien werden in wissenschaftlichen und industriellen Labors aktiv entwickelt. Während der Arbeit mit Gummimodellen von Menschen nähen und reinigen experimentelle Roboter Wunden und schneiden Tumore aus. Einige Wettbewerbe zwischen ihnen und Menschen haben bereits gezeigt, dass Roboter genauer und effizienter arbeiten. Im vergangenen Monat zeigte ein Robotersystem in einem Krankenhaus in Washington dieses Ergebnis, indem es echtes Gewebe aus dem Schweinedarm nähte. Die Forscher verglichen die Arbeit eines autonomen Bots und eines Chirurgen und stellten fest, dass die Stiche des Bots gleichmäßiger und dichter waren, um den Einschnitt abzudecken.

Obwohl diese Systeme für den menschlichen Gebrauch völlig unvorbereitet sind, können sie die Zukunft der Chirurgie darstellen. Das Thema ist rutschig, da es einen Arbeitsverlust der Chirurgen bedeutet. Aber im Operationssaal ist es wie am Fließband: Wenn die Automatisierung die Ergebnisse verbessert, werden Sie sie nicht stoppen.



Gutan Ashrafian , ein Chirurg, der Teile des Verdauungssystems entfernt, um Gewicht zu verlieren, und Professor am Imperial College London, untersucht die Ergebnisse der Robochirurgieund schreibt oft über das Potenzial von KI im Gesundheitswesen: „Ich denke die ganze Zeit darüber nach“, gibt er zu. Er glaubt, dass das Kommen von Roboochirurgen unvermeidlich ist, bleibt jedoch bei der Wahl der Formulierungen vorsichtig. In absehbarer Zeit erwartet Ashrafian von Roboterchirurgen, dass sie auf Befehl eines Chirurgen einfache Aufgaben ausführen. „Unser Ziel ist es, die Ertragslage zu verbessern. Wenn die Verwendung eines Roboters Leben rettet und Risiken verringert, müssen wir diese Geräte verwenden. “

Ashrafian blickt auch in die Zukunft: Ihm zufolge ist es durchaus möglich, dass Roboter der nächsten Generation in der Medizin auftauchen, die in der Lage sind, selbst Entscheidungen mit echter KI zu treffen. Solche Maschinen können nicht nur Routineaufgaben ausführen, sondern auch Operationen vollständig ausführen. Laut Ashrafian scheint dies unwahrscheinlich, aber der Weg der technischen Innovation kann uns dorthin führen. "Dies ist ein schrittweiser Prozess, und jeder der kleinen Schritte ist nicht so groß", sagt er. "Aber ein Chirurg aus dem Jahr 1960 hätte heute in meinem Operationssaal nichts gewusst." Und in 50 Jahren wird die Welt der Chirurgie meiner Meinung nach anders sein. “

Roboterchirurgen treffen bereits häufiger Entscheidungen und handeln unabhängig, als Sie es sich vorgestellt haben. Mit SehkorrekturEin automatisches System schneidet einen Hornhautlappen ab und erzeugt eine Reihe von Laserpulsen, um die Form der inneren Schicht zu ändern. Beim Knieersatz schneiden Roboter Knochen genauer als menschliche Chirurgen. In teuren Haartransplantationskliniken identifiziert der Roboter gesunde Haarfollikel am Kopf, sammelt sie und bereitet einen kahlen Bereich für Implantate vor, wobei nach einem bestimmten Muster kleine Löcher in den Kopf gemacht werden, wodurch der Arzt viele Stunden Routine erspart.

Weichteiloperationen in Brust, Bauch und Beckenbereich sind immer noch ein Problem. Die Anatomie der Menschen variiert geringfügig, und ein autonomer Roboter muss die weichen inneren Gewebe und Serpentinengefäße sehr gut verstehen. Darüber hinaus können sich die inneren Organe des Patienten während der Operationen bewegen, sodass der Roboter den Operationsplan ständig anpassen muss.

Er muss sich auch in kritischen Situationen zuverlässig verhalten. Diese Aufgabe wurde am Center for Surgery der New York University demonstriert, wo Steifelman die arterielle Klammer löste, die den Blutfluss zur Niere während der Tumorentfernung blockierte. "Jetzt müssen wir sicherstellen, dass wir nicht bluten", sagt er und kontrolliert das Endoskop um das Organ. Die meisten Nähte sehen gut aus, aber plötzlich erscheint ein roter Brunnen auf dem Bildschirm. „Wow, hast du gesehen? Lassen Sie uns noch einen Thread holen “, sagt er dem Assistenten. Durch Blockieren des Fadens mit einem Schnellstich kann Steifelman den Vorgang abschließen.

Für ihn ist dies Teil seiner täglichen Arbeit, aber wie wird ein Roboterchirurg mit einer unerwarteten Situation umgehen? Sein Computer-Vision-System muss ein ernstes Problem in seiner Blutquelle erkennen. Dann muss der Entscheidungsträger entscheiden, wie die Lücke geschlossen werden soll. Dann werden die Werkzeuge in Betrieb genommen, unter denen sich eine Nadel und ein Faden befinden. Schließlich bewertet der Bewerter die Ergebnisse und stellt fest, ob zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Das Einrichten eines Roboters, um jeden dieser Schritte perfekt auszuführen - Daten messen, Entscheidungen treffen, handeln und bewerten - ist eine große und schwierige technische Aufgabe.

Steifelman , der jetzt am Hackensack University Medical Center in New Jersey arbeitet, führte Operationen an der New York University mit dem da Vinci- Roboter durch . Dieses Auto ist von der FirmaIntuitive Surgical kostet bis zu 2,5 Millionen US-Dollar und ist das einzige in den USA zugelassene Weichteilrobotersystem. Während Da Vinci den Markt dominiert, sind weltweit bereits 3.600 dieser Geräte in Betrieb. Sein Weg zum Erfolg verlief jedoch nicht immer reibungslos. Patienten, die wegen Problemen auf den Operationstischen verklagt wurden, gaben an, dass diese Vorfälle nicht immer gemeldet wurden. Einige Chirurgen argumentieren, ob Roboterchirurgen bei laparoskopischen Operationen echte Vorteile bringen, und zitieren widersprüchliche Studien zu den Operationsergebnissen in verschiedenen Fällen. Trotz dieser Kontroversen haben viele Krankenhäuser Intuitive Technologie gehostet, und viele Patienten sind gespannt darauf.

„Da Vinci“ wird vollständig vom Chirurgen gesteuert, seine Manipulatoren aus Kunststoff und Metall bleiben bewegungslos, bis der Arzt die Hebel auf der Fernbedienung betätigt. Intuitive möchte vorerst alles so lassen, wie Simon Dimayo, der Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der fortschrittlichen Systeme des Unternehmens, erklärte. Roboterexperten nähern sich jedoch bereits einer Zukunft, in der Chirurgen mit "zunehmender Hilfe und Anleitung vom Computer aus" operieren werden.

Dimao vergleicht die Forschung auf diesem Gebiet mit frühen Roboterfahrzeugkonstruktionen. „Die ersten Schritte sind das Erkennen von Markierungen, Hindernissen, Autos und Fußgängern“, stellt er fest. Die Ingenieure haben dann Autos entwickelt, um den Fahrern das Erkennen der Umgebung zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Auto, das den Standort der umliegenden Autos kennt, den Fahrer alarmieren, wenn es versucht, die Spur zu wechseln, wenn dies unerwünscht ist. Um Roboterchirurgen die gleichen Bemerkungen zu machen - eine Person zu warnen, deren Instrumente vom typischen Weg abweichen - muss man viel schlauer werden. Glücklicherweise lernen viele Autos bereits.

Ein Roboterchirurg in einer Ecke des Labors der University of California in Berkeley kann noch keine Knoten knüpfen, näht aber bereits gut. Bei der Arbeit mit dem Emulator des Fleisches zieht ein Manipulator eine gebogene gelbe Nadel durch die Ränder der „Wunde“. Der zweite zieht die aus dem "Fleisch" austretende Nadel, um den Faden festzuziehen. Menschliche Hände lenken sie nicht und das Gehirn berechnet ihren Weg nicht. Der eigenständige Roboter führt dann die Nadel zurück und alles beginnt von neuem.

Während der Roboter weiter arbeitet, rennt Ken Goldberg, der wie ein Professor der Muppets aussieht, durch das Labor. Goldberg, Leiter des Berkeley-Labors für Automatisierungs- und Ingenieurforschung, Professor in vier Bereichen, darunter Elektrotechnik und Kunst, hat den Ruf, mit Robotern erstaunliche Ergebnisse erzielen zu können. An der Laborwand hängt ein Porträt, das von einem seiner frühen Roboter gemalt wurde, wobei sein Gesicht und sein Oberkörper durch unangenehme blaue und rote Striche herausgezogen werden.

Bisher ist das vom Roboter vernähte „Fleisch“ nur rosa Gummi. Aber die Technologie ist schon ziemlich real. Seit 2012 geben Intuitives gespendete Da Vinci-Systeme an Forscher an Universitäten auf der ganzen Welt. Und wenn Goldber seinem Da Vinci beibringt, wie man Operationen unabhängig durchführt, könnten dieselben Algorithmen theoretisch reale Systeme bei Operationen an lebenden Patienten steuern. "Im Moment fahren wir auf dem Testgelände", sagt Goldberg, "aber eines Tages werden wir auf die Straße fahren." Er glaubt, dass einfache Operationen in den nächsten 10 Jahren automatisiert werden.

Um die Aufgabe des autonomen Nähens zu erfüllen, berechnet der Goldberg da Vinci die optimalen Ein- und Ausstiegspunkte für jeden Stich und den Nadelpfad und verfolgt seine Bewegung mithilfe von Sensoren und Kameras. Die Nadel ist hellgelb lackiert, damit der Computer sie besser erkennen kann. Und dennoch bleibt die Aufgabe schwierig. Die veröffentlichten Ergebnisse der Arbeit besagen, dass der Roboter nur 50% der Verfahren zum Erstellen von vier Stichen abgeschlossen hat. Normalerweise konnte der zweite Manipulator die Nadel nicht greifen oder sie in den Fäden verwickeln.

Der Professor stellt klar, dass selbst wenn Roboter lernen, einfache Operationen gut auszuführen, er es dennoch für notwendig hält, lebende Chirurgen als Beobachter zu haben. Er sieht "Autonomie unter Aufsicht". "Der Chirurg ist immer noch für die Operation verantwortlich", sagt er, "aber die untergeordneten Aspekte des Verfahrens werden vom Roboter ausgeführt." Wenn Roboter schwere monotone Arbeiten mit Präzision und konstanter Qualität ausführen - „Vergleichen Sie die Arbeit einer Nähmaschine mit einer manuellen Naht“ - kann die Kombination der Maschine mit einer Person einen Superchirurgen schaffen.

Goldberg zufolge werden Roboter bald die für Krankenhäuser notwendige Qualität erreichen, da sie anfangen, selbstständig zu lernen. Im letzten ExperimentFür das Training durch Beobachtung zeichnete Da Vinci die Daten von Operationen auf, die von acht Chirurgen verschiedener Klassen durchgeführt wurden, als sie mit Hilfe von Manipulatoren vier Stiche anbrachten. Der Lernalgorithmus extrahierte visuelle und kinematische Daten und teilte die Operation in Schritte (Platzieren der Nadel, Druck auf die Nadel usw.) ein, um sie nacheinander auszuführen. Somit kann da Vinci im Prinzip jeden chirurgischen Eingriff lernen.



Goldberg ist überzeugt, dass Lernen durch Beobachtung der einzig wirksame Ansatz ist. "Wir denken, dass maschinelles Lernen derzeit das interessanteste Thema ist", sagt er, "da die Erstellung von Algorithmen von unten nach oben nicht skalierbar ist." Natürlich gibt es viele Aufgaben, und für komplexe Aufgaben müssen Roboter Daten aus Tausenden von Vorgängen verarbeiten. Aber genug Daten. Jedes Jahr führen Chirurgen 500.000 Operationen mit Da Vinci durch. Was wäre, wenn sie Daten aus allen Operationen gemeinsam nutzen würden (unter Wahrung der Privatsphäre des Patienten), damit die KI lernen kann? Jedes Mal, wenn ein Chirurg einen Hilfsroboter verwendet, um beispielsweise eine Niere erfolgreich zu nähen, kann die KI sein Verständnis für dieses Verfahren verbessern. „Das System könnte Daten extrahieren, Algorithmen verbessern und das Problem beheben“, sagt Goldberg. Wir wären alle zusammen schlauer. “



Die Automatisierung im Operationssaal muss keine Nadel, kein Skalpell oder etwas anderes Scharfes und Gefährliches enthalten. Zwei Unternehmen, die Roboterchirurgen auf den Markt bringen, haben Kameras entwickelt, die sich automatisch bewegen und dem Chirurgen ein bequemes Bild der Operation vermitteln, als würde er seine Gedanken lesen. Noch heute halten Chirurgen, die die da Vinci-Maschine verwenden, an, um die Kamera zu bewegen oder um einen Assistenten zu bitten.

TransEnterixaus Morrisville, um mit Da Vinci mit seinem bereits in Europa erhältlichen Alf-X-System zu konkurrieren. Das System verfügt über eine im Bedienfeld integrierte Augenverfolgung und steuert das Endoskop - eine dünne Glasfaserkamera, die in den Körper des Patienten eindringt. Wenn der Chirurg das Bild auf dem Bildschirm betrachtet, bewegt Alf-X die Kamera so, dass das, woran der Chirurg interessiert ist, in der Mitte des Bildschirms verbleibt. "Die Augen des Chirurgen werden zu einer Computermaus", sagte Anthony Fernando, Technologiedirektor von TransEnterix.

System Sport Surgical Systemvon Titan Medical aus Toronto verfolgt einen anderen Ansatz bei der Bildautomatisierung. Dieses System führt kleine Kameras in die Körperhöhle ein, die sich je nach Position der Instrumente des Chirurgen drehen und zielen. Diese Art der Automatisierung ist für Roboterchirurgen ein bequemer erster Schritt, sagt Fowler, ein Unternehmenssprecher. Und höchstwahrscheinlich werden die Aufsichtsbehörden nichts dagegen haben. Fowler ist zuversichtlich, dass das Kamerasystem keine Fragen aufwirft, wenn das Unternehmen in diesem Jahr einen Antrag auf Genehmigung seiner Ausrüstung in Europa und im nächsten Jahr in den USA einreicht. "Wenn die Automatisierung jedoch bedeutet, dass der Computer den Cutter steuert, erfordert ein solches System zusätzliche Tests", sagt er.



Intuitiv warten auf Herausforderungen von großen Rivalen. Medtronic, einer der weltweit größten Hersteller von Medizinprodukten, entwickelt ein robochirurgisches System , von dem es noch niemandem erzählt. Google hat sich letztes Jahr mit Johnson & Johnson zusammengetan, um Verb Surgical zu starten , ein System mit „erweiterten Roboterfunktionen“, heißt es in einer Pressemitteilung. Auf solchen Aktivitäten basierende Analysten prognostizieren einen Boom des Marktes. In einem kürzlich veröffentlichten Bericht von WinterGreen Research heißt es , dass der weltweite Markt für Bauchroboter (Da Vinci und seine Rivalen) von 2,2 Mrd. USD im Jahr 2014 auf 10,5 Mrd. USD im Jahr 2021 wachsen wird.

Wenn sich die Prognose erfüllt und Roboterchirurgen in Operationssälen alltäglich werden, werden wir ihnen natürlich immer komplexere Aufgaben anvertrauen. Und wenn sie zeigen, dass man sich auf sie verlassen kann, kann sich die Rolle menschlicher Chirurgen dramatisch ändern. Eines Tages werden Chirurgen in der Lage sein, sich mit Patienten zu treffen und einen Behandlungsverlauf zu entwickeln und dann nur zu beobachten, wie die Roboter ihre Befehle erfüllen.

Gutan Ashrafian, ein Chirurg, der Teile des Verdauungssystems entfernt, um Gewicht zu verlieren, sagt, dass der Fachmann bereit ist, diese Änderungen zu akzeptieren. Die Geschichte der Medizin zeigt, dass Chirurgen "ihre Wirksamkeit immer enthusiastisch verbessern", sagt er und fügt hinzu, dass sie bereit sind, alle nützlichen Werkzeuge zu akzeptieren. "Niemand arbeitet bereits nur mit einem Skalpell", sagt Ashrafian ironisch. Wenn unabhängige Roboter lernen, chirurgische Aufgaben gut genug auszuführen, funktioniert das gleiche Prinzip. Auf der Suche nach Perfektion können Chirurgen eines Tages die Operation insgesamt freigeben.

Source: https://habr.com/ru/post/de394805/