ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΣΤΑ ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΡΟΜΠΟΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ

Transcript

1 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΣΤΑ ΑΥΤΟΝΟΜΑ ΡΟΜΠΟΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Εισαγωγή Στην επισκόπηση αυτή γίνεται μια μελέτη της υπάρχουσας ρομποτικής τεχνολογίας δίνοντας έμφαση στην εφαρμογή των ρομπότ στον τομέα της ιατρικής και των υπηρεσιών υγείας. Επιχειρείται μια συνοπτική ματιά σε οτι αφορά στη λειτουργία ενός γενικής χρήσης ρομποτικού αυτόνομου συστήματος εξυπηρέτησης, που βασίζεται σε ένα ολοκληρωμένο σύστημα χέρι-βραχίονας-όραση για το χειρισμό αγνώστων αντικειμένων. Στη συνέχεια εξετάζονται προϋπάρχουσες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στον τομέα της ρομποτικής στην ιατρική: Το PUMA 260, ένα ρομπότ εφαρμοσμένο στην ορθοπεδική και ειδικότερα στη διαδερμική δισκεκτομή και την οστεκτομή γόνατος. Το IDRT (Image Directed Radiation Therapy), που είναι ένα ρομπότ το οποίο κατευθύνει μέσα από εικόνα την ακτινοβολία για τη θεραπεία του καρκίνου των πνευμόνων. Το MRE, ένα μικρορομποτικό ενδοσκόπιο για τη διάγνωση παθήσεων του κόλον. Τέλος τα ρομποτικά συστήματα Da Vinci και Zeus που χρησιμοποιούνται για την πραγματοποίηση μιας σειράς μεγάλων χειρουργικών επεμβάσεων. Τηλεχειρουργική - Ρομποτική Χειρουργική. Πραγματικότητα ή Μύθος; Ο όρος τηλεματική στην υγεία συνήθως αναφέρεται στη χρήση της τεχνολογίας της πληροφορικής και ειδικότερα των υπολογιστών και των συστημάτων επικοινωνίας, ώστε να παρέχονται υπηρεσίες υγείας εξ αποστάσεως. Όταν μιλάμε για ρομποτική χειρουργική (ή συνήθως μικροχειρουργική) εννοούμε πως ο χειρουργός πραγματοποιεί την επέμβαση με τον χειρισμό των βραχιόνων ενός ρομπότ. Ο χειρουργός βρίσκεται δίπλα στη χειρουργική τράπεζα και τον ασθενή. Κατά προέκταση, με τον όρο τηλεχειρουργική (Telesurgery) καλύπτουμε τις περιπτώσεις εκείνες στις οποίες ο χειρουργός πραγματοποιεί την επέμβαση καθισμένος σε μια κονσόλα ελέγχου μακριά από τον ασθενή. Ο όρος έχει καθαρά ελληνική προέλευση και λίγα μέτρα ή πολλά χιλιόμετρα δεν διαφοροποιούν το είδος της πράξης. Δυο δεκαετίες πριν, η σχετικά φθηνή απόκτηση και επεξεργασία δεδομένων με ηλεκτρονικό τρόπο, άνοιξε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών για την ρομποτική σε πεδία όπως της βιομηχανίας, της ιατρικής, της ταξινόμησης ειδών και της αναγνώρισης γραφής. Έτσι, σε συνδυασμό με την έλευση της λαπαροσκοπικής χειρουργικής η οποία θεωρητικά οδήγησε τη χειρουργική αίθουσα από τον 19 ο αιώνα στην ψηφιακή εποχή, το χειρουργείο και η κλασική εικόνα του χειρουργού πάνω 1

2 από το τραπέζι αντικαθίσταται από επεμβατική ομάδα υψηλής τεχνολογίας μέσα σε ένα computer room. Η ρομποτική στην ιατρική έχει εφαρμογές σε τομείς διάγνωσης αλλά και θεραπείας όπως η χειρουργική. Τα ρομποτικά συστήματα στη χειρουργική επιτρέπουν χειρισμούς υψηλής ακρίβειας με την ελάχιστη δυνατή παρέμβαση στο σώμα του ασθενούς. Σε πολλές περιπτώσεις ο χειρουργός με τη βοήθειά τους, μπορεί να φτάσει σε σημεία απροσπέλαστα για το ανθρώπινο χέρι. Λόγω του ότι με τα ρομπότ χρησιμοποιούνται ελάχιστα επεμβατικές μέθοδοι, η δόση αναισθησίας αλλά και η απώλεια αίματος είναι πολύ μικρότερη ελαχιστοποιώντας έτσι το χρόνο νοσηλείας και τον κίνδυνο επιπλοκών για τον ασθενή, οδηγώντας τον σε ταχύτερη επιστροφή του στην καθημερινή δραστηριότητα. Η ρομποτική χειρουργική δίνει τη δυνατότητα για επεμβάσεις εξ αποστάσεως απ οποιοδήποτε σημείο, μέσω π.χ. δορυφορικής σύνδεσης. Πολλές ερευνητικές ομάδες ανέπτυξαν συστήματα σχεδιασμένα να αντικαταστήσουν το βοηθό του χειρουργείου. Τα πρώτα υδροπνευματικά ρομπότ (First Assistant) αντικαταστάθηκαν από ηλεκτρονικά, τα οποία είχαν στόχο να υποκαταστήσουν και το χειριστή της κάμερας AESOP(automated endoscope system for optimal positioning), ένα αυτοματοποιημένο ρομποτικό σύστημα για τη βέλτιστη χρήση της λαπαροσκοπικής κάμερας. Αυτός ο ρομποτικός βραχίονας σχεδιάστηκε αρχικά από τη ΝΑΣΑ για χρήση στο διαστημικό πρόγραμμα των ΗΠΑ. Η τεχνολογία αυτή μεταφέρθηκε στην κλινική πρακτική με στόχο το χειρισμό της λαπαροσκοπικής κάμερας, αντικαθιστώντας το βοηθό που κρατά την κάμερα με ένα ρομπότ που ελέγχεται απευθείας από τον χειρουργό. Τα ποδοχειριστήρια που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για τον έλεγχο των κινήσεων του ρομπότ αντικαταστάθηκαν από ένα σύστημα φωνητικού ελέγχου, ενώ ο βραχίονας σταδιακά τροποποιήθηκε ώστε να δέχεται οποιοδήποτε άκαμπτο λαπαροσκόπιο. Ομάδες χειρουργών στο Κέιλο της Γερμανίας, στο John Hopkins της Βαλτιμόρης αλλά και σε άλλα κέντρα απέδειξαν ότι με τη βοήθεια του ρομποτικού βραχίονα η επέμβαση εκτελείται ταχύτερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια απ ότι αν τη λαπαροσκοπική κάμερα κρατούσε ανθρώπινο χέρι, ενώ το οπτικό πεδίο παρέμενε σημαντικά σταθερότερο κατά τη διάρκεια του χειρουργείου. Επιπλέον μελέτες απέδειξαν ότι το AESOP μπορεί να αντικαταστήσει με επάρκεια και ασφάλεια τον βοηθό που χειρίζεται τη λαπαροσκοπική κάμερα στη γενική, στη γυναικολογική και στην ουρολογική χειρουργική. Άλλες μελέτες απέδειξαν ότι ο χειρουργός μπορεί να εκτελέσει μόνος, χωρίς την ανάγκη βοηθού, λαπαροσκοπικές πλαστικές για κήλη και επεμβάσεις στο γαστρεντερικό σύστημα. Το AESOP πήρε έγκριση για κλινική χρήση από το FDA το Τα χειρουργικά ρομπότ έχουν αναπτυχθεί για ποικίλες συγκεκριμένες εφαρμογές οπως η καρδιοχειρουργική, η νευροχειρουργική, η χειρουργική επέμβαση ματιών, η προστατεκτομή, η λαπαροσκοπική χειρουργική, και ορθοπεδική χειρουργική. Το Minerva είναι ένα ειδικό ρομπότ με σκοπό να λειτουργήσει μέσα σε ένα Computer Aided Tomographic (CAT) Scanner για την εξ αποστάσεως παρακολούθηση και έλεγχο της χειρουργικής επέμβασης εγκεφάλου. Επίσης υπάρχει ένα νέο εργαλείο χειρουργός ρομπότ, που επιτρέπει την εκτέλεση της χειρουργικής επέμβασης στον προστάτη. Το ρομπότ CRIGOS, είναι 2

3 ειδικό στην ορθοπεδική χειρουργική επέμβαση. Το σύστημα ROBODOC, ειδικό για τις χειρουργικές επεμβάσεις αντικατάστασης ισχίων. Το πρωτοποριακό σύστημα DaVinci που πραγματοποιεί μεγάλες χειρουργικές επεμβάσεις - από προστατεκτομή μέχρι εγχειρίσεις ανοιχτής καρδιάς, έχει τη δυνατότητα να μεγεθύνει την εικόνα έως και 20 φορές έχοντας τον πλήρη έλεγχο των κινήσεων. Επίσης κρατά σταθερή την εικόνα σε αντίθεση με τη λαπαροσκοπική κάμερα που τη χειρίζεται ανθρώπινο χέρι. Παρόμοιο των παλαιότερων εκδόσεων Da Vinci, είναι και το ρομποτικό σύστημα Zeus με εως και 10 φορές μεγέθυνση της εικόνας, το οποίο εκτός των άλλων χρησιμοποιείται και ως μέσο εκπαίδευσης των φοιτητών. Στον αντίποδα όλων αυτών των πλεονεκτημάτων, βρίσκεται μια σειρά εγγενών προβλημάτων της λαπαροσκόπησης τα οποία εμποδίζουν την ευρύτερη διάδοση και εφαρμογή των προηγμένων λαπαροσκοπικών τεχνικών. Έτσι, μια δεκαπενταετία μετά την εισαγωγή της βιντεο-λαπαροσκοπικής κολεκτομής η πλειοψηφία των επεμβάσεων του γαστρεντερικού εκτελούνται με όργανα και τεχνικές του 19 ου αιώνα. Το 2000 λιγότερες από 3% των κολεκτομών έγιναν λαπαροσκοπικά, και ακόμη και σήμερα λιγότερο από το 10% των κολεκτομών εκτελούνται λαπαροσκοπικά. Στη Μεγάλη Βρετανία μόνο το 5% των χειρουργών έχει εμπειρία μεγαλύτερη των 31 λαπαροσκοπικών επεμβάσεων παχέος εντέρου, ενώ το 27% έχει εκτελέσει από 0-10 αντίστοιχα χειρουργεία. Ποιοι είναι λοιπόν οι λόγοι που οι χειρουργοί απέτυχαν να εφαρμόσουν ευρέως τις ελάχιστα επεμβατικές τεχνικές, παρότι είναι προφανή τα πλεονεκτήματα τους για τον ασθενή; Οι περισσότερες λαπαροσκοπικές επεμβάσεις του πεπτικού είναι δύσκολο να διδαχτούν, δυσκολότερο να αφομοιωθούν και τελικά να εφαρμοστούν στην καθημερινή κλινική πράξη. Οι χειρουργοί έχουν να αντιμετωπίσουν ακόμα μια μακρά καμπύλη μάθησης και ενσωμάτωσης των νέων τεχνολογιών. Τα προβλήματα αυτά που ευθύνονται για την περιορισμένη εφαρμογή της λαπαροσκοπικής χειρουργικής θα ήταν δυνατόν να συνοψισθούν στα εξής: Δισδιάστατη όραση. Ο χειρουργός βλέπει το χειρουργικό πεδίο στην οθόνη ενός μόνιτορ, δηλαδή σε δύο διαστάσεις, ενώ το πραγματικό χειρουργικό πεδίο είναι τρισδιάστατο και ο υπολογισμός του βάθους εναπόκειται σε μια σύμφυτη, όπως φαίνεται, ικανότητα των διαφόρων ατόμων να αντιλαμβάνονται σε διαφορετικό βαθμό (άλλοι ευκολότερα και ακριβέστερα, άλλοι δυσκολότερα και με μεγαλύτερη ασάφεια) το βάθος, όταν βλέπουν το πεδίο τους σε δύο διαστάσεις. Οι περιορισμένοι βαθμοί ελευθερίας στην κίνηση των άκαμπτων κλασικών λαπαροσκοπικών εργαλείων, που δυσχεραίνουν ή και καθιστούν αδύνατη την προσπέλαση σε διάφορες περιοχές της περιτοναϊκής ή υπεζωκοτικής κοιλότητος. Η κακή εργονομικά στάση του χειρουργού, η οποία κάνει ιδιαιτέρως κουραστικές τις πολύωρες προηγμένες λαπαροσκοπικές επεμβάσεις. Ελπίδα των λαπαροσκόπων ήταν πάντοτε η τεχνολογία των υπολογιστών να δώσει τη λύση. Στην προσπάθεια να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί χειρουργικές ομάδες σε διάφορα μέρη του κόσμου προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν ρομποτική τεχνολογία με στόχο: Να παράσχουν σταθερή εικόνα από την κάμερα, 3

4 Να αντικαταστήσουν τη δισδιάστατη εικόνα με τρισδιάστατη, Να μιμηθούν την πλαστικότητα της κίνησης του καρπού του χειρουργού και Να διορθώσουν την κακή εργονομικά στάση του χειρουργού παρέχοντας τη βέλτιστη εργονομικά θέση. Στο εύλογο όμως ερώτημα, γιατί να χρησιμοποιούμε ρομπότ, οι απαντήσεις είναι αυτονόητες: Εξαλείφουν τον τρόμο των χεριών του χειρουργού. Οι αρθρώσεις των χειρουργικών εργαλείων τους επιτρέπουν την πρόσβαση σε σημεία και υπό γωνίες που δεν μπορεί να φτάσει ο χειρουργός ούτε με τα χέρια του ούτε με τα άκαμπτα λαπαροσκοπικά εργαλεία. Τα συστήματα τηλερομποτικής χειρουργικής βελτιώνουν την αντίληψη του βάθους με το να παρέχουν στον χειρουργό τρισδιάστατη εικόνα. Χρησιμοποιούν μικρότερα εργαλεία με μεγαλύτερο εύρος κινήσεων (βαθμούς ελευθερίας), γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε πληθώρα λεπτών επεμβάσεων. Υποπολλαπλασιάζουν την κίνηση του χειρουργού, επιτρέποντας μεγαλύτερη ακρίβεια. Αυτόνομο Ρομποτικό Σύστημα Ένα σημαντικό πρόβλημα της ρομποτικής είναι ο χειρισμός των αγνώστων αντικειμένων επειδή συνήθως δεν υπάρχει καμία πληροφορία διαθέσιμη για τη θέση, το μέγεθος και τη μορφή τους. Ένα σύστημα χέρι-βραχίονας-όραση περιγράφει τη συνδυασμένη χρήση ενός βραχίονα ρομπότ, ενός αισθητήρα αφής, μιας επιδέξιας λαβίδας και μιας ικανής να κλίνει κινητής φωτογραφικής μηχανής για την αναγνώριση, προσέγγιση, πιάσιμο και χειρισμό a priori άγνωστων αντικειμένων. Οι άνθρωποι μπορούν εύκολα να πιάσουν οποιοδήποτε είδος αντικειμένου με έναν γρήγορο και σταθερό τρόπο μέσω του αυτόματου συντονισμού των εξαιρετικά επιδέξιων χεριών και των μπράτσων τους και με τη βοήθεια του ευφυούς συστήματος της εικόνας τους. Ένα σύστημα όρασης για να μιμηθεί τις βασικές ανθρώπινες ενέργειες όπως λαβή και χειρισμός, ενσωματώνεται στο ρομποτικό σύστημα. Οι βασικές ικανότητες των υποσυστημάτων που απαιτούνται για την οπτική καθοδήγηση των χειρισμών χέρι-βραχίονας- όραση είναι: επιθεώρηση αντικειμένου από μια κινητή φωτογραφική μηχανή προκειμένου να αποκτηθούν οι πληροφορίες απαραίτητες για τη λαβή (π.χ. η έρευνα των κατάλληλων περιοχών επαφών). μια μετάβαση από τη σφαιρική επιθεώρηση του χώρου εργασίας του ρομπότ από άποψη κορυφής, στην τοπική ανάλυση του χώρου εργασίας λαβίδων από μια πλάγια όψη, οπτικό feedback για την προσέγγιση αντικειμένου που εκτελείται από το βραχίονα ρομπότ ή/και από πολυδάκτυλη λαβίδα (π.χ. μπουκάλι - πώμα ), 4

5 διανομή και προσαρμογή των κινήσεων του χεριού, του μπράτσου και του ματιού. Με βάση τις πληροφορίες αισθητήρων που δίνονται με το χέρι, το βραχίονα και το μάτι, παράγονται οι εντολές κινήσεων. Ενώ οι κινήσεις βραχιόνων είναι ελεγχόμενες ως προς τη θέση, οι κινήσεις των δάχτυλων είναι ελεγχόμενες ως προς την κάμψη ή ακαμψία, για την εκτέλεση ενός σταθερού ελέγχου κατά τη διάρκεια των κινήσεων αντικειμένου. Για την αξιολόγηση της δυνατότητας πρόσβασης καθώς επίσης και το μήκος, το πλάτος και το ύψος των χαρακτηριστικών γνωρισμάτων ελέγχου, απαιτείται μια τρισδιάστατη ανάλυση αυτών των περιοχών του αντικειμένου. Όταν εδραιωθεί ένας σταθερός έλεγχος, ο χειρισμός στοχεύει σε μια αυτόνομη μεταφορά του πιασμένου αντικειμένου σε μια επιθυμητή θέση στόχου. Ένας χαρακτηριστικός στόχος υπηρεσιών ρομπότ θα ήταν να πιάσει και να ανοίξει ένα μπουκάλι προκειμένου να χυθεί το υγρό σε ένα ποτήρι και να κλείσει το μπουκάλι πάλι βιδώνοντας το πώμα. PUMA 260 Δύο νέες ρομποτικά βοηθούμενες χειρουργικές διαδικασίες έχουν αναπτυχθεί και εξεταστεί στο εργαστήριο εμβιομηχανικής του Istituti Ortopedici Rizzoli (IOR) της Μπολόνια, χρησιμοποιώντας το ρομπότ PUMA 260: η διαδερματική δισκεκτομή και η οστεκτομή γονάτων. Το PUMA 260, είναι ένας γενικού σκοπού χειριστής έξι βαθμών ελευθερίας (6 dof), που ενισχύεται με πρόσθετη υπολογιστική δύναμη, προηγμένους αλγόριθμους ελέγχου, έναν αισθητήρα δύναμης/ροπής (FT), video κάμερες, και μια διεπαφή γραφικών. Εικ.1 Ο χειρουργικός σταθμός εργασίας Το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα αυτού του συστήματος είναι το υπολογιστικό πρόγραμμα που ελέγχει το ρομπότ. Δύο τρόποι ελέγχου δύναμης εφαρμόζονται στον ελεγκτή PC: στέγασης θέσης και έλεγχος υβριδικής συμμόρφωσης. Ο υβριδικός έλεγχος εγγυάται ότι η βελόνα δεν υπερβαίνει το μέγιστο κατώτατο όριο δύναμης και 5

6 ότι ακολουθεί την ορισμένη τροχιά. Ο ελεγκτής θέσης στηρίζεται στους κοινούς σερβοελεγκτές PUMA για να εξασφαλίσει καλή διαγραφή της τροχιάς. Το πείραμα εκτελείται με την κίνηση του βραχίονα ρομπότ κατά μήκος μιας τροχιάς ευθειών γραμμών από την αρχική θέση, στην τελική θέση, με σταθερό προσανατολισμό των βελόνων. Ο βραχίονας ακολουθεί ακριβώς τις κυκλοειδείς καρτεσιανές τροχιές κινήσεων, καταδεικνύοντας την καλή εκτέλεση της τροχιάς από τον ελεγκτή βασισμένο σε υπολογιστή. Εικ.2 Διάγραμμα συστήματος ελέγχου Διαδερματική Δισκεκτομή Η φλεγμονή οσφυϊκής ρίζας νωτιαίου νεύρου λόγω των κήλης δίσκων, μπορεί να αντιμετωπιστεί αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας τη διαδερματική δισκεκτομή, μια ελάχιστα επεμβατική διαδικασία που απαιτεί τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης μιας βελόνας οδηγού προς στο τραύμα και εξαλείφει την ανάγκη για είσοδο μέσα στο νωτιαίο μυελό. Λόγω της θέσης του τραύματος, ο χειρούργος δεν βλέπει την περιοχή που προσεγγίζεται από τη βελόνα, και πρέπει να στηριχθεί στις φθοριοσκοπικές εικόνες και το feedback του ασθενή, ώστε να αποφύγει τα νεύρα και τα αγγεία. Η διαδερματική δισκεκτομή λειτουργεί κάτω από τη φθοροσκόπηση, εκθέτοντας κατά συνέπεια το ιατρικό προσωπικό στην ακτινοβολία μεγάλων ποσών. Για να υπερνικηθεί το πρόβλημα της έκθεσης ακτινοβολίας, προτείνεται η χρήση του χειριστή PUMA 260 για να βοηθήσει το χειρούργο κατά τη διάρκεια της εισαγωγής βελόνων. Στην πραγματικότητα, η εισαγωγή της βελόνας - οδηγού αποτελείται από μια απλή γραμμική τροχιά, της οποίας το μήκος και ο προσανατολισμός κατεύθυνσης επιλέγεται από τις αξονικές τομογραφίες κατά τη διάρκεια του προεγχειριτικού προγραμματισμού. Η επικουρική διαδικασία του ρομπότ αποτελείται από τρεις φάσεις: Στην πρώτη φάση, ο χειρούργος τοποθετεί την άκρη της βελόνας που βρίσκεται στον καρπό του ρομπότ, στην αφετηρία της εισαγωγής. Κατά τη διάρκεια της δεύτερης φάσης, ο χειριστής ρυθμίζει αυτόνομα τον προσανατολισμό της βελόνας στην προγραμματισμένη τιμή, και αρχίζει την κίνηση προς τον ιστό. Αυτή η κίνηση ελέγχεται από το χειρούργο σε μια θέση που προστατεύεται από τις ακτίνες X. Τέλος, όταν προσεγγίζεται ο δίσκος στόχος, η βελόνα ξεκλειδώνεται και ο χειριστής απομακρύνεται, αναλαμβάνοντας ο χειρούργος για να ολοκληρώσει τη διαδικασία. 6

7 Εικ.3 Φθοροσκοπική εικόνα δισκεκτομής Το σχήμα 7 παρουσιάζει το σύστημα που χρησιμοποιείται για να εξετάσει τις προϋποθέσεις κινητικότητας και πρόσβασης της διαδικασίας διαδερματικής δισκεκτομής, με το ρομπότ να φθάνει στις περιοχές ενδιαφέροντος στη μέση του ασθενούς. Εικ.4 Εξακρίβωση πρόσβασης του ρομπότ Οστεκτομή Γόνατος Η οστεκτομή γόνατος αντιπροσωπεύει επίσης μια ελάχιστα επεμβατική διαδικασία και ανθεκτικότερη λύση από την κοινή αντικατάσταση γονάτων. Η οστεκτομή γονάτων συνίσταται στην εκτομή μιας κνημιαίας ή μηριαίας σφήνας από ένα από τα τμήματα αρθρώσεων. Το ποσό διόρθωσης καθορίζεται με τη μέτρηση της μηριαίας-κνημιαίας ανατομικής γωνίας από φθοριοσκοπικές εικόνες. Κατά συνέπεια το υπολογισμένο πλάτος της βάσης σφηνών μπορεί να αλλάξει σημαντικά από την ακτινογραφική ενίσχυση, και το 7

8 ύψος της σφήνας κατά μήκος του παραμορφωμένου τμήματος οστών μπορεί να επηρεαστεί από την άποψη της εικόνας. Επιπλέον η χειροκίνητη εκτομή της σφήνας πραγματοποιείται υπό κακές οπτικές συνθήκες λόγω μειωμένου ενδολειτουργικού οπτικού πεδίου. Η προτεινόμενη ρομποτικά βοηθούμενη διαδικασία αποτελείται από τέσσερις φάσεις. Στην πρώτη φάση το άκρο είναι ακινητοποιημένο στην πλήρη επέκταση. Το ρομπότ βαθμονομείται (callibrated) σε σχέση με τον κλωβό και τον ασθενή, οδηγούμενο στις γνωστές και σημειωμένες θέσεις μέσα στο ενεργό πεδίο. Στη δεύτερη φάση οι δύο τυποποιημένες μετωπικές και πλευρικές φθοριοσκοπικές εικόνες του γόνατος μεταφέρονται στο PC, όπου γίνεται αντιστοίχηση για να υπολογιστούν η τρισδιάστατη θέση και τα μεγέθη των διαθέσιμων ανατομικών χαρακτηριστικών γνωρισμάτων. Εικ.5 Κλωβός για βαθμονόμηση τρισδιάστατων ακτίνων Χ γόνατος Η τρίτη φάση περιλαμβάνει το σχεδιασμό της οστεκτομής γόνατος (είτε κνημιαία είτε μηριαία) με διαδραστικό υπολογιστή στις αποκτηθείσες 2D εικόνες, τον αυτόματο υπολογισμό της τρισδιάστατης θέσης και της διάστασης της επιλεγμένης σφήνας, και την προσομοίωση με υπολογιστές της αποκτηθείσας επανευθυγράμμισης με την απεικόνιση των κατάλληλων γραφικών προτύπων. Το τελικό βήμα της διαδικασίας είναι η εισαγωγή των καλωδίων καθοδήγησης Kirschner στο οστό, που εκτελείται από το ρομπότ σύμφωνα με την προγραμματισμένη στρατηγική και υπό την παρακολούθηση της δύναμης και τον έλεγχο της θέσης. Η τελική εκτομή και η σταθεροποίηση εκτελούνται τότε, με τον τυποποιημένο τρόπο από το χειρούργο, όπως π.χ. σύμφωνα με την παραδοσιακή τεχνική του Κόβεντρυ. 8

9 Εικ.6 Έλεγχος οστεκτομής γόνατος: απόκτηση βαθμονομημένων πρόσθιων και πλευρικών ακτινών Χ. Αποτελέσματα Το PUMA 260 επιτρέπει στο χειρουργό για να ενεργοποιήσει το ρομπότ από απόσταση, για να αποφύγει την έκθεση στις ακτίνες X, και υποστηρίζει τη βαθμονόμηση των on-line cameras, για να αποτελέσουν τα κινητά imagers, όπως οι φθοριοσκοπικές συσκευές, που χρησιμοποιούνται στο χειρουργείο. Τα επιπλέον κέρδη που αποκομίζονται από το PUMA βασίζονται στις αναπτυγμένες σε πραγματικό χρόνο υπηρεσίες του PC και στις κινηματικές ρουτίνες που προέρχονται από το RCCL (Robot Control C Library). Οι δοκιμές που πραγματοποιούνται μέχρι τώρα δείχνουν ότι ο ελεγκτής με τη βοήθεια του υπολογιστή είναι σε θέση να χειριστεί επιτυχώς τον έλεγχο θέσης και δύναμης PUMA, με ακρίβεια θέσης κάτω του χιλιοστού, σε έναν περιορισμένο χώρο εργασίας. IDRT Ένα ρομπότ το οποίο κατευθύνει μέσα από εικόνα την ακτινοβολία για τη θεραπεία του καρκίνου πνευμόνων (Image Directed Radiation Therapy - IDRT). Η θεραπεία ακτινοβολίας είναι μια από τις σημαντικότερες μορφές θεραπείας για τον καρκίνο. Είναι η θεραπεία του καρκίνου και άλλων ασθενειών με ιονίζουσα ακτινοβολία. 9

10 Εικ.7 Σύστημα CyberKnife Το CyberKnife είναι ένα σύστημα επεξεργασίας ακτινοβολίας που χρησιμοποιεί την τεχνολογία διαδραστικής εικόνας για την επεξεργασία των όγκων εγκεφάλου. Η πηγή επεξεργασίας είναι ένας μικροσκοπικός X-band γραμμικός επιταχυντής που χειρίζεται από ένα ρομπότ Fanuc έξι βαθμών ελευθερίας. Οι πρόσφατες επεκτάσεις του έχουν περιλάβει την επεξεργασία των όγκων αυχενικών, θωρακικών και οσφυϊκών σπονδυλικών στηλών. Οι επεκτάσεις του IDRT στην επεξεργασία των όγκων πνευμόνων είναι ένα ακόμα βήμα. Μια από τις δυσκολίες της επεξεργασίας ακτινοβολίας των όγκων πνευμόνων είναι ότι, απ όλους τους όγκους, οι όγκοι πνευμόνων καταδεικνύουν τη μέγιστη κίνηση και παραμόρφωση λόγω και της αναπνοής αλλά και των κτύπων της καρδιάς. Μια ευρύτερη ακτίνα επεξεργασίας χρησιμοποιείται για να εγγυηθεί ότι ο στόχος παραμένει μέσα στην ακτίνα. Αυτό όμως εκθέτει τον υγιή ιστό πνευμόνων στις υψηλές δόσεις ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι ο ιστός πνευμόνων έχει χαμηλής δόσης κατώφλι για τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας, τέτοια έκθεση μπορεί να οδηγήσει στη μόνιμη ζημιά, με συνέπεια την απώλεια λειτουργίας των πνευμόνων. Αυτό είναι ένα κίνητρο για τη χρήση της θεραπείας ακτινοβολίας κατευθυνόμενης με εικόνα (IDRT) για να παρέχει ένα σύστημα θεραπείας κλειστού κυκλώματος ρυθμίζοντας την ακτίνα ανάλογα με την κίνηση όγκων. Ένα πειραματικό σύστημα για την αξιολόγηση του IDRT σε κινούμενους στόχους περιλαμβάνει: έναν γραμμικό επιταχυντή χειριζόμενο από ρομπότ, έναν «φανταστικό» στόχο με ένα φωτισμένο LED proxy, ένα προγραμματισμό x-y έλκηθρο για να κινήσει το στόχο κατά τη διάρκεια της εξομοιούμενης θεραπείας, μια σταθεροποιημένη video camera και μια διεπαφή χειριστή για την εξέταση των συντεταγμένων των όγκων που προέκυψαν και τον έλεγχο της ακτίνας ακτινοβολίας σε πραγματικό χρόνο. 10

11 Κατά τη διάρκεια της εξομοίωσης της διαδικασίας, ο στόχος κινείται σε ένα επίπεδο ανά προγραμματισμένες κινήσεις του ελκήθρου x-y, επιδιώκοντας να μιμηθεί την κίνηση των πραγματικών όγκων των πνευμόνων. Η εξομοίωση θεραπείας παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Εικ.8 Γενική επισκόπηση διαγράμματος προσομοίωσης θεραπείας Οι συντεταγμένες του ρομπότ λαμβάνονται από τον ελεγκτή ρομπότ σε πραγματικό χρόνο, και οι αντίστοιχες συντεταγμένες στόχων υπολογίζονται αναφορικά με το πλαίσιο εργαλείων (επιταχυντής). Η επιτυχία αυτής της προσέγγισης εξαρτάται από μια σειρά παραγόντων. Κατ' αρχάς, πρέπει οι βαθμονομήσεις (calibration) φωτογραφικών μηχανών, ρομπότ και εργαλείου μετασχηματισμού να είναι αρκετά ακριβείς. Επιπλέον, το σύστημα πρέπει να αποδώσει με την αρκετά χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση ότι ο χειριστής μπορεί επιτυχώς να συγχρονίσει την ακτίνα με το στόχο που εισάγεται στην πορεία ακτινοβολίας. Η βαθμονόμηση του ρομπότ καθώς και ο μετασχηματισμός συντεταγμένων του πλαισίου εργαλείων εκτελέσθηκε όπως στην εικ 9. Εικ.9 Αξιολόγηση βαθμονόμησης του ρομπότ αξιοποιώντας το σημείο αναφοράς από πολλαπλές προσεγγίσεις Ο επιταχυντής περιλαμβάνει μια ακριβή μηχανική βάση για να κρατήσει ένα εργαλείο με αιχμηρή απόληξη, ευθυγραμμισμένο με την δέσμη ακτινών θεραπείας. Με αυτό το εργαλείο που παρεμβλήθηκε, το ρομπότ ωθείται να αγγίξει την άκρη του δείκτη σε μια σταθερή θέση αναφοράς. Με τις άκρες να 11

12 συμπίπτουν, επιλέγονται από τον ελεγκτή οι προκύπτουσες κοινές γωνίες του ρομπότ. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται για πολλές προσεγγίσεις. Έχει δειχτεί ότι η θεραπεία ακτινοβολίας κατευθυνόμενη με εικόνα που εφαρμόζεται στους όγκους πνευμόνων, είναι εφικτή και ελκυστική. Η απαραίτητη ακριβής βαθμονόμηση από επιταχυντή χειριζόμενο από ρομπότ και ηλεκτρονικές φωτογραφικές μηχανές είναι επιτεύξιμη. Η σημαντική μείωση της έκθεσης του υγιούς ιστού μπορεί να επιτευχθεί με το IDRT, ελευθερώνοντας τις επιθυμητές δόσεις στους στόχους. MRE Η ενδοσκόπηση είναι μια ελάχιστα επεμβατική διαδικασία στην οποία ένα ενδοσκόπιο παρεμβάλλεται στον ασθενή με σκοπό την παρατήρηση, την ανάλυση και τη διάγνωση. Κατά τη διάρκεια των πρόσφατων χρόνων, η ενδοσκόπηση για το κόλον έχει γίνει διάσημη λόγω των υψηλών εμφανίσεων καρκίνων του ορθού και του κόλον. Εικ.10 Μικρορομποτικό συστημα ενδοσκόπησης Το συγκεκριμένο μικρορομποτικό ενδοσκόπιο είναι μια οπτικά καθοδηγούμενη συσκευή, που αναπτύσσεται για να διευκολύνει την πλοήγηση και τον ελιγμό μέσα στις αιχμηρές κάμψεις και τις πτυχές μυών μέσα στο κόλον. Το σχέδιο ολόκληρου του συστήματος διαιρείται σε τρεις περιοχές δηλαδή το σχέδιο ενός μικρορομποτικού μεταφορέα, του προγραμματισμού και της καθοδήγησης πορειών, και ενός συστήματος ελέγχου εξωτερικά. Ο προγραμματισμός πορειών του μικρορομπότ χρησιμοποιεί τις ποσοτικές παραμέτρους από τις κατακτηθείσες εικόνες και τους αισθητήρες αφής. Για ένα ιδανικό σχέδιο του μικρορομπότ, πέντε βασικές προϋποθέσεις πρέπει να συνυπάρχουν: η αμφίδρομη μετακίνηση, η πηδαλιούμενη άκρη, το εύκαμπτο σώμα, η συμβατότητα μορφής και μεγέθους, και η υλική συμβατότητα. Ως κόλον έχει θεωρηθεί ένας ελαστικός και ικανός να αφαιρεί τον αέρα σωλήνας, που ασκεί ομοιόμορφη πίεση στον άξονα των ενδοσκοπίων. 12

13 Εικ.11 Το μικρορομποτικό ενδοσκόπιο Μια ακολουθία inchworm έχει χρησιμοποιηθεί για τη μετακίνηση ώστε να εξασφαλιστεί συμβατή κίνηση μέσα στο κόλον. Για να προσαρμοστεί στη δράση inchworm, το προτεινόμενο μικρορομποτικό σχέδιο αποτελείται από μια κεφαλή, μια ουρά, μια ελαστική συνδετική μονάδα (εκτατήρας) και δύο μονάδες στερέωσης όπως φαίνεται στην εικόνα 11. Κάθε εκτατήρας έχει την αναλογία επέκτασης 2:1 εκτεινόμενος σε ένα μέγιστο μήκος 30 mm. Η δύναμη που παρέχει κάθε εκτατήρας είναι 1.5 Ν στα 2 bar. Η μέγιστη πίεση που ασκείται στους ιστούς του κόλον περιορίζεται από τους αισθητήρες δύναμης Όταν κινείται προς τα εμπρός, καταρχάς, ο σφιγκτήρας στερέωσης του ουραίου μέρους συγκρατεί το τοίχωμα του κόλον και ακολουθεί η επέκταση της συνδετικής μονάδας, ωθώντας έτσι την κεφαλή. Στη συνέχεια ο σφιγκτήρας στερέωσης της κεφαλής στερεώνει την κεφαλή και ο σφιγκτήρας στερέωσης του ουραίου μέρους απελευθερώνεται προκαλώντας έτσι την απόσυρση της ουράς προς την κεφαλή. Αυτό ολοκληρώνει έναν κύκλο προς τα εμπρός μετακίνησης του μικρορομπότ. Ομοίως, με την αντιστροφή αυτής της ακολουθίας λαμβάνεται η προς τα πίσω κίνηση. Στο προτεινόμενο σχέδιο, η συνδετική μονάδα αποτελείται από τρεις εκτατήρες όπου κάθε εκτατήρας είναι ένας πνευματικός φυσητήρας με ένα ελατήριο επέκτασης. Σύμφωνα με το σχέδιο της συνδετικής μονάδας, εάν η επέκταση είναι η ίδια για όλους τους τρεις εκτατήρες, η κεφαλή/ουρά επεκτείνεται παράλληλα στον άξονά της, ενώ διαφορετικά κάμπτει. Τέσσερις αισθητήρες αφής τοποθετούνται συμμετρικά στην περιφέρεια της μονάδας κεφαλής/ουράς όπως φαίνεται στο σχήμα 11 για να παρέχουν τις πληροφορίες δύναμης ώστε να αποφύγουν τη ζημιά στους ζωντανούς ιστούς. Κάθε αισθητήρας αφής είναι φτιαγμένος από ένα μικροσκοπικό strain gauge που υποβάλλεται στην παραμόρφωση λόγω του φορτίου. Η αλλαγή της αντίστασης δημιουργεί μια δυσαναλογία στη γέφυρα Wheatstone και η ανάλογη τρέχουσα παραλλαγή τροφοδοτείται στον ελεγκτή, ο οποίος χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για την καθοδήγηση. Για την καθοδήγηση σε πραγματικό χρόνο του αυτόνομου μικρορομπότ μέσα στο σώμα χρησιμοποιούνται ισχυροί αλγόριθμοι ώστε να παρέχεται ο ακριβής κατευθυντικός έλεγχος. Τo οπτικά καθοδηγούμενο μικρορομποτικό σύστημα απαιτεί την σε πραγματικό χρόνο εξαγωγή της μονάδας λούμεν από τις ενδοσκοπικές εικόνες που συλλαμβάνει η κάμερα CCD η οποία είναι τοποθετημένη στο σύστημα πλοήγησης. 13

14 Καταρχάς, η εικόνα υποβάλλεται σε πολλαπλής στάθμης δυναμικό thresholding βασισμένο στη συγκέντρωση εξογκωμάτων. Εικ12 : (a) Γεωμετρία κάμψης του εκτατήρα διάνυσμα LoS (b) Διεύθυνση κάμψης στο επίπεδο άκρο αφής Εικ 13: (a) Υπολογισμός γωνίας από το (b Υπολογισμός διανύσματος δύναμηςv από αισθητήρες Ένα σήμα εξετάζεται με σκοπό τη ρύθμιση της ρομποτικής άκρης μόνο εάν είναι επάνω από την τιμή κατώτατων ορίων. Με βάση το συνδυασμό των σημάτων δύναμης, το ορισμα ενός διανύσματος δύναμης V, όπως φαίνεται στο σχήμα 13 (β) μπορεί να υπολογιστεί ως: r 1 F1 F3 arg( V ) = φ = tan F4 F2 Στην ανωτέρω διατύπωση, F i είναι το σήμα δύναμης S i για το i th αισθητήρα και χρησιμοποιείται στην εξίσωση μόνο εάν υπερβαίνει το κατώτατο όριο ειδάλλως δίνεται μια τιμή μηδέν. Οι τελικές κατευθυντικές παράμετροι μετακίνησης του μικρορομπότ υπολογίζονται με την εγκατάσταση του φ με τις πληροφορίες εικόνας. Εικ 14 Μοντέλο εντερικής οδού για τον υπολογισμό δύναμης μετακίνησης Η μέγιστη ταχύτητα βρέθηκε για να είναι 10 mm/s σε μια επέκταση 30 mm. Ο συνολικός χρόνος που απαιτήθηκε για την σύμπτυξη της μονάδας κεφαλής ή ουράς ολοκληρώνοντας έναν ενιαίο κύκλο της μετακίνησης inchworm, 14

15 βρέθηκε για να είναι 4.2 sec ενώ οι φυσητήρες συμπτύσσουν κάτω από την παθητική απελευθέρωση ενέργειας λόγω της ελαστικής επέκτασης της επιφάνειας. Η περίοδος μειώθηκε σε 1.2 sec όταν συμπτύχθηκαν ενεργά οι φυσητήρες με τη χρησιμοποίηση του κενού στην ακινητοποίηση στο τέλος. Τα κύρια ζητήματα ασφάλειας με το ρομποτικό ενδοσκόπιο περιλαμβάνουν την αξιοπιστία της μετακίνησης, γρήγορη προσαρμοστικότητα της κίνησης ρομπότ σύμφωνα με το μεταβαλλόμενο περιβάλλον, που αποφεύγει την υπερβολική δύναμη στους ιστούς τοίχων και την βιο-συμβατότητα του υλικού. Στην εικ. 15a φαίνεται μια φωτογραφία από το εσωτερικό του μοντέλου κόλον ενώ στη 15b ειναι η ίδια φωτογραφία μετά από επεξεργασία της. Στην εικ 15c φαίνεται το εσωτερικό ενός χοίρειου κόλον και στην 15d παρουσιάζεται η ίδια εικόνα επεξεργασμένη. Εικ. 15 Da Vinci Τον Ιούλιο του 2000 το FDA των ΗΠΑ ενέκρινε το πρώτο σύστημα τηλεχειρουργικής για γενική χρήση στη χειρουργική. Επρόκειτο για το Da Vinci, ένα σύστημα τηλεχειρισμού το οποίο επιτρέπει στον χειρουργό να κατευθύνει από απόσταση τα χειρουργικά εργαλεία. Το Da Vinci απαρτίζεται από δύο μέρη: την κονσόλα ελέγχου, που χρησιμοποιεί ο χειρουργός ως σταθμό εργασίας και περιλαμβάνει τον υπολογιστή και το σύστημα τρισδιάστατης όρασης, και το ρομπότ, το οποίο περιλαμβάνει τρεις βραχίονες. Από αυτούς ο κεντρικός φέρει την κάμερα και οι δύο εξωτερικοί αποτελούν τους βραχίονες εργασίας που υποδέχονται τα χειρουργικά εργαλεία, τα οποία φέρουν άρθρωση όπως αυτή του καρπού ενώ κινούνται με επτά βαθμούς ελευθερίας (σε σύγκριση με τέσσερις των λαπαροσκοπικών) και σε δύο βαθμούς περιστροφής περί τον άξονα. Το ρομπότ τοποθετείται δίπλα στη χειρουργική τράπεζα και συνδέεται με τα τρία τροκάρ μέσα από τα οποία εισέρχονται τα χειρουργικά εργαλεία στην περιτοναϊκή ή την υπεζωκοτική κοιλότητα. Το Da Vinci παρέχει ένα σύστημα απεικόνισης τριών διαστάσεων που προσομοιάζει το πεδίο όπως θα φαινόταν μέσα από κιάλια. Η οπτική του συστήματος έχει διάμετρο 12mm και αποτελείται από δύο ξεχωριστές οπτικές των 5mm. Δύο κάμερες τριών τσιπ μεταφέρουν την εικόνα σε δύο διαφορετικές οθόνες ενώ ένα σύστημα συγχρονισμού των δύο ειδώλων προβάλει την τελική εικόνα στα «κιάλια» που βρίσκονται στην κονσόλα ελέγχου του χειρουργού. Στο σύστημα αυτό η αριστερή και η δεξιά εικόνα παραμένουν χωρισμένες από το άκρο του ενδοσκοπίου μέχρι το μάτι του χειρουργού. Όπως στα κιάλια, το δεξί μάτι 15

16 βλέπει τη δεξιά εικόνα και το αριστερό μάτι την αριστερή εικόνα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μια τρισδιάστατη εικόνα υψηλής ανάλυσης με σαφή αίσθηση του βάθους. Το Da Vinci αρχικά σχεδιάστηκε για την εκτέλεση στεφανιαίας παράκαμψης χωρίς θωρακοτομή. Ο Carpentier το 1999 παρουσίασε την πρώτη επιτυχή χρήση του για την εκτέλεση αορτοστεφανιαίας παράκαμψης, ενώ χειρουργοί από τη Δρέσδη το χρησιμοποίησαν για τη λήψη αριστερής και δεξιάς έσω μαστικής αρτηρίας σε 27 ασθενείς. Αυτές τις προσπάθειες ακολούθησαν άλλες προσπάθειες Αμερικανών κυρίως καρδιοχειρουργών για την εκτέλεση κλειστής αορτοστεφανιαίας παράκαμψης (χωρίς θωρακοτομή) οι οποίες ήταν ιδιαιτέρως επιτυχείς. Ταυτόχρονα αυξήθηκε η εμπειρία στη χρήση του Da Vinci για τη χειρουργική της μιτροειδούς βαλβίδος κυρίως από ομάδες της Λειψίας και του East Carolina University. Στις ΗΠΑ το FDA έχει εγκρίνει τη χρήση του Da Vinci για όλες τις επεμβάσεις θωρακικής χειρουργικής, συμπεριλαμβανομένης και της λήψης της έσω μαστικής αρτηρίας για αορτομηριαία παράκαμψη αλλά όχι για καρδιακές επεμβάσεις. Όσον αφορά τη χειρουργική της κοιλιάς, πρώτος ο Cadiere ανακοίνωσε την κλινική εφαρμογή της τηλερομποτικής χειρουργικής τον Μάρτιο του 1997, όταν χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο του Da Vinci πραγματοποίησε μια λαπαροσκοπική χολοκυστεκτομή. Η ίδια ομάδα επίσης ανακοίνωσε την επιτυχή χρήση του συστήματος για τηλερομποτική λαπαροσκοπική γαστρική παράκαμψη, θολοπλαστική κατά Nissen και αναστόμωση φαλλοπιανών σαλπιγγών. Από τότε έχει δημοσιευθεί μεγάλος αριθμός τηλερομποτικών επεμβάσεων του ΓΕΣ με τη χρήση του Da Vinci κι οποίες απέδειξαν ότι η τηλερομποτική χειρουργική του πεπτικού μπορεί να εκτελεστεί με ασφάλεια. Οι ουρολόγοι επίσης διαπίστωσαν σημαντικές κλινικές εφαρμογές της τηλερομποτικής χειρουργικής. Υπήρξαν ομάδες οι οποίες απέδειξαν ότι η αναστόμωση της ουρήθρας με το Da Vinci είναι ευκολότερη απ ότι με τις συνήθεις «κλασικές» λαπαροσκοπικές τεχνικές. Φαίνεται ότι τα αρθρωτά εργαλεία του Da Vinci είναι ιδιαιτέρως κατάλληλα για όλες τις δύσκολες αναστομώσεις (ουρήθραουροδόχος κύστη, Gillonneau και Vallancien). Τηλερομποτικές νεφρεκτομές και ρομποτικές νεφρεκτομές δότου έχουν ανακοινωθεί από τους Vanuno και Horgan στο Σικάγο με μέσο χειρουργικό χρόνο τα 166 λεπτά και μέσο χρόνο παραμονής στο νοσοκομείο τις 1,8 ημέρες. Οι Vanuno και Horgan διαπιστώνουν ότι το Da Vinci τους επιτρέπει να εκτελούν τις επεμβάσεις αυτές με «μεγαλύτερη ακρίβεια, εμπιστοσύνη και άνεση». Ενώ η πρώτη γενιά Da Vinci δεν προσέφερε κανένα απτικό αίσθημα, με αποτέλεσμα να μην μπορεί ο χειρούργος να εκτιμήσει την τάση που ασκούσαν οι ισχυροί ρομποτικοί βραχίονες του συστήματος, η σήμερα διαθέσιμη τέταρτη γενιά φέρει αισθητήρες αφής οι οποίοι διευκολύνουν την αντίληψη της αντίστασης των ιστών από τον χειρουργό. Η τελευταία αυτή γενιά του συστήματος προσφέρει επίσης τέσσερις ρομποτικούς βραχίονες και έναν βραχίονα για τον χειρισμό της κάμερας, επιτρέποντας με τον τρόπο αυτό στον χειρουργό να εκτελεί μόνος από την κονσόλα ελέγχου την πλειονότητα των επεμβάσεων. 16

17 Εικ. 15 Ρομποτικό χειρουργικό σύστημα Da Vinci 4 ης γενιάς. Αριστερά φαίνεται η κονσόλα ελέγχου και δεξιά η μεριά του ασθενούς με τους 4 ρομποτικούς βραχίονες. Ο κατάλογος αυτός συνεχώς μακραίνει. Μέχρι σήμερα έχουν πραγματοποιηθεί και δημοσιευθεί χολοκυστεκτομές, κολεκτομές, γαστρικές παρακάμψεις, θολοπλαστικές κάθε είδους, μυοτομή κατά Heller, προστατεκτομές, ηπατεκτομές, καρδιοχειρουργικές επεμβάσεις κάθε είδους. Περιορισμοί Δεδομένου ότι το Da Vinci σχεδιάστηκε αρχικά για καρδιακή χειρουργική, οι απαιτήσεις και οι ειδικές ανάγκες της Γενικής Χειρουργικής δεν ελήφθησαν υπόψιν. Αποτέλεσμα αυτού είναι ότι το σύστημα παρουσιάζει μια σειρά από περιορισμούς και προκλήσεις στην εφαρμογή του στη γενική Χειρουργική. Οι βραχίονες είναι ογκώδεις και δεν προσαρμόζονται στη χειρουργική τράπεζα, οι κινήσεις τους, που σε κάποιες περιπτώσεις είναι ιδιαιτέρως ευρείες, οδηγούν σε συγκρούσεις μεταξύ τους και τελικά η χρήση του στις συνήθεις χειρουργικές αίθουσες είναι δύσκολη ή ενοχλητική. Το σύστημα του Da Vinci είναι ιδιαιτέρως ογκώδες κι έχει μεγάλο βάρος. Έτσι, η μετακίνησή του μεταξύ μιας λαπαροσκοπικής χολοκυστεκτομής και μίας θολοπλαστικής ή κολεκτομής είναι χρονοβόρα και κουραστική. Κατά τη διάρκεια πολύπλοκων επεμβάσεων, όπως είναι οι κολεκτομές, οι οποίες απαιτούν πολλαπλές μετακινήσεις του ασθενούς, πρέπει να αποσυνδέεται και να αλλάζει συνεχώς θέσεις. Αυτό προσθέτει τόσο στην πολυπλοκότητα όσο και στον χρόνο του χειρουργείου. Ακόμη οι κινήσεις των βραχιόνων στη γενική χειρουργική είναι ευρύτερες των κινήσεων που απαιτούνται π.χ. για την παρασκευή της έσω μαστικής, για την οποία και είχαν αρχικά σχεδιαστεί. Έτσι, εάν τα τροκάρ τοποθετηθούν σε λάθος θέσεις έστω και για λίγα εκατοστά, προκαλούνται συγκρούσεις μεταξύ των βραχιόνων. Η εικόνα από το σύστημα Da Vinci εκτός από την κονσόλα ελέγχου πρέπει να μεταδίδεται και σε πολλαπλές συμβατικές οθόνες δύο διαστάσεων μέσα στο χειρουργείο. Αυτό είναι απαραίτητο διότι κατά τη διάρκεια μιας επέμβασης είναι δυνατόν να απαιτηθούν συχνά εναλλαγές μεταξύ ενός απλού λαπαροσκοπικού ενδοσκοπίου και του ενδοσκοπίου Da Vinci. 17

18 Η μεταφορά του σήματος είναι συνήθως εύκολη στις σύγχρονες ειδικά προς τούτο διαμορφωμένες χειρουργικές αίθουσες αλλά μπορεί να είναι έως αδύνατη στα κλασικά χειρουργεία. Έτσι στο αρχικό κόστος εγκατάστασης ενός προγράμματος τηλεχειρουργικής πολλοί συγγραφείς συνιστούν ότι θα πρέπει να συνυπολογιστεί και η αναβάθμιση μιας χειρουργικής αίθουσας με ειδική καλωδίωση και λοιπό ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Τέλος, παρά την προηγμένης τεχνολογίας απτική αίσθηση η έλλειψη ακριβούς αισθήματος αφής μπορεί να οδηγήσει σε τραύματα εκ πιέσεως ή σύνθλιψη των διαφόρων ιστών, προβλήματα που αποφεύγονται μόνο μέσα από την κατάλληλη εκπαίδευση και την αύξηση της εμπειρίας. Το ευτύχημα είναι ότι η εξέλιξη της τεχνολογίας είναι ταχύτατη, με αποτέλεσμα να γίνεται ολοένα και ευκολότερη η επίλυση των προβλημάτων που αναφύονται στην καθημερινή κλινική εφαρμογή. Έτσι το τροχήλατο απέκτησε μεταξύ άλλων ειδικό κινητήρα, που κάνει ευκολότερη τη μετακίνηση του και μακρύτερους βραχίονες, που επιτρέπουν ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια στην τελική κίνηση και κάνουν εφικτή τη διεξαγωγή λεπτότερων χειρισμών (π.χ. κατά τη διάρκεια παιδοκαρδιοχειρουργικών επεμβάσεων). Zeus Οι κατασκευαστές του AESOP ανέπτυξαν το σύστημα τηλερομποτικής χειρουργικής Zeus. Αυτό χρησιμοποιεί τον AESOP για να κρατά την κάμερα και προστίθενται άλλοι δύο βραχίονες για να χειρίζονται χειρουργικά εργαλεία. Οι τρεις ανεξάρτητοι βραχίονες προσαρμόζονται στο χειρουργικό τραπέζι. Ένας υπολογιστής στην κονσόλα ελέγχου του χειρουργού ελέγχει τους βραχίονες παρακολουθώντας σε τρεις διαστάσεις τη θέση του άκρου κάθε εργαλείου και της κάμερας και όχι τη θέση των τροκάρ όπως και στο Da Vinci. Η πιο πρόσφατη έκδοση του Zeus χρησιμοποιεί ένα εργονομικό interface μεταξύ του χειρουργού και των ρομποτικών οργάνων. Εικ. 16 Το ρομποτικό χειρουργικό σύστημα Zeus σε λειτουργία. Αριστερά ο χειρουργός στην κονσόλα ελέγχου και δεξιά οι ρομποτικοί βραχίονες εκτελούν την επέμβαση στον ασθενή Το Zeus χρησιμοποιεί ειδικά αρθρωτά εργαλεία, με την άρθρωση κοντά στο άκρο τους. ο χειρουργός κάθεται σε μια πολυθρόνα μπροστά από ένα βίντεο μόνιτορ. Ο υπολογιστής εξαλείφει τον τρόμο των χεριών του χειρουργού και 18

19 μπορεί να υποπολλαπλασιάσει την κίνησή του σε μία κλίμακα από 2:1 έως 10:1. Ο χειρουργός με ειδικά γυαλιά βλέπει το εγχειρητικό πεδίο μέσω ενός συστήματος απεικόνισης τριών διαστάσεων, της Storz. Το Zeus και το Da Vinci αναπτύχθηκαν αρχικά για χρήση στην καρδιοχειρουργική. Οι πιο προηγμένες χρήσεις του περιλαμβάνουν τη λήψη της έσω μαστικής αρτηρίας και την εκτέλεση αορτοστεφανιαίας παράκαμψης. Υπάρχουν χειρουργικές ομάδες που εκτελούν την επέμβαση σε παλλόμενη καρδιά, χωρίς τη χρήση αντλίας παράκαμψης και χωρίς φυσικά θωρακοτομή, στο Μόναχο, το Λονδίνο του Οντάριο και αλλού. Το σύστημα έχει ακόμη χρησιμοποιηθεί για εκτέλεση περικαρδιοτομής ενώ εμφανίζεται ιδιαίτερα ελπιδοφόρο στη χειρουργική σε περιβάλλον με πολύπλοκη ανατομική. Το Zeus πήρε άδεια από την FDA τον Σεπτέμβριο του Υπάρχουν μελέτες οι οποίες δείχνουν ότι οι αναστομώσεις του πεπτικού με το Zeus παρουσιάζουν λιγότερες επιπλοκές έναντι των συνήθων λαπαροσκοπικών, αν και απαιτούν περισσότερο χρόνο. Στο Louisiana State University εξέτασαν τη χρησιμότητα του Zeus σε παιδοχειρουργκές επεμβάσεις και ειδικά τα πλεονεκτήματα τηλερομποτικής συρραφής έναντι της συνήθους λαπαροσκοπικής. Η ομάδα του LSU διαπίστωσε ότι μπορούσαν να εκτελέσουν εντερο-αναστομώσεις σε χοίρους σε 14 λεπτά λιγότερο από ότι με τις συνήθεις λαπαροσκοπικές τεχνικές. Πολλές ομάδες αξιολόγησαν το Zeus ως μέσο εκπαίδευσης φοιτητών, ειδικευόμενων και ειδικευμένων χειρουργών στις προηγμένες λαπαροσκοπικές τεχνικές. Αυτές οι μελέτες έδειξαν ότι στις απλές κινήσεις δεν διαπιστώνεται κανένα πλεονέκτημα του τηλερομπότ. Αντιθέτως, περισσότερο πολύπλοκες διαδικασίες όπως η συρραφή ή η εκτέλεση χειρουργικού κόμπου πραγματοποιούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα και ακρίβεια με τη χρήση του τηλερομπότ ανεξαρτήτως του επιπέδου εκπαίδευσης του χειριστή. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι τα χειρουργικά τηλερομποτικά συστήματα θα μπορούσαν να διευκολύνουν την εκμάθηση και την εκτέλεση πολύπλοκων κινήσεων. Η Computer motion η εταιρεία που παρήγε το Zeus, εξαγοράστηκε πρόσφατα από την Intuitive Surgical, την εταιρεία που παράγει το Da Vinci, και η εξέλιξή του φαίνεται ότι σταμάτησε με την ενσωμάτωση των όποιων πλεονεκτημάτων του στην τελευταία γενιά του Da Vinci. Επέμβαση Lindbergh O Marescaux και οι συνεργάτες του στο Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο για την Τηλεχειρουργική (European Institute for Telesurgery) έφεραν την επανάσταση στη χειρουργική όταν εκτέλεσαν την πρώτη διατλαντική τηλεχειρουργική χολοκυστεκτομή στις 7 Σεπτεμβρίου 2001 χρησιμοποιώντας το Zeus. Η επέμβαση Lindbergh, όπως ονομάστηκε από το όνομα του ανθρώπου που πρώτος πέταξε πάνω από τον Ατλαντικό, αποτέλεσε την πρώτη στην ιστορία τηλεχειρουργική επέμβαση μεταξύ Νέας Υόρκης (όπου βρισκόταν η χειρουργική ομάδα) και Στρασβούργου (όπου βρισκόταν η ασθενής). Το εγχείρημα απαιτούσε α) ιδιαίτερα εξειδικευμένους χειρουργούς, β) ένα ασφαλές, αξιόπιστο και ταχύ δίκτυο για τη σύνδεση των δύο σημείων (ασθενής-χειρουργός), γ) ένα ρομποτικό σύστημα ικανό να μεταφράζει τις κινήσεις του χειρουργού στη Νέα Υόρκη, σε κινήσεις εργαλείων μέσα στο σώμα του ασθενούς στο Στρασβούργο. Οι χειρουργοί ήταν ο καθηγητής Marescaux, ο δόκτωρ Michel Gagner κι ο καθηγητής Le Roy (που για λόγους ασφαλείας βρισκόταν δίπλα στο πλευρό της ασθενούς). Το δίκτυο ήταν μια 19

20 ΑΤΜ επίγεια σύνδεση οπτικών ινών η οποία επελέγη λόγω του συνεχούς ρυθμού μετάδοσης δεδομένων (10 Mbps) και της ποιότητας της παρεχόμενης υπηρεσίας. Συμπέρασμα Αυτό που φάνταζε σενάριο επιστημονικής φαντασίας πριν από λίγα χρόνια ήταν ήδη πραγματικότητα. Η δε συνέχεια είναι ακόμη τολμηρότερη. Η ΝΑΣΑ αναπτύσσει μια σειρά από εφαρμογές και χρηματοδοτεί πειράματα για τηλεκαθοδήγηση και τηλεεκπαίδευση χειρουργών, που στοχεύουν στη διεξαγωγή χειρουργικών επεμβάσεων σε τεράστιες αποστάσεις. Είναι δε πιθανόν να μη βρισκόμαστε καθόλου μακριά από την εποχή που οραματιζόταν ο Marescaux το 2002, όπου ένα «Εικονικό Πανεπιστήμιο» θα μπορεί να παρέχει Teleeducation Teletraining Telementoring Teleproctoring Teleaccreditation Μολονότι πάντως η ρομποτική χειρουργική βρίσκεται ακόμη σε νηπιακή ηλικία και οι ενδείξεις εφαρμογής της δεν έχουν πλήρως καθοριστεί, πιστεύεται ότι η εξέλιξη του παρόντος συστήματος και η βελτίωση των εργαλείων-η βελτιστοποίηση των interface για την τηλεχειρουργική, καθώς και η ανάπτυξη και εξέλιξη οργάνων που να παρέχουν αίσθηση αφής για τον χειρισμό μαλακών ιστών αποτελούν σήμερα αντικείμενο τόσο ακαδημαϊκής όσο και βιομηχανικής έρευνας-μπορεί να επιτρέψει την εκτέλεση ολοένα και ευρύτερου φάσματος χειρουργικών επεμβάσεων της κοιλιάς και του θώρακος στο εγγύς μέλλον. Είναι ακόμη απαραίτητο να επισημανθούν μια σειρά από προβλήματα στην ευρεία εφαρμογή της, όπως το υψηλό κόστος απόκτησης αλλά και χρήσης των συστημάτων και η μακρά καμπύλη εκμάθησης των χειρουργών. Η διαδικασία ενός ρομποτικού συστήματος για τις χειρουργικές εφαρμογές είναι πολύ σύνθετη και ακριβή, απαιτώντας συχνά διάφορες αλλαγές του μηχανικού σχεδίου και της χειρουργικής διαδικασίας προτού να μπορέσουν να αρχίσουν οι ρεαλιστικές δοκιμές. Το σχέδιο και τα διαδικαστικά προβλήματα μπορούν να ανακαλυφθούν μόνο κατά τη διάρκεια των δοκιμών στα χειρουργεία, απαιτώντας κατά συνέπεια ακριβές τροποποιήσεις στο πρωτότυπο σύστημα. Για να αποφύγουν αυτές τις καταστάσεις, οι μηχανικοί και οι χειρούργοι πρέπει να χρησιμοποιήσουν έναν προσομοιωτή του χειρουργικού συστήματος για να ελέγξουν την εγκυρότητα των εννοιών σχεδίου πριν αρχίζουν την επεξεργασία του χειρουργικού πρωτότυπου ρομπότ. Ο προσομοιωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναπτύξει διάφορες διαδικασίες κατανέμοντας έτσι την προσπάθεια σχεδίου πέρα από διάφορες εφαρμογές που αυξάνουν τη χρησιμότητά του. Εντούτοις, το σχέδιο ενός τέτοιου συστήματος γίνεται δυσκολότερο από τις πολλές ανταγωνιστικές απαιτήσεις που επιβάλλονται στο σταθμό εργασίας όπως, παραδείγματος χάριν, η υψηλή απόδοση και το περιορισμένο κόστος, το ευρύ φάσμα των 20

21 εφαρμογών και των εξειδικευμένων ικανοτήτων. Το κόστος που συνδέεται με τη χρήση ενός ρομπότ είναι ένας σημαντικός περιορισμός αυτής της τεχνολογίας, με αποτέλεσμα τα περισσότερα εργαστήρια που κάνουν την έρευνα σε αυτήν την περιοχή να αποτρέπονται από την ανάπτυξη των νέων πρωτοτύπων και των διαδικασιών των ρομποτικών χειρουργικών συστημάτων. Τα τελευταία, παρ όλα αυτά, οχυρά της ανοικτής χειρουργικής, πέφτουν όταν μετά την εκτέλεση ρομποτικής ηπατεκτομής από μια ομάδα του University of Illinois, διαπιστώνεται ότι το ρομπότ είναι ανώτερο από την παραδοσιακή λαπαροσκοπική χειρουργική επειδή παρέχει τη δυνατότητα κίνησης σε γωνίες 360 μοιρών, γεγονός που είναι αδύνατο να συμβεί χρησιμοποιώντας τα παραδοσιακά λαπαροσκοπικά εργαλεία. Και φαίνεται ότι μια πραγματικότητα που έρχεται είναι ότι στο άμεσο μέλλον θα είναι πολύ δύσκολο να δικαιολογήσουμε την ανοικτή χειρουργική της κοιλιάς για την πλειονότητα των ασθενών όπως διατείνεται ο Dr Giuliano Testa, Επίκουρος Καθηγητής Χειρουργικής στο UIC. Η καθιέρωση της βιντεο-λαπαροσκόπησης οδήγησε τη χειρουργική αίθουσα από τον 19 ο αιώνα στην εποχή των υπολογιστών σε διάστημα λίγων ετών. Η ρομποτική χειρουργική και η τηλεχειρουργική υπόσχονται αντίστοιχα σε βραχύ χρονικό διάστημα να αλλάξουν τον κλασικό τρόπο με τον οποίο η χειρουργική προσεγγίζει τον ασθενή. Αναφορές 1. Vijayan K. Asari, Sanjiv Kumar, Irwan M. Kassim A fully autonomous microrobotic endoscopy system. 2. Matthias Seitz Towards autonomous robotic servicing: Using an integrated hand arm eye system for manipulating unknown objects. 3. C. Casadei, P. Fiorini, S. Martelli A workcell for the development of robot assisted surgical procedures. 4. K. Sharma, W. Newman, M. Weinhous, R. Macklis Experimental evaluation οf a robotic Image Directed Radiation Therapy 5. T.A. Rockall, A.W. Darzi Tele manipulator robots in surgery 6. D. Gerhardus Robot-assisted surgery: the future is here