Представьте сцену недалёкого будущего. В яркой, высокотехнологичной операционной рядом с хирургическим столом стоит изящная рука робота. Этот автономный робот не будет действовать полностью самостоятельно, но он поможет в предстоящей операции, выполняя ключевые задачи независимо, с повышенной точностью и сниженным риском.
Пациент — один из более чем 150 000 человек, которым ежегодно в одних только США диагностируют рак толстой кишки. Единственное излечение — удалить поражённую часть кишки, желательно с помощью малоинвазивной лапароскопической операции, при которой хирургические инструменты и тонкая камера вводятся через небольшие разрезы. Но такие операции часто сложны. Основными факторами, влияющими на исход и осложнения (которые возникают до 16 % случаев), остаются навыки, опыт и техника хирурга. Эти осложнения могут снизить качество жизни пациента и увеличить риск смерти. Надежда заключается в том, что автономный хирургический робот улучшит эти показатели.
Во время операции робот выполнит задачи, требующие предельной точности. Сначала хирург вручную управит движениями робота для удаления раковой ткани, а затем проследит, как робот самостоятельно сошьёт оставшуюся здоровую кишку. Используя несколько видов визуализации и планирование операции в реальном времени, робот наложит каждый шов с субмиллиметровой точностью — такого не достигнут человеческие руки. В итоге линия шва будет прочнее и ровнее, а значит, с меньшей вероятностью разойдётся — опасное осложнение, которое возникает, когда соединение заживает плохо.
Хотя автономные роботы пока ещё не используются для операций на людях в таком виде, как мы описали, сегодня у нас уже есть инструменты, способные обеспечить подобный стиль хирургии, и всё больше автономии — впереди. Наша команда, возглавляемая лабораторией робототехники Акселя Кригера в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе, работает над созданием роботов, которые смогут выполнять сложные, повторяющиеся задачи более точно и последовательно, чем лучшие хирурги. И, возможно, совсем скоро пациент услышит новую версию знакомой фразы: «Сейчас вас осмотрит робот».
История хирургических роботов
Роботизированная хирургия началась в 1985 году, когда команда хирургов в медицинском центре Лонг-Бич Мемориал (Калифорния) использовала модифицированную промышленную руку-робота для наведения иглы в мозг для биопсии. Хотя операция прошла успешно, компания Westinghouse — производитель робота — прекратила дальнейшие операции, заявив, что робот был создан для промышленности и не обладает необходимыми средствами безопасности. Несмотря на это, развитие хирургических роботов продолжилось. В 1994 году в США одобрили первого хирургического робота — Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP), голосом управляемую руку для позиционирования лапароскопической камеры. А в 2000 году появился робот da Vinci — телеуправляемая система, позволившая хирургам точно управлять миниатюрными инструментами.
Хирурги всегда были осторожны, поэтому поначалу роботов внедряли медленно. В 2012 году менее 2 % операций в США выполнялись с участием роботов, но уже к 2018 году эта доля выросла примерно до 15 %. Хирурги убедились в явных преимуществах роботов для определённых процедур, например при удалении предстательной железы — сегодня более 90 % таких операций в США проходят с помощью роботов. Но для многих других вмешательств выгоды остаются неочевидными. Роботы дороги, а хирурги требуют специального обучения, что вызывает вопросы об общей пользе таких систем.
Автономные роботы, способные выполнять отдельные задачи самостоятельно, могут показать ещё лучшие результаты при меньшей необходимости в обучении врачей. Хирургия требует исключительной точности, твёрдой руки и высокой квалификации. Обучение безопасному проведению специализированных операций занимает годы, а места для ошибок почти нет. С автономными роботами требования безопасности и стабильности будут соблюдаться легче. Такие системы смогут брать на себя рутинные задачи, предотвращать ошибки и, возможно, даже полностью выполнять операции при минимальном участии человека.
Необходимость в инновациях очевидна: число хирургов во всём мире быстро сокращается, а количество нуждающихся в операциях людей растёт. По прогнозу Ассоциации американских медицинских колледжей, в США к 2036 году не будет хватать до 19 900 хирургов. Роботы могут дать миллионам людей доступ к качественной хирургической помощи. Так почему же автономные операции ещё не проводятся?
Обычно, когда мы думаем о роботах на работе, мы представляем их в фабричных цехах, сортирующих посылки или собирающих автомобили. Роботы прекрасно справляются в таких условиях, где всё стабильно и задачи повторяются. Например, на автозаводе роботы всегда устанавливают одинаковые детали на одни и те же места в каждой машине. Но сложность хирургических вмешательств — с их динамичными взаимодействиями с мягкими тканями, сосудами и органами — плохо подходит для автоматизации. Каждая операция уникальна и может потребовать мгновенного принятия решений. По этой же причине мы не видим роботов и в нашей повседневной жизни: мир полон сюрпризов, требующих быстрой адаптации.
Для создания роботов, способных ориентироваться в человеческом теле, требуется сложная механика, инновационные методы визуализации и, самое главное, современные алгоритмы искусственного интеллекта. Эти алгоритмы должны обрабатывать данные в реальном времени и адаптироваться к непредсказуемой среде.
STAR: автономный хирургический робот
2016 год стал важной вехой: наша команда создала робота, который впервые в мире выполнил автономную операцию на мягких тканях живого животного. Этот робот, названный Smart Tissue Autonomous Robot (STAR), сшил ткань тонкой кишки свиньи с помощью промышленной руки-робота под присмотром хирурга. Робот сам перемещался вдоль линии шва и ждал одобрения хирурга, прежде чем накладывать стежки. Такой подход, называемый контролируемой автономией, помогает удерживать внимание хирурга при автоматизации критичных задач.
STAR стал первым роботом, который продемонстрировал автономное выполнение хирургической задачи, объективно лучшее, чем стандартный уровень. По сравнению с хирургами робот делал более ровные стежки, создавая прочную линию шва. А прочный шов выдерживает большее давление изнутри кишки и реже даёт течь. Это огромное достижение: до 20 % пациентов после операций на толстой кишке сталкиваются с разрывами швов, что вызывает тяжёлые инфекции и может потребовать повторной операции.
До этого момента автономная хирургия на мягких тканях считалась фантастикой. Мягкие ткани постоянно двигаются и меняют форму, и невозможно использовать предоперационные снимки для навигации. Кроме того, существующие тогда камеры для эндоскопов не давали нужной информации о глубине, которую автономные системы требуют для работы.
Успех STAR обеспечили несколько инноваций. Например, система использовала изогнутую иглу, что упростило прохождение сквозь ткань. Специальная конструкция позволила одной руке робота вести иглу и контролировать натяжение нити, исключив риск столкновения инструментов.
Но главное новшество — система двойных камер, позволившая отслеживать движения кишки в реальном времени. Первая камера давала цветное и трёхмерное изображение для составления хирургического плана и выбора мест для стежков. Но скорость работы камеры была лишь 5 кадров в секунду — недостаточно для работы в реальном времени.
Поэтому добавили вторую, ближнеинфракрасную камеру, которая делала около 20 кадров в секунду и отслеживала специальные маркеры на ткани. При резком смещении маркера система останавливалась и обновляла план на основе данных с медленной камеры. Такой подход позволил STAR отслеживать изменения ткани в 2D в реальном времени, а обновлять 3D-план только при необходимости.
В итоге эта версия STAR могла правильно поставить шов с первой попытки чуть больше чем в половине случаев. То есть после каждого 2,37 стежка робот требовал вмешательства хирурга для корректировки, что близко к результату ручного управления: один раз на 2,27 стежка. А чем меньше лишних проколов ткани, тем лучше исход операции.
Для своего времени STAR стал революцией. Но его размер и ограниченная маневренность остудили энтузиазм врачей. Система была слишком велика для лапароскопии, поэтому использовалась лишь в открытых операциях. Чтобы сделать STAR пригодным для малоинвазивных вмешательств, потребовалась новая волна инноваций.
Дальнейшее развитие STAR
В 2020 году (результаты опубликованы в 2022) новая версия STAR установила ещё один рекорд: первая в мире автономная лапароскопическая операция на живом животном. Система получила новый эндоскоп, создающий трёхмерные изображения в реальном времени с помощью проекций узоров света и измерения их искажений. При этом размеры камеры позволили использовать её в лапароскопических операциях.
Чтобы адаптироваться к тесному пространству в животе, STAR получил вторую руку для натяжения нити. Добавили также дополнительный сустав инструментов для «запястья», что позволило манипулировать нитями и избегать их спутывания. Пришлось учитывать и движение кишки от дыхания, для чего использовали машинное обучение для предсказания этих смещений.
В итоге STAR мог самостоятельно составить план до первого шва, компенсировать движения и выполнить большую часть операции без вмешательства хирурга. Такой подход, называемый task autonomy («автономия задач»), — важный шаг к полной автономии будущего.
Благодаря развитию глубокого обучения STAR больше не требует ИК-маркеров для отслеживания ткани. Улучшенные алгоритмы позволили сделать эндоскоп диаметром всего 10 мм и совмещать 3D-визуализацию с отслеживанием в реальном времени при той же точности.
Все эти достижения снизили число вмешательств хирурга: теперь STAR может сделать почти 6 стежков, прежде чем потребуется корректировка — намного лучше, чем ручное управление роботом или традиционная лапароскопия, где корректируют почти после каждого шва.
Будущее роботизированной хирургии
С каждым техническим достижением автономные роботы всё ближе к операционной. Но для их массового внедрения потребуется, чтобы роботы «видели», «слышали» и «двигались» как человек. С помощью компьютерного зрения, распознавания речи и продвинутой моторики хирург сможет сказать роботу: «Возьмись за ткань слева» или «Сделай здесь узел». Для современных систем такие команды описываются сложными формулами.
Для этого нужны универсальные контроллеры, обученные на огромных массивах данных операций. Они смогут учиться у лучших хирургов и адаптироваться к непредсказуемым ситуациям, управляя движениями и решениями почти без постоянного контроля человека.
При этом такие роботы будут собирать данные и учиться на новых случаях, постоянно улучшая алгоритмы. Но для этого необходим обмен медицинскими данными между больницами, университетами и компаниями, при строгом соблюдении конфиденциальности.
С развитием автономных роботов возникнут вопросы об ответственности: кто виноват, если робот ошибся — хирург, производитель «железа» или разработчики ПО? Нужно будет чётко определить правила и информировать пациентов о плюсах и рисках.
Сценарий, где пациентов встречает хирург с автономным помощником-роботом, уже не фантастика. А когда пациенты начнут получать от этого выгоду, автономные роботы станут не просто возможностью, а новым стандартом медицины.
