Prezentacje pomysłów - Dr Robot, chirurg mózgu
Roboty są w teorii idealnymi kandydatami do asystowania przy operacjach mózgu. Mogą one realizować nadzwyczaj precyzyjne manewry, posiadają ogromne zasoby pamięci oraz szybkie reakcje. Nie wymagają one oczywiście ocierania potu z czoła. Mogą natomiast w sposób łatwy i szybki rozszerzyć liczbę operacji przeprowadzanych w ośrodkach medycznych. Nie jest to jednak takie proste. "Opracowanie robotycznego asystenta chirurgicznego jest nadzwyczaj trudnym zadaniem," twierdzi Giancarlo Ferrigno, koordynator finansowanego przez UE projektu pod nazwą "Wspomagana przez komputer integracja robotów i czujników w chirurgii i terapii" (Robocast). "W takim projekcie należy wziąć pod uwagę wielką liczbę zmiennych, a cały proces wymaga nadzwyczajnej precyzji. Pozostaje bardzo minimalny margines na możliwości błędów." W projekcie Robocast, który otrzymał dofinansowanie z Unii Europejskiej w wysokości 3,45 miliona euro do planowanego budżetu rzędu 4,55 miliona euro, skoncentrowano się na szczególnie precyzyjnym zadaniu, a mianowicie na wspomaganej przez robota endoskopii, technice operacyjnej realizowanej przez bardzo mały otwór w czaszce, zwany otworem trepanacyjnym. Ten rodzaj chirurgii stosowany jest przy wielu operacjach mózgu. Podczas endoskopii chirurg wykorzystuje niewielki otwór, przez który wprowadzona zostaje kamera umożliwiająca badanie części ciała lub organu bezpośrednio, natomiast w ramach biopsji przez taki otwór pobrać można również próbki podejrzanej tkanki. Technika taka może być wykorzystana do umieszczania igieł do pobierania próbek krwi i innych płynów, jak również do ablacji kriogenicznej i elektrolitycznej, a zatem do usuwania tkanek przy pomocy zimna lub bezpośrednio przy pomocy prądu elektrycznego. Brachyterapia umożliwia umieszczenie źródła promieniowania w pobliżu leczonego miejsca, podczas gdy głęboka stymulacja mózgu (DBS) polega na instalowaniu stosownego stymulatora mózgu. Techniki takie rozwinęły w sposób drastyczny metody leczenia guzów, wodogłowia (nagromadzenie nadmiaru płynu w mózgu), dystonii (neurologiczne zaburzenie ruchów), drżenia samoistnego, choroby Parkinsona, zespołu Tourette'a, depresji klinicznej, fantomowego bólu kończyn, klasterowego bólu głowy, a nawet epilepsji. Jest to olbrzymia i rozwijająca się dziedzina, lecz także jedna z najbardziej wymagających. Wymaga ona bowiem wysokiej inteligencji, nadzwyczajnej sprawności oraz bardzo dużego opanowania. "Wykonywanie procedur neurochirurgicznych pozostaje obecnie na granicy ludzkich możliwości, zatem jedynie nowe techniki pozwolą chirurgom na dokonanie postępów," wyjaśnia Dr Ferrigno. "Funkcje życiowe, takie jak zmysły, ruch, mowa oraz pamięć, występują w tkance mózgowej na obszarze o wymiarach kilku dziesiątych milimetra, a więc uszkodzenie może doprowadzić do trwałego obrażenia." Opracowanie niezawodnego, bezpiecznego i skutecznego wspomagania robotycznego może w sposób potencjalny poprawić bezpieczeństwo oraz zwiększyć liczbę wykonywanych operacji. Będzie to miało dużo większe znaczenie w okresie następnych 20 lat, w miarę jak społeczeństwo Europy będzie się szybko starzeć, przy jednocześnym wzroście liczby przypadków zaburzeń mózgu. Inteligencja mechatronicznaZespół projektu Robocast opracował zarówno oprogramowanie, jak też sprzęt. Sprzęt zastosowany w robotyce nazywamy mechatroniką, ponieważ składa się on z części mechanicznych i elektronicznych. Podczas, gdy mechatronika obejmuje korpus i układ nerwowy robota, oprogramowanie zapewnia jego inteligencję. Do pełnego systemu wchodzi interfejs człowiek-maszyna, wraz z inteligentnym układem łączności kontekstowej oraz dotykowymi lub reakcyjnymi mechanizmami sterowania. System obejmuje zespół z szeregiem mechanizmów robotycznych, autonomiczny moduł planowania trajektorii ruchu, złożony sterownik oraz zestaw czujników. Podczas realizacji mechatronicznej fazy projektu opracowano system modułowy, posiadający niewielkie gabaryty i składający się z dwóch robotów i jednej aktywnej sondy biomimetycznej. W systemach biomimetycznych wykorzystano modele biologiczne inspirujące projekt techniczny. Trzy elementy współpracują ze sobą w zintegrowanym zestawie czujników motorycznych, pracując w charakterze jednego zespołu. Pierwszy robot może ustawiać miniaturowy współpracujący z nim robot w układzie "sześciu stopni swobody" (DOF). Stopnie swobody określają kierunki, w których obiekt może przemieszczać się w przestrzeni trójwymiarowej, a sześć stopni swobody odpowiada pełnemu zakresowi przemieszczania. Realnie rzecz biorąc, sześć stopni swobody oznacza, iż robot posiada możliwość trzech ruchów liniowych, do góry, do dołu, w lewo i w prawo, do przodu i do tyłu; a ponadto posiada możliwość trzech ruchów obrotowych, a więc pochylanie do przodu i do tyłu, z boku na bok, oraz obrót w lewo i w prawo. Robot może jednocześnie łączyć ze sobą te kierunki przemieszczeń, by ustawić współpracujący mechanizm w dowolnym punkcie przestrzeni 3D. Może on także ustawić ten miniaturowy mechanizm w dowolnym punkcie pola operacyjnego. Miniaturowy robot służy do zamocowania sondy wprowadzanej przez otwór endoskopowy. Znaczniki optyczne monitorują położenie końcówki sondy oraz pacjenta. Robot może sterować położeniem i przyłożoną siłą przy wykorzystaniu czujników. Naukowcy uczestniczący w projekcie Robocast opracowali również "inteligencję" robota, który zdolny jest do zdefiniowania trajektorii operacji chirurgicznej, co jest istotnym elementem jego pracy. Utrzymanie trajektorii ruchu wydaje się rzeczą prostą, ale w robotyce jest to trudny problem. Nasz mózg instynktownie wykonuje złożone wyliczenia, wymagane do umieszczenia obiektu w przestrzeni trójwymiarowej (3D), przy czym obliczenia takie realizowane są podczas ruchu obiektu, a zatem kontynuowane bez przerwy w czasie rzeczywistym. Jeśli ktoś rzuca w naszym kierunku piłkę, to w większości przypadków udaje się ją złapać. Jest to niezmiernie skomplikowany proces. W ramach projektu Robocast opracowano system sterowania, który może autonomicznie zapewniać planowanie toru, zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz ciała pacjenta, poprzez analizę przed zabiegowych informacji diagnostycznych. Tor ustawiany wewnątrz mózgu planowany jest na zasadzie "atlasy ryzyka". Taki atlas reprodukuje rozmyte odwzorowanie mózgu, powiązane z jego strukturami, do tzw. "poziomu zagrożenia". Rozmycie wynika z charakterystycznych istotnych różnic pomiędzy osobami, definiując zagrożenie w zakresie poziomów od bardzo wysokiego do bardzo niskiego. Konstrukcja atlasu polega na poznawczym uczeniu się, przy czym system może zapewnić chirurgowi wyjaśnienia odnośnie dowolnego sugerowanego działania. Robot umożliwia semi-autonomiczne uaktualnienie planu w celu przystosowania go do wszelkich nieprzewidzianych zmian, jakie mogą wydarzyć się podczas operacji chirurgicznej. Takie uaktualnienia realizowane są na podstawie zebranych informacji przetwarzanych podczas operacji, przy wykorzystaniu takich technik, jak obrazowanie ultradźwiękowe. Rzecz prosta, chirurg zachowuje pełną kontrolę i odpowiedzialność za operację oraz może wprowadzić dowolne dodatkowe ograniczenia planowanej ścieżki przemieszczania. W taki sposób, plan ostatecznej ścieżki, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz ciała, tworzony jest dzięki wzajemnemu oddziaływaniu między chirurgiem a inteligentną pamięcią systemu. Interfejs pomiędzy systemem a użytkownikiem wymaga minimalnego współdziałania. Zapewnia on jednak niezbędne informacje, wykorzystując konstrukcję intuicyjną, która polega na tekstowej interpretacji instrukcji chirurga. Podczas prezentacji w lutym 2011 roku, zespół projektu Robocast zademonstrował działanie robota, realizując zabieg na manekinie w prawdziwej sali operacyjnej. Technologia ta została sprawdzona, a zadania projektu zostały zrealizowane pomyślnie. Technika ta musi obecnie zostać dopracowana oraz zweryfikowana do praktycznego użytku w środowisku sali operacyjnej. "Przed projektem stało wiele wyzwań, zwłaszcza w zakresie integracji prac realizowanych przez naukowców w różnych miejscach Europy i w Izraelu," wyjaśnia Dr Ferrigno. "Wyglądało to jak dyrygowanie orkiestrą złożoną z wybitnych solistów. Realizowaliśmy to dzięki ogromnej koordynacji i współpracy wszystkich partnerów. Dokonywaliśmy także okresowej, kilkutygodniowej wymiany naukowców między instytutami naukowymi, co zapewniło znaczną pomoc." Kontynuacją jest obecnie projekt o nazwie ACTIVE realizujący badania w dziedzinie neurochirurgii z wspomaganiem robotycznym u pacjentów, którzy są przytomni podczas wykonywanej operacji. Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERC) sfinansowała również dalsze opracowania sondy biomimetycznej na okres, gdy system planowania ścieżki wykorzystywany będzie w praktyce klinicznej. Dzięki opracowaniom projektu Robocast, dokonano znacznego postępu w technice robotycznej, toteż nie upłynie zbyt wiele czasu do chwili, gdy w ośrodkach medycznych przez system przywoławczy wzywany będzie Dr Robot, chirurg mózgu. Projekt Robocast uzyskał fundusze na badania naukowe z podprogramu "Systemy poznawcze, interakcja i robotyka" z konta Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej (FP7). Użyteczne odnośniki: - "Wspomagana przez komputer integracja robotów i czujników w chirurgii i terapii" - "Rejestr danych projektu Robocast w organizacji CORDIS" Odnośne publikacje: - Ręka robota staje się bardziej naturalna - Planowanie zastosowania asystentów robotycznych - Rzeczywiste zaprojektowane roboty podporządkowane są prawom Asimowa