Az első az orvosi robotikában: Autonóm navigáció a test belsejében

A robotkatéter egy új, az AI és a képfeldolgozás által érzékelt szenzor segítségével a szivárgó szívbillentyűig vezet

A Bostoni Gyermekkórház biomérnökei beszámolnak egy robot bemutatásáról, amely képes önállóan navigálni a test belsejében. A szívbillentyű-javítás állatmodelljében a csapat robotkatétert programozott, hogy a dobogó, vérrel teli szív falain keresztül egy szivárgó szelepig találjon utat - sebész útmutatása nélkül. Beszámolnak ma a Science Robotics munkájáról.

A sebészek több mint egy évtizede használják botkormány által működtetett robotokat, és csapatok kimutatták, hogy az apró robotokat külső erők, például mágnesesség képesek a testen keresztül irányítani. A vezető kutató, Pierre Dupont, PhD, a Boston Children Gyermekkardiotechnikai Főosztályának vezetője szerint azonban tudomása szerint ez az első jelentés arról, hogy egy önvezető autó a testen belül egy kívánt célállomás felé navigál.

A Dupont azt tervezi, hogy autonóm robotok segítik a sebészeket a bonyolult műveletekben, csökkentik a fáradtságot és felszabadítják a sebészeket, hogy a legnehezebb manőverekre összpontosítsanak, javítva az eredményeket.

"A gondolkodás helyes módja a vadászpilóta és a vadászgép analógiája" - mondja. "A vadászgép olyan rutinfeladatokat lát el, mint a repülőgép repülése, így a pilóta a küldetés magasabb szintű feladataira összpontosíthat."

Érintéssel vezérelt látás, az AI tájékoztatja

A csapat robotkatétere a Dupont laboratóriumában kifejlesztett optikai érintésérzékelővel navigált, amelyet a szív anatómiájának és a műtét előtti vizsgálatok térképe alapján tájékoztattak. Az érintésérzékelő mesterséges intelligencia (AI) és képfeldolgozó algoritmusok segítségével lehetővé teszi a katéter számára, hogy kitalálja, hol van a szívben, és merre kell mennie.

A bemutatóhoz a csapat technikailag nagyon megterhelő eljárást hajtott végre, amelyet paravalvularis aorta szivárgás lezárásnak neveznek, és amely megjavítja a szélein szivárogni kezdő szívszelepeket. (A csapat saját szelepeket készített a kísérletekhez.) Amint a robotkatéter elérte a szivárgás helyét, egy tapasztalt szívsebész átvette az irányítást és bedugott egy dugót a szivárgás megszüntetésére.

Ismételt kísérletek során a robotszemetert nagyjából ugyanannyi idő alatt szivárogtatták ki sikeresen a szívbillentyűig, mint a sebész (akár kéziszerszám, akár joystick-vezérelt robot segítségével).

Biológiailag inspirált navigáció

A "falkövetés" elnevezésű navigációs technikán keresztül a robotkatéter optikai érintésérzékelője rendszeres időközönként mintát vett a környezetéből, nagyjából úgy, ahogy a rovarok antennái vagy a rágcsálók bajusza mintát vesznek a környezetükből, hogy mentális térképeket készítsenek ismeretlen, sötét környezetekről. Az érzékelő elmondta a katéternek, hogy a vért, a szívfalat vagy a szelepet érinti-e (egy hegyre szerelt kamera képein keresztül), és mennyire nyomja (hogy ne károsítsa a dobogó szívet).

A preoperatív képalkotás és a gépi tanulási algoritmusok adatai segítették a katétert a vizuális jellemzők értelmezésében. Ily módon a robotkatéter önmagában haladt előre a szív tövéből, a bal kamra falán és a szivárgó szelep körül, amíg el nem érte a szivárgás helyét.

"Az algoritmusok segítenek a katéternek kitalálni, hogy milyen típusú szövet érinti, hol van a szívben, és hogyan kell választania a következő mozgását, hogy odaérjen, ahová szeretnénk" - magyarázza Dupont.

Annak ellenére, hogy az autonóm robotnak egy kicsit tovább tartott, mint a sebész, hogy elérje a szivárgó szelepet, falkövető technikája azt jelentette, hogy a leghosszabb utat tette meg.

"A navigációs idő statisztikailag egyenértékű volt mindenki számára, ami szerintünk meglehetősen lenyűgöző, tekintve, hogy a vérrel teli dobogó szívben tartózkodik, és egy adott szelepen milliméteres skálát próbál elérni" - mondja Dupont.

Hozzáteszi, hogy a robot környezeti vizualizálásának és érzékelésének képessége feleslegessé teheti a fluoroszkópos képalkotás szükségességét, amelyet általában ebben a műveletben használnak, és ionizáló sugárzásnak teszi ki a betegeket.

A jövőkép?

Dupont szerint a projekt karrierje legnagyobb kihívása volt. Míg a szívsebészeti munkatárs, aki a sertéseken végezte a műveleteket, ellazulhatott, miközben a robot megtalálta a szelep szivárgását, a projekt a Dupont mérnöktársainak adót vetett ki, akiknek néha át kellett programozniuk a robot működését, miközben tökéletesítették a technológiát.

"Emlékszem olyan időkre, amikor csapatunk mérnökei teljesen kimerültek voltak az OR-ból, de sikerült elhúznunk" - mondja Dupont. "Most, hogy bebizonyítottuk az autonóm navigációt, sokkal több lehetséges."

Néhány szív-intervenciós szakember, aki tisztában van Dupont munkájával, a robotok használatát nem csak navigációhoz használja, például rutinszerű szív-feltérképező feladatokat hajt végre. Egyesek elképzelik ezt a technológiát, amely útmutatást nyújt különösen nehéz vagy szokatlan esetekben, vagy segítséget nyújt a műveleteknek a világ olyan részein, ahol nincsenek tapasztalt sebészek.

Amint az Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatal szabályozási keretet kezd kidolgozni az AI-t támogató eszközökre, a Dupont azt tervezi, hogy az egész világon autonóm sebészeti robotok gyűjthetik adataikat, hogy idővel folyamatosan javítsák a teljesítményüket - hasonlóan az önvezető járművekhez a terepen küldje vissza adataikat a Teslának, hogy finomítsa algoritmusait.

"Ez nemcsak egyenlővé teszi a játékteret, hanem emelné is" - mondja Dupont. "A világ minden klinikusa olyan szakismeretekkel és tapasztalattal rendelkezik, amely megfelel a szakterületének legjobbjainak. Ez mindig is az orvosi robotok ígérete volt. Lehet, hogy az autonómia vezet el minket."