Zrobotyzowane cewniki sterowane przez sztuczną inteligencję wspierają operacje serca
Choroby układu krążenia są jednym z najważniejszych zagrożeń dla zdrowia na świecie - każdego roku są przyczyną blisko 11 % ogółu wydatków na opiekę zdrowotną w Unii Europejskiej. W wielu przypadkach leczenie wymaga przeprowadzenia zabiegów chirurgicznych, które mogą powodować komplikacje. Minimalnie inwazyjne zabiegi obejmujące procedury laparoskopowe wykorzystujące cewniki szybko zyskują w związku z tym na popularności. „Technologie laparoskopowe są wykorzystywane w celu naprawy lub zastępowania chorych struktur serca za pomocą wszczepialnych urządzeń umieszczanych wewnątrz narządu”, wyjaśnia Emiliano Votta, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej na Politechnice w Mediolanie. Wykorzystanie tego rodzaju technologii pozwala na uniknięcie niektórych zagrożeń związanych ze standardowymi zabiegami, jednak czasem ich użycie nastręcza wielu problemów lub bywa nieskuteczne. Ze względu na to, że kluczowe znaczenie ma doświadczenie lekarzy, dostęp do zabiegów laparoskopowych jest ograniczony, a promieniowanie rentgenowskie może narażać pacjentów na niepotrzebne niebezpieczeństwo. Naukowcy biorący udział w finansowanym ze środków Unii Europejskiej projekcie ARTERY opracowali nowatorskie zrobotyzowane cewniki sterowane za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji. Cewniki te automatycznie znajdują drogę do celu na podstawie danych wprowadzonych przez operatora, który może zwizualizować serce i monitorować pracę urządzenia cewnik za pomocą interfejsu holograficznego bez potrzeby obrazowania rentgenowskiego.
Holograficzny obraz serca
Zespół projektu ARTERY opracował sprawdzoną koncepcję zrobotyzowanej platformy opartej na współdzielonej autonomii, wyposażonej w automatyczne cewniki, które mogą być sterowane przez ludzi w razie potrzeby interwencji. Rozwiązanie opiera się na robocie, który wprowadza sondę echokardiograficzną przez przełyk. Sonda jest cewnikiem, którego końcówka rejestruje obrazy echokardiograficzne serca. W międzyczasie pozostałe cewniki są sterowane przez innego robota, który wprowadza je do serca. Zarówno sonda, jak i pozostałe cewniki, są wyposażone w czujniki, które pozwalają na ustalenie ich położenia i kształtu w przestrzeni 3D. Główny operator może wizualizować istotne informacje i sterować robotami za pomocą hologramów. Gdy cewnik dotrze do serca, operator może zobaczyć hologram jego wnętrza w trzech wymiarach w oparciu o obrazy echokardiograficzne. Położenie cewnika i odpowiednie niezależne punkty orientacyjne są automatycznie ustalane przez model sztucznej inteligencji. Na podstawie tych informacji operator może łatwo wskazać cel, do którego ma dotrzeć cewnik. Inny model sztucznej inteligencji ustala optymalną ścieżkę cewnika, którą przekazuje następnie robotom.
Eksperymentalne rozwiązania
Wszystkie badania i testy w ramach projektu ARTERY zostały przeprowadzone w laboratorium, co pozwoliło zespołowi opracować wysoce realistyczne konfiguracje eksperymentalne, w tym odkształcalne repliki tkanek, naczyń krwionośnych, struktur serca i przełyku. Prace obejmowały łączenie i testowanie kolejnych technologii, które doprowadziły do badań z wykorzystaniem kompleksowego systemu opartego na robotach. Następnie zespół przeprowadził dwie serie testów w prawdziwej sali chirurgicznej, aby na tej podstawie lepiej ustalić sposób konfiguracji platformy.
Najważniejsze osiągnięcia technologiczne
Projekt przyniósł kilka znaczących przełomów zarówno w zakresie sprzętu, jak i oprogramowania. W zakresie sprzętu obejmowały one opracowanie i opatentowanie czujników nowej generacji, opracowanie prototypu nowatorskiego cewnika oraz zbudowanie zrobotyzowanego sterownika sondy echokardiograficznej, który został pozytywnie oceniony przez lekarzy. „Rozwiązanie to okazało się niezwykle przydatne jako oddzielna technologia, ponieważ ogranicza zakres prac i pozwala na zdalne sterowanie sondą, zmniejszając tym samym ekspozycję pacjenta i lekarza na promieniowanie rentgenowskie”, mówi Votta. Zespół opracował także nowe algorytmy umożliwiające automatyczną analizę obrazów echokardiograficznych. „Mogą one być przydatne również poza kontekstem platformy robotycznej ARTERY, na przykład dzięki możliwości skuteczniejszej diagnostyki i sprawniejszego planowania zabiegów”, dodaje Votta.
Dążenie do badań klinicznych
Obecnie badacze zajmują się opracowaniem prototypów produktów opartych na wybranych technologiach powstałych w ramach projektu, a także ubiegają się o dalsze finansowanie w ramach programów Europejskiej Rady ds. Innowacji (EIC).
Słowa kluczowe
ARTERY, cewnik, kardiochirurgia, sztuczna inteligencja, algorytm, robot, automatyczny