dr Zbigniew Nawrat
Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii, Zabrze ĝląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach
PIERWSZY EKSPERYMENT IN VIVO
ROBOTA CHIRURGICZNEGO ROBIN HEART mc
2í RAPORT
Praca przedstawia aktualne prace prowadzone w zabrzaĔskim zespole związane z projektem robota chirurgicznego Robin Heart mc2. Projekt wkroczyá w fazĊ eksperymentu na zwierzĊtach. W styczniu 2009 r. wykonano pierwsze eksperymentalne operacje robotami systemu Robin Heart mc2 na Ğwiniach: usuniĊcia woreczka Īóáciowego oraz elementy operacji naprawczych zastawki mitralnej i trójdzielnej. Planowany zabieg pomostowania naczyĔ wieĔcowych TECAB przeáoĪono na inny termin. PodjĊto decyzjĊ o budowie nowego robota. W maju 2010 roku przeprowadzono pierwszy eksperyment specjalnie zaprojektowanym robotem Robin Heart mc2. Cel eksperymentów zostaá osiągniĊty: zespóá chirurgiczny zaakceptowaá nową konstrukcjĊ robota.
THE ROBIN HEART MC
2SURGERY ROBOT
IN VIVO FIRST EXPERIMENT – REPORT
The presented work presents the current works led in Zabrze’s team connected with project of Robin Heart mc2 surgical robot. Two operations on pigs: cholecystectomia and the elements of repair operation of mitral and tricuspid valve were carried out in January 2009. TECAB í the operation the coronary by-pass on beating heart – have been by-passed to another date. It was decided to build a new robot. In May 2010 conducted the first experiment, a specially designed robot Robin Heart mc2. Purpose of the experiments has been achieved: new construction work has been accepted by the surgical team.
1. WPROWADZENIE
Robot chirurgiczny jest manipulatorem kopiującym, telemanipulatorem, który skáada siĊ z dwóch lub wiĊcej ramion narzĊdziowych i jednego trzymającego kamerĊ oraz ukáadu zadawania ruchu wraz z ukáadem sterowania. Operator wykonuje róĪne zadania sterując ruchem koĔcówki roboczej przymocowanego do ramienia narzĊdzia pracującego jako chwytak, noĪyczki lub nóĪ koagulujący.
Telemanipulatory chirurgiczne juĪ dzisiaj stanowią wyposaĪenie wielu sal operacyjnych przyczyniając siĊ do prowadzenia operacji w sposób mniej inwazyjny, skracając czas hospitalizacji bezpoĞrednio po operacji i zmniejszając liczbĊ powikáaĔ pooperacyjnych. Jedyny obecnie dostĊpny na rynku robot da Vinci, firmy Intuitive Surgical, zostaá sprzedany juĪ w liczbie ponad 1600 sztuk. Okoáo 300 robotów jest w Europie. Od grudnia 2010 r. jest i pierwszy robot w Polsce (w Wojewódzkim Szpitalu Specjalistycznym we Wrocáawiu) dziĊki staraniom prof. W. Witkiewicza. Wg informacji prasowych robot bĊdzie wykorzystywany na oddziaáach chirurgii ogólnej, naczyniowej i onkologicznej, a takĪe urologii, ginekologii i kardiochirurgii. Czteroramienny robot moĪe byü sterowany przez dwóch chirurgów z dwóch
niezaleĪnych konsol. Robot wraz z kompletem narzĊdzi, wystarczających na 30 operacji, kosztowaá 8,6 mln zá. Koszt operacji, wedáug obliczeĔ dyrektora szpitala, waha siĊ w granicach 18í24 tys. zá. Pionierskie w Polsce prace kliniczne za pomocą robotów prowadzono w Klinice Kardiochirurgii SUM w Katowicach (prof. A. Bochenek, prof. M. Cisowski) 10 lat temu. Wykorzystywano z powodzeniem zakupiony robot toru wizyjnego AESOP oraz poĪyczony na 10 operacji robot Zeus (nieistniejącej juĪ firmy Computer Motion).
Polski projekt robota Robin Heart stanowi istotny wkáad w realizacjĊ dąĪenia do europejskiego robota medycznego o podobnym jak da Vinci obszarze zastosowaĔ. Majowy eksperyment w 2010 r. udowodniá, Īe koncepcja nowego robota Robin Heart mc2 otwiera zupeánie nowe perspektywy przed chirurgią wykonywaną za pomocą robotów. Dzisiaj robot da Vinci stanowi najwyĪszy standard technologii. Mamy nadziejĊ, Īe za kilka lat rozwijane innowacyjne projekty robota Robin Heart bĊdą stanowiü uzasadnioną alternatywĊ dla chirurgów wielu specjalnoĞci. PoniĪszy artykuá stanowi jedną z prób uzasadnienia tej tezy.
2. ROBIN HEART
Prace nad polskim robotem finansowane przez KBN (nastĊpnie MNiSW) i FundacjĊ Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu prowadzone są od 2000 r. Projekt badawczy realizowany przez multidyscyplinarny zespóá w kilku oĞrodkach naukowych w Polsce obejmuje swoim zakresem opracowanie róĪnych strategii operacji, symulacje przebiegu operacji, opracowanie ergonomicznego stanowiska pracy chirurga, zaprojektowanie ukáadu sterowania i konstrukcji mechanicznej manipulatora oraz wykonanie niezbĊdnych modeli i prototypu. Rezultatem prac jest system urządzeĔ, prototypów telemanipulatorów chirurgicznych o nazwie Robin Heart, przygotowujący siĊ do wkroczenia na sale operacyjne.
W ramach rodziny polskich robotów Robin Heart przeznaczonych do operacji na sercu i w ukáadzie sercowo-naczyniowym powstaáy do tej pory modele: Robin Heart 0, Robin Heart 1 i Robin Heart 2, Robin Heart 3 (Pà) oraz Robin Heart Vision róĪniące siĊ m.in. koncepcją sterowania i mocowania (rys. 1). Zgodnie z zaáoĪeniami autorów Robin Heart Vision – zrobotyzowane ramiĊ sáuĪące do sterowania poáoĪeniem toru wizyjnego ma byü pierwszym wdroĪonym klinicznie robotem z rodziny Robin Heart.
3. ROBIN HEART 4 mc2
Nowy model robota byá odpowiedzią na wnioski dotyczące funkcjonalnoĞci przyjĊtych rozwiązaĔ modeli robotów RiH 1,2,3 i Vision zweryfikowanych podczas eksperymentów na zwierzĊtach w styczniu 2009 r. opisanych w artykule [1]. Jedynie montowany do stoáu operacyjnego RiH Vision zostaá zaakceptowany bez Īadnych uwag przez zespóá operujących lekarzy. Wykonano elementy operacji usuniĊcia pĊcherzyka Īóáciowego oraz naprawy zastawek serca. Nie wykonano operacji pomostowania aortalno-wieĔcowego z powodu kolizji narzĊdzi, w szczególnoĞci wystĊpującej podczas pobierania graftów naczyniowych – tĊtnicy piersiowej. TrudnoĞci byáy w znacznej czĊĞci spowodowane odmiennoĞcią anatomii zwierzĊcia (Ğwini) od czáowieka. Klatka piersiowa jest znacznie wĊĪsza i trudniejszy jest dostĊp do tĊtnicy piersiowej. JednakĪe powstaáe problemy zainspirowaáy do zmiany koncepcji przestrzennej, funkcjonalnej i konstrukcyjnej robota.
Rys. 1. Rodzina robotów Robin Heart od lewej, od góry: Robin Heart 0, Robin Heart 1, Robin Heart 2, Robin Heart Vision, narzĊdzie Robin Heart 3, Robin Heart mc2, konsola Robin Heart Shell
wraz z robotami Robin Heart Visio i Robin Heart 1
Nowy robot stanowi zupeánie oryginalne w skali Ğwiatowej rozwiązanie konstrukcyjne: ukáad ramion 2+1, gdzie dwa zewnĊtrzne ramiona są ramionami narzĊdziowymi, a Ğrodkowe jest wyposaĪone w platformĊ, na której mogą pracowaü dwa narzĊdzia robocze typu RiH Uni System oraz tor wizyjny. Ten ukáad jest zakodowany w skrócie mc2 (manually and two
computer controlled tools robot).
Trzy ramiona zamocowane są na jednej kolumnie. Mechatroniczne narzĊdzia RiH Uni System moĪna montowaü na ramieniu robota lub w specjalnym uchwycie rĊcznym – co powoduje, Īe asystent moĪe w kaĪdej chwili dodaü w pole operacyjne orientowane za pomocą rĊki i sterowane za pomocą odpowiednich przycisków manualnie narzĊdzia o takiej samej funkcjonalnoĞci.
Robin Heart mc2 to obecnie jedyny robot, który pozwala na operowanie w maáej przestrzeni przez blisko umieszczone porty (przeciĊcia powáok pacjenta) trzech narzĊdzi. Stanowi to fundamentalne rozwiązanie dla takich operacji jak pomostowanie naczyĔ wieĔcowych czy potencjalnie wiele zabiegów wykonywanych przez naturalne otwory w ciele pacjenta (tzw. operacje NOTES np. przez pĊpek chorego).
Konsola Robin Heart Shell umoĪliwia sterowanie równoczesne dwóch narzĊdzi i toru wizyjnego (mikrodĪojstik w zadajniku ruchu). Przeáączanie zestawu narzĊdzi sterowanych odbywa siĊ za pomocą sprzĊgáa umieszczonego w pedale.
Platforma wyposaĪona jest w uchwyt narzĊdzi i system mechatroniczny umoĪliwiający zmianĊ ich orientacji przestrzennej, wprowadzanie i pracĊ w gáĊbi pola operacyjnego. PlatformĊ moĪna áatwo zdemontowaü z ramienia i wtedy ramiĊ Ğrodkowe peáni klasyczną rolĊ ramienia wizyjnego.
WĞród najistotniejszych zmian wprowadzonych w konstrukcji robota Robin Heart mc2 naleĪy wymieniü zastosowanie napĊdu áaĔcuchowego w ukáadzie kinematycznego mechanizmu staáopunktowego oraz ciĊgnowy przekaz napĊdu do koĔcówki narzĊdziowej (kosztem rezygnacji z dodatkowych stopni swobody). Celem wprowadzonych zmian w budowie narzĊdzia byáo zwiĊkszenia ich trwaáoĞci i niezawodnoĞci.
4. EKSPERYMENT
Proces wdroĪenia zrobotyzowanych narzĊdzi chirurgicznych obejmuje:
eksperymenty laboratoryjne na stanowiskach komputerowych (wirtualna sala operacyjna),
laboratoryjne testy funkcjonalne i techniczne robotów,
laboratoryjne eksperymenty i trening na modelach zawierających tkanki naturalne (np. serca wieprzowe),
eksperymenty na Īywych zwierzĊtach.
Ze wzglĊdów etycznych i praktycznych ostatnia faza eksperymentalna powinna
obejmowaü minimalną liczbĊ zwierząt, byü doskonale zaplanowana i przeprowadzona przez fachowy, wyüwiczony w innowacyjnym charakterze eksperymentu zespóá.
Wszystkie typy robotów poddano ocenie podczas trzech eksperymentów na zwierzĊtach. Eksperymenty zostaáy zaplanowane jako test techniczny zastosowania opracowywanych robotów podczas elementów najbardziej typowych operacji na „szlaku kroków milowych medycyny”: usuniĊcie woreczka Īóáciowego, naprawa zastawek serca oraz wszczepienie pomostu naczyniowego wieĔcowego. Robin Heart Vision jako robot toru wizyjnego uzyskaá peáną akceptacjĊ funkcjonalną operujących chirurgów juĪ podczas pierwszych eksperymentów.
W styczniu 2009 r. podano testom wszystkie roboty w eksperymencie na zwierzĊtach. OperacjĊ przeprowadzono na Ğwiniach w Centrum Medycyny DoĞwiadczalnej ĝląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach przy udziale znakomitych kardiochirurgów (Romuald CichoĔ, Joanna ĝliwka, Grzegorz Religa, Michaá Zembala). W czasie eksperymentu wykonano z powodzeniem zadania chirurgiczne w przestrzeni brzucha: operacjĊ wyciĊcia pĊcherzyka Īóáciowego oraz w przestrzeni klatki piersiowej i serca: elementy naprawy zastawek serca (ta operacja z krąĪeniem pozaustrojowym) [1]. Zgromadzone doĞwiadczenie stanowiáo podstawĊ dla wytyczonych prac konstrukcyjnych i wykonawczych robotów.
W maju 2010 r. przeprowadzono pierwszą weryfikacjĊ w eksperymencie na zwierzĊciu (rys. 2) nowego modelu, Robin Heart mc 2, który powstaá w odpowiedzi na potrzeby
precyzyjnego dziaáania w maáym obszarze pola, docelowo równieĪ w wybranych operacjach chirurgicznych przez otwory naturalne chorego. Robot jest uniwersalny w takim znaczeniu, Īe moĪe pracowaü w klasycznym juĪ ukáadzie trójkąta lub linii przejĞcia przez powáoki ciaáa pacjenta lub przez praktycznie jeden wiĊkszy otwór (dwa narzĊdzia wykonawcze i tor wizyjny). NarzĊdzia moĪna w szybki sposób zdemontowaü z ramienia robota i sterowaü nimi ze specjalnego uchwytu w dáoni.
Rys. 2. Testy Robin Heart mc2 w maju 2010 r. (Centrum Medycyny DoĞwiadczalnej ĝląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach)
OperacjĊ w krąĪeniu pozaustrojowym wykonano w klasyczny sposób zabezpieczając stan kliniczny operowanego zwierzĊcia. Anestezja zostaáa wykonana przez Jerzego Stojko (CMD SUM). Perfuzja zostaáa zabezpieczona przez Adama SmoákĊ (SUM). W pierwszej fazie ustawiono Ğrodkowe ramiĊ robota z platformą. Chirurdzy: Michaá Zembala i Joanna ĝliwka (ĝCCS) wybrali lokalizacjĊ ustawienia przejĞcia przez powáoki ciaáa tak by umoĪliwiü pobranie tĊtnicy piersiowej jako graftu do pomostowania naczyĔ wieĔcowych. Po ujawnieniu prawidáowej pozycji otworów za pomocą toru wizyjnego osadzono troakary i pozycjĊ ramienia robota. Na platformie roboczej zamontowano tor wizyjny HD oraz dwa narzĊdzia: zmodyfikowany nóĪ do elektrokoagulacji firmy EMED (dodano jednej stopieĔ swobody: przegub umoĪliwiający odchylenie koĔcówki w ksztaácie haka) oraz chwytak. Chirurg zasiadá w konsoli i zacząá wykonywaü kolejne elementy procedury. NastĊpnie ustawiono robota do operacji wszczepienia graftu naczyniowego w serce. Tym razem zdemontowano platformĊ i wykonano elementy operacji w systemie klasycznym ustawienia ramion robota: dwa narzĊdzia oraz tor wizyjny w Ğrodku. Wszystkie elementy operacji zarejestrowano za pomocą kilku kamer. Przeanalizowano opinie chirurgów oraz wykonane elementy operacji.
4. PODSUMOWANIE
Rynek robotyki medycznej rozwija siĊ dynamicznie. Dzisiaj roboty wzbudzają ogromne zainteresowanie chirurgów i pacjentów. Nie rozwiązano do tej pory jednak wielu zagadnieĔ dotyczących techniki operacji, bezpieczeĔstwa oraz kryteriów ekonomicznych obszarów stosowania robotów chirurgicznych.
W sumie pierwsze trzy eksperymenty na zwierzĊtach prototypowych robotów Robin Heart naleĪy uznaü za udane. Na podstawie analizy osiągniĊtych wyników podjĊliĞmy okreĞlone decyzje dotyczące potrzeby wprowadzenia modyfikacji i zmian w systemie Robin Heart oraz koniecznego zakresu badaĔ eksperymentalnych przedklinicznych na zwierzĊtach. Aktualne informacje o projekcie dostĊpne są na stronie www.robinheart.pl.
Testowany w 2010 r. robot Robin Heart mc2 stanowi bardzo interesującą zdaniem przyszáych uĪytkowników propozycjĊ. To unikalna konstrukcja i obecnie jedyny robot, który umoĪliwia pracĊ w lokalnym obszarze przez blisko siebie osadzone narzĊdzia. Robin Heart mc2 to obecnie najbardziej uniwersalny robot chirurgiczny. Prototyp bĊdzie udoskonalany i w 2011 r. planowane jest zastosowanie go w teleoperacjach na zwierzĊtach. W grudniu 2010 r. w czasie konferencji Roboty Medyczne/Medical Robots 2010 dokonano po raz pierwszy w Polsce próby teleoperacji na dystansie Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu a Centrum Medycyny DoĞwiadczalnej w Katowicach Ligocie. Prace badawcze w tym zakresie bĊdą kontynuowane. Tego dnia, 10 grudnia 2010 r., powoáano MiĊdzynarodowe Stowarzyszenie na rzecz Robotyki Medycznej/International Society for Medical Robotics z siedzibą w Zabrzu. NastĊpna, 9. juĪ konferencja bĊdzie organizowana przez nowo powstaáe Stowarzyszenie. Oficjalną stroną internetową nowego towarzystwa z siedzibą w Zabrzu jest www.medicalrobots.eu.
MinĊáo 10 lat od rozpoczĊcia polskiego projektu robota chirurgicznego. ZabrzaĔski zespóá nadal odgrywa pionierską i inspirująca rolĊ dla rozwoju tej mutidyscyplinarnej dziedziny nauki, techniki i medycyny.
PodziĊkowania: Projekt robota Robin Heart byá finansowany w ramach projektu badawczego
KBN 8 T11E 001 18 oraz projektu zamawianego PW-004/ITE/02/2004 i ze Ğrodków na naukĊ w latach 2006í2009 jako projekt badawczy rozwojowy” grant nr R1303301 oraz przez FundacjĊ Rozwoju Kardiochirurgii i wielu sponsorów. DziĊkujĊ firmie EMED z Warszawy za wypoĪyczenie narzĊdzi do elektroakulacji wykorzystane podczas zabiegu oraz wiele cennych uwag, a takĪe firmie FAMED z ĩywca za wspóápracĊ w zakresie mocowania robotów do stoáu operacyjnego. DziĊkujĊ zespoáowi Pracowni Biocybernetyki FRK, w tym gáównie Pawáowi Kostce za pracĊ nad systemem sterowania robota. Przede wszystkim winny jestem podziĊkowaniu Panu Markowi Ciembroniewiczowi oraz pracownikom jego firmy EMSI z Siemianowic ĝląskich za niezwykáe zaangaĪowanie i kompetencje podczas prac nad robotem Robin Heart mc2.
BIBLIOGRAFIA
[1] Z. Nawrat, P. Kostka, W. Dybka, K. Rohr, L. PodsĊdkowski, J. ĝliwka, R. CichoĔ, M. Zembala,
G. Religa: „Pierwsze eksperymenty na z wierzĊtach robota chirurgicz nego Robin Heart”.
PAR Pomiary Automatyka Robotyka. MiesiĊcznik Naukowo-Techniczny. Nr 2/2010. Automation 2010. XIV Konferencja Naukowo-Techniczna. Automatyzacja- NowoĞci i Perspektywy, s. 539í545.
