Robotchirurgen: Zachteweefselchirurgie met Minimale Menselijke Inmenging

Wat als uw volgende operatie gepland en uitgevoerd wordt door een robot? Een team aan Johns Hopkins University werkt eraan dit idee werkelijkheid te maken.

Van teleoperatie naar autonomie

Het concept van robot-geassisteerde chirurgie is niet nieuw: verschillende systemen zijn al ontwikkeld en worden gebruikt om menselijke patiënten te behandelen. Een voorbeeld is het da Vinci chirurgische systeem, een laparoscopisch apparaat met robotarmen die op afstand worden bediend door een chirurg. Dit systeem is niet autonoom — de robot voert geen chirurgische taken onafhankelijk uit.

Andere robotische systemen met hogere autonomiegraden zijn ontwikkeld, zoals de TSolution One®, die een robot gebruikt om precies bot te snijden volgens een vooraf vastgelegd plan.

Bestaande autonome robotische systemen zijn grotendeels gebruikt om te helpen bij operaties met harde weefsels, zoals boren in bot voor heup- of knieimplanten. Maar deze systemen zijn niet gebruikt voor zachteweefseloperaties, die unieke uitdagingen met zich meebrengen, zoals rekening houden met onvoorspelbare weefselbewegingen die optreden wanneer de patiënt ademt, of groottebeperkingen van de chirurgische instrumenten.

STAR: de eerste autonome robot voor zachteweefselchirurgie

Nu ontwikkelen NIBIB-gefinancierte onderzoekers een autonoom robot dat darmchirurgie kan uitvoeren met minimale hulp van een chirurg. Bovendien presteerde de robot beter dan expert-chirurgen bij een directe vergelijking in preklinische modellen. Een studie die de ontwikkeling van deze robot beschrijft, wat de eerste bekende autonome laparoscopische zachteweefselchirurgie toont, is recent gepubliceerd in Science Robotics.

"Chirurgische uitkomsten zijn sterk afhankelijk van de vaardigheid en ervaring van een chirurg, en zelfs één gemiste hecht in een darmoperatie kan leiden tot interne lekkage en infectie,"

aldus 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 naar autonome robotchirurgie in zachte weefsels, wat verhoogde effectiviteit en veiligheid in menselijke patiënten kan bieden, onafhankelijk van de chirurg."

De robot, genaamd STAR (Smart Tissue Autonomous Robot), is ontwikkeld door Axel Krieger, Ph.D., en zijn collega's aan Johns Hopkins University. Tot nu toe is de robot ontwikkeld om intestinale anastomose uit te voeren — waarbij twee stukken dunne darm aan elkaar geheten worden om een enkel, continu deel te vormen — onder toezicht en begeleiding van een chirurg. Krieger legde uit hoe de robot de procedure uitvoert: Na het handmatig blootleggen van de weefselranden door de chirurg, maakt STAR beelden en ontwikkelt een plan voor hechtplaatsing op basis van de vorm en dikte van het weefsel. Zodra de menselijke operator het plan goedkeurt, hecht STAR het weefsel zelfstandig samen. Als het weefsel deformeert of beweegt boven een ingestelde drempel, vraagt STAR de chirurg of een nieuw chirurgisch plan gemaakt moet worden. Dit proces wordt herhaald tot de robot de hele procedure voltooid heeft.

"Door nieuwe hechtinstrumenten, imagingssystemen, machine learning algoritmes en robotbesturing te integreren, is het STAR-systeem uitgerust om de uitdagingen van autonome laparoscopische chirurgie in zachte weefsels te overwinnen,"

aldus Krieger. "STAR kan een chirurgisch beeld visualiseren, een chirurgisch plan genereren, en die plannen vervolgens uitvoeren met hoge nauwkeurigheid en precisie." Hij merkte op dat STAR niet bedoeld is om chirurgen te vervangen. "Autonome robots, zoals STAR, zijn ontworpen om geïntegreerd te worden in de chirurgische werkstroom naast chirurgen, de prestaties van nauwkeurige, herhalende taken te verbeteren en uiteindelijk de chirurgische consistentie van patiënt tot patiënt te verbeteren."

Vergelijking met expert-chirurgen

Om te evalueren hoe goed STAR presteerde vergeleken met expert-chirurgen, gebruikten de onderzoekers "phantom" darmweefsels als modelsysteem. Een synthetische dunne darm werd gemonteerd op een lineaire trap die geprogrammeerd was om heen en weer te bewegen, wat ademhalingsbewegingen simuleerde die tijdens een operatie zouden optreden. Tijdens deze experimenten werd het phantomweefsel ook willekeurig geroteerd en gedeformeerd, wat STAR of de chirurg dwong te pauzeren, te hergroeperen en de procedure te voltooien. STAR voerde de procedure op phantomweefsels vijf keer uit, en vier chirurgen voerden de procedure op twee verschillende manieren uit — tweemaal met traditionele handmatige laparoscopie, en tweemaal met een ander robot-geassisteerd systeem.

In vergelijking met de expert-chirurgen had STAR minder fouten en was consistenter in hechtafstand en -diepte. Bovendien, toen de onderzoekers viscieuze vloeistof door de gerezeecteerde phantomdarmen lieten lopen, vonden ze dat de stroom het meest laminair (glad en gestroomlijnd) was in de weefsels gereconstrueerd door STAR, wat een hogere kwaliteit anastomose aan gaf dan die uitgevoerd door de expert-chirurgen.

Validatie in groot-diermodel

Ten slotte werd STAR's prestaties geëvalueerd in een groot-diermodel. Intestinale anastomose werd uitgevoerd op vijf varkens. Bij vier van de dieren werd de procedure via STAR uitgevoerd, en voor het vijfde dier via traditionele handmatige laparoscopie. Vergelijkbaar met de phantom-experimenten maakte STAR minder fouten vergeleken met de expert-chirurg. Bovendien, toen de onderzoekers analyseerden hoe goed de gerezeecteerde darmen zeven dagen na de operatie waren genezen, was er geen observeerbaar verschil in wondgenezing tussen de twee verschillende chirurgische methoden.

"Onze resultaten wijzen erop dat STAR consistenter en nauwkeuriger is dan expert-chirurgen bij het uitvoeren van hechttaken,"

aldus Krieger. Hij merkte op dat hun bevindingen het potentieel van autonome chirurgische robotica aantonen om chirurgische zorg te democratiseren — wat kan leiden tot meer voorspelbare en consistente patiëntuitkomsten.

"Hoewel velen terughoudend kunnen zijn over het laten uitvoeren van een gespecialiseerde taak door een machine die traditioneel door een mens wordt uitgevoerd, hebben robotische systemen het potentieel om patiëntuitkomsten in medische instellingen te verbeteren,"

aldus Krieger. "Net zoals het publiek de graduele instroom van cruise control, rijstrookassistentie en zelfparkeersystemen in auto's heeft omarmd — wat uiteindelijk zal leiden tot zelfrijdende auto's — denk ik dat we een vergelijkbare progressie zullen zien op het gebied van medische robotica."