Robot voert operaties aan weke delen uit met minimale menselijke hulp

Wat als uw volgende operatie was gepland en uitgevoerd door een robot? Een team van de Johns Hopkins University werkt eraan om dit idee om te zetten in realiteit.

Het concept van robotgeassisteerde chirurgie is niet nieuw:er zijn al verschillende systemen ontwikkeld en in gebruik voor de behandeling van menselijke patiënten. Een voorbeeld is het da Vinci chirurgische systeem, een laparoscopisch apparaat met robotarmen die op afstand worden bestuurd door een chirurg. Dit systeem is niet autonoom — de robot voert geen chirurgische taken zelfstandig uit.

Er zijn andere robotsystemen met een hogere mate van autonomie ontwikkeld, zoals de TSolution One ^® , die een robot gebruikt om bot precies te snijden volgens een vooraf gespecificeerd plan.

Bestaande autonome robotsystemen zijn grotendeels gebruikt om te helpen bij operaties waarbij harde weefsels betrokken zijn, zoals het boren in bot voor heup- of knie-implantaten. Maar deze systemen zijn niet gebruikt voor operaties aan weke delen, die unieke uitdagingen met zich meebrengen, zoals rekening houden met onvoorspelbare weefselbewegingen die optreden wanneer de patiënt ademt, of beperkingen van de grootte van de chirurgische instrumenten.

Nu ontwikkelen door het NIBIB gefinancierde onderzoekers een autonome robot die darmoperaties kan uitvoeren met minimale hulp van een chirurg. Bovendien presteerde de robot beter dan ervaren chirurgen in preklinische modellen. Een studie over de ontwikkeling van deze robot, die de eerste bekende autonome laparoscopische weke delen chirurgie laat zien, is onlangs gepubliceerd in Science Robotics .

"Chirurgische resultaten zijn sterk afhankelijk van de vaardigheden en ervaring van een chirurg, en zelfs één gemiste steek bij een darmoperatie kan leiden tot inwendig lek en infectie", zegt Moria Bittmann, Ph.D., programmadirecteur in de afdeling Discovery Science &Technology aan het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. "Dit preklinische werk is een belangrijke stap in de richting van autonome robotchirurgie in zachte weefsels, die een grotere werkzaamheid en veiligheid zou kunnen bieden bij menselijke patiënten, onafhankelijk van de chirurg."

De robot, STAR genaamd (voor Smart Tissue Autonomous Robot), is ontwikkeld door Axel Krieger, Ph.D., en zijn collega's aan de Johns Hopkins University. Tot nu toe is de robot ontwikkeld om darmanastomose uit te voeren - waarbij twee stukken dunne darm aan elkaar worden genaaid om een ​​enkele, doorlopende sectie te vormen - onder toezicht en begeleiding van een chirurg. Krieger legde uit hoe de robot de procedure uitvoert:nadat de chirurg de weefselranden handmatig heeft blootgelegd, maakt STAR beelden en ontwikkelt een plan voor het plaatsen van de hechtdraad op basis van de vorm en dikte van het weefsel. Zodra de menselijke operator het plan goedkeurt, hecht STAR het weefsel onafhankelijk aan elkaar. Als het weefsel vervormt of een bepaalde drempel overschrijdt, vraagt ​​STAR de chirurg of er een nieuw chirurgisch plan moet worden gemaakt. Dit proces wordt herhaald totdat de robot de hele procedure heeft voltooid.

"Door nieuwe hechthulpmiddelen, beeldvormingssystemen, machine learning-algoritmen en robotbesturingen te integreren, is het STAR-systeem uitgerust om de uitdagingen van autonome laparoscopische chirurgie in zachte weefsels het hoofd te bieden", aldus Krieger. "STAR kan een chirurgische scène visualiseren, een chirurgisch plan genereren en die plannen vervolgens met hoge nauwkeurigheid en precisie uitvoeren." Hij merkte echter op dat STAR niet bedoeld is om chirurgen te vervangen. "Autonome robots, zoals STAR, zijn ontworpen om samen met chirurgen in de chirurgische workflow te worden opgenomen, waardoor de uitvoering van nauwkeurige, repetitieve taken wordt verbeterd en uiteindelijk de chirurgische consistentie van patiënt tot patiënt wordt verbeterd."

Om te evalueren hoe goed STAR presteerde in vergelijking met deskundige chirurgen, gebruikten de onderzoekers "fantoom" darmweefsels als modelsysteem. Een synthetische dunne darm werd gemonteerd op een lineair platform dat was geprogrammeerd om heen en weer te bewegen, wat ademhalingsbewegingen simuleerde die tijdens de operatie zouden optreden. Ook werd tijdens deze experimenten het fantoomweefsel willekeurig geroteerd en vervormd, waardoor STAR of de chirurg de procedure moest pauzeren, hergroeperen en voltooien, zei hij. STAR voerde de procedure vijf keer uit op fantoomweefsels en vier chirurgen voerden de procedure op twee verschillende manieren uit:twee keer met traditionele handmatige laparoscopie en twee keer met een ander robotgeassisteerd systeem.

In vergelijking met de deskundige chirurgen had STAR minder fouten en was het consistenter in de afstand en diepte van de hechtdraad. Bovendien, toen de onderzoekers viskeuze vloeistof door de verwijderde fantoomdarmen lieten stromen, ontdekten ze dat de stroom het meest laminair (glad en gestroomlijnd) was in de weefsels die door STAR waren gereconstrueerd, wat wijst op een anastomose van hogere kwaliteit dan die uitgevoerd door de deskundige chirurgen.

Ten slotte werden de prestaties van STAR geëvalueerd in een groot diermodel. Intestinale anastomose werd uitgevoerd op vijf varkens. Bij vier van de dieren werd de procedure uitgevoerd via STAR en voor het vijfde dier werd de procedure uitgevoerd via traditionele handmatige laparoscopie. Net als bij de fantoomexperimenten maakte STAR minder fouten dan de ervaren chirurg. Bovendien, toen de onderzoekers analyseerden hoe goed de verwijderde darmen zeven dagen na de operatie waren genezen, was er geen waarneembaar verschil in wondgenezing tussen de twee verschillende chirurgische methoden.

"Onze resultaten geven aan dat STAR consistenter en nauwkeuriger is dan deskundige chirurgen bij het uitvoeren van hechttaken", zei Krieger. Hij merkte op dat hun bevindingen het potentieel aantonen van autonome chirurgische robotica om chirurgische zorg te democratiseren - wat zou kunnen leiden tot meer voorspelbare en consistente patiëntresultaten.

"Hoewel velen aarzelen om een ​​machine een gespecialiseerde taak te laten uitvoeren die traditioneel door een mens wordt uitgevoerd, hebben robotsystemen het potentieel om de resultaten van patiënten in medische omgevingen te verbeteren", aldus Krieger. "Net zoals het publiek de geleidelijke instroom van cruisecontrol, rijstrookassistentie en zelfparkeerfuncties in auto's heeft omarmd - wat uiteindelijk zal leiden tot zelfrijdende auto's - denk ik dat we een vergelijkbare ontwikkeling zullen zien op het gebied van medische robotica. ”