История развития робототехники в хирургии и ортопедии(обзор литературы)

• ^a E-mail: clinic@travma.moscow

• ^b E-mail: drgaamma@gmail.com

• ^c E-mail: yar.rukin@gmail.com

• ^d E-mail: elizarovm07@gmail.com

Ответственная трудовая деятельность человека опирается на знания, умения и опыт, которые воплощены в трудовых навыках и инструментах которыми мы пользуемся. Эволюция инструментов, в настоящее время, во многом превосходит мануальные возможности человеческого организма, которые определены понятием «человеческий фактор». Точность выполняемых человеком работ зависит не только от знаний и навыков, но и от физического состояния человека, усталости и внимания. Поэтому для уменьшения влияния «человеческого фактора» стали разрабатываться роботизированные системы, которые хорошо себя зарекомендовали особенно в тех производствах, где требуются высокоточные и часто повторяющиеся движения. Современная хирургия в своем развитии также становится более точной и требует значительных интеллектуальных и физических затрат. Одним из эффективных решений данной проблемы может стать применение хирургических роботов.

Цель работы:

Оценить развитие и технические особенности применения различных роботических систем в клинической практике.

Попытки создания приспособлений, которые бы имитировали или заменяли человеческие руки уходят корнями в глубокую древность. В средневековье ближе всего данным решениям подошел гениальный Леонардо да Винчи, мысли которого намного опережали свою эпоху (его именем названа одна из современных роботизированных установок). В современной истории впервые слово «робот» ввел в обиход чешский писатель Karel Capek в своей научно-популярной пьесе «Rossum’s Universal Robots» в 1923 г. Слово «робот» происходит от чешского слова «robota», обозначающего тяжелый физический труд [1]. Isaac Assimov в романе «Хоровод» (Runaround, 1942) предложил для использования слово «робототехника» и сформулировал законы робототехники, которые стали непреложными для многих писателей [2].

Первые функциональные роботы появились в середине XX в., так в 1954 г. George Devol и Joe Engleberger разработали роботизированную руку, управляемую посредством электрического контролера. Движения руки осуществлялись при помощи гидравлической системы. Данное устройство получило название «Анимэйт» (Unimate) [3]. Впервые «роботическая рука» была применена для извлечения и перемещения горячих деталей на конвейерах сборки автомобилей компании «Дженерал Моторс» (General Motors) в 1961 г. Данное изобретение позволило добиться увеличения скорости сборки кузова автомобиля, увеличив эффективность производства.

К настоящему времени история внедрения роботов в различные отрасли машиностроения хорошо известны, функциональные роботы и компьютерные технологии продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться (Cart, Genghis, Shadow Biped), но и взбираться по лестницам и переносить грузы (Asimo, Honda), играть на музыкальных инструментах (Partner), изображать домашних животных (Aibo, iCybie), собирать образцы породы на Марсе (Sojourner), обеспечивать работу международной космической станции (SSRMS), а также участвовать в поиске и спасении людей в чрезвычайных ситуациях.

Роботизированные технологии впервые в 1950-х годах начинают внедряться в медицинскую отрасль, их можно разделить на несколько направлений:

• 1)    Роботизированные системы для помощи пациентам:

• а)    облегчение жизни пациентам с полной или частичной утратой способности передвижения (инвалидные кресла);

• б)    помощь пожилым пациентам (роботы способные напоминать о времени приема лекарств (Nursebot) [4], роботы у постели больного (RP-6 robot) [5].

• 2)    В системе оптимизации здравоохранения:

• а)    лабораторные системы [6];

• б)    диагностические (КТ, МРТ и др.);

• б)    транспортные системы.

• 3)    Хирургические роботизированные системы:

• а)    полуактивные - управляемые человеком, помогающие в выполнении операций (ассистенты)- «робот-ассистированные» операции;

• б)    активные роботизированные системы, которые выполняют этапы операции самостоятельно, под контролем хирурга.

Применение роботизированных систем в хирургии начинается в 1985 г. с использования в нейрохирургии манипуляционной системы Programmable Universal Manipulation Arm (PUMA) 560 для выполнения точечной биопсии головного мозга с КТ-наведением, но статическая картинка затрудняла выполнение манипуляции [7]. К началу 1995 г. была разработана нейрохирургическая роботизированная система Minerva, использующая данные динамического КТ, что позволяло вносить коррективы в ходе процедуры биопсии в режиме реального времени. Однако необходимость нахождения пациента в аппарате КТ на протяжении всей манипуляции существенно ограничивало применение системы. Другая нейрохирургическая роботизированная система CyberKnife® (Accuray™, Inc, США) была разработана для выполнения ультраточной лучевой терапии злокачественных новообразований головного мозга. Для достижения максимально возможной точности при облучении используется технология пошаговой корреляции изображений дооперационного КТ и рентгеновских исследований, проводимых в ходе манипуляции в режиме реального времени.

В 1988 г. была разработана роботизированная система «Probot» для выполнения трансуретральной резекции простаты (ТУРП). В том же году была выполнена первая роботизированная ТУРП [8] В предоперационном периоде была система строит 3D-модель простаты пациента с четкой объемной моделью опухоли, хирург намечает границы резекции, а роботическая система точно контролирует траекторию движения резектоскопа [9]

В 1994 г. компания Computer Motion изготовила первого робота-ассистента для выполнения эндоскопических операций, получившего сертификат US FDA – Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP). К 1998 г. модель AESOP 3000 была усовершенствована и обладала семью степенями свободы. Система прикреплялась к операционному столу и посредством различных переходников и адаптеров получала способность удерживать и манипулировать эндоскопом [10].

Следующим глобальным шагом в эволюции роботизированной хирургии стало развитие дистанционной телехирургии.

Концепция данного проекта состояла в том, что хирург способен дистанционно проводить тяжелые операции, посредством трансляции его движений на манипуляторы роботической установки, которая находится у операционного стола и хирург управляет не только камерой, но и несколькими «руками» с инструментами. Разработки в области роботизированной дистанционной телемедицины были одновременно начаты тремя государственными организациями в США, что привело к созданию военного прототипа, способного обеспечить помощь раненным непосредственно на поле боя. Хирург находился глубоко в тылу и осуществлял манипуляции дистанционно при помощи телевизионной трансляции [11].

В настоящее время доступны для использования две роботизированные хирургические системы: ZEUS и da Vinci, применение которых позволило сделать реальностью так называемую трансконтинентальную телероботохирургию [12]. В 2001 г. хирурги успешно удалили желчный пузырь с помощью дистанционно управляемой роботической системы, установленной в одном из госпиталей Франции, находясь от пациентки на расстоянии 7000 км в Нью-Йорке. Современные средства связи обеспечили передачу сигналов в обоих направлениях (от видеокамеры лапароскопа к хирургу и обратно – от станции управления к роботу) по трансатлантическому волоконно-оптическому кабелю [13].

В настоящее время активно развивается трансоральная роботическая хирургия, онкологическая хирургия головы и шеи. К 2014 г. насчитывалось более чем 6000 публикаций, посвященных роботической хирургии, более 4000 систем da Vinci инсталлированы в более чем 1500 медицинских учреждениях по всему миру, выполнено 350 000 роботических операций, наиболее популярными из которых являются роботическая радикальная простатэктомия и гистерэктомия [14].

Первые хирургические роботы в России были внедрены в 2008 г. в урологической практике при радикальной простатэктомии использовались роботизированные системы da Vinci (Intuitive Surgical Inc., USA), которые использовались также и в других областях хирургии, где имеет преимущества малоинвазивный принцип оперативного лечения. К 2012 г. В нашей стране насчитывалось 10 роботических установок и было выполнено более 1500 тысяч оперативных вмешательств [15, 16].

В ортопедическую клиническую практику в 1992 году была внедрена первая роботизированная система Robodoc (IBM), которую применили при эндопротезировании тазобедренных суставов. В последующем появлялись более усовершенствованные модели, обладающие способностью в автоматическом режиме выполнять этапы протезирования тазобедренного сустава (Caspar system, 2000) [17]. Примерно в то же время начинается разработка роботов для выполнения тотального эндопротезирования коленного сустава, однако на внедрение их в клиническую практику потребовалось более 10 лет испытаний и усовершенствований [18, 19].

Точность выполнения традиционного тотального эндопротезирования коленного сустава (ТЭКС) зависит от навыка и опыта хирурга [20]. Правильность размеров сгибательно-раз- гибательных промежутков, баланс мягкотканых структур и позиционирование импланта во время оперативного вмешательства зависит от субъективной оценки анатомических структур, которые патологически изменены. Точность работы режущего инструмента (осцилляторной пилы) при выполнении резекции кости, также зависит от хирурга, состояния инструмента и от плотности костной ткани, что весьма вариабельно. Использование интрамедуллярных направителей во время стандартной операции увеличивает риск тромбоэмболических и кардиоре-спираторных осложнений [21, 22,]. Частично решает данную проблему компьютерная навигация. Инфракрасные камеры считываю информацию с датчиков и выводят на экран, показывая анатомические и кинематические особенности коленного сустава во время имплантации протеза. Применение компьютерной навигации помогает хирургу более точно определить уровень и направление резекции, но не может обеспечить точности данной резекции[23, 24].

Современные робототехнические хирургические системы (РТХС), применяемые в ортопедии, включают в себя роботизированную руку, роботизированные режущие приспособления с разнообразными технологиями навигации с использованием активных, полуавтоматических или пассивных систем управления. Одной из задач роботизированных систем, является точное предоперационное планирование с использованием 3D моделирования, индивидуальным выбором имплантата, с возможностью виртуального позиционирования с учетом механических осей конечности [25].

Второй задачей роботизированной ортопедической системы является обеспечение высокой точности резекции кости для правильной посадки протеза во время операции [26, 27].

В зависимости от конструктивных особенностей и степени участия хирурга, роботизированные системы подразделяют на 2 группы:

Активные роботизированные хирургические системы — это системы, которые работают полностью автономно, самостоятельно производят опилы бедренной и большеберцовой кости по предоперационному плану, без вмешательства хирурга, под его визуальным контролем.

Полуактивные роботизированные хирургические системы — это системы которые помогают хирургу контролировать предельные отклонения от предоперационного плана и задавать уровни и углы корригирующих опилов бедра и большеберцовой кости, но саму резекцию выполняет хирург [28, 29]

«МAKO Robotic arm» (Страйкер Ltd, Каламазу, Мичиган, США) это полуактивная система, состоящая из датчиков и стойки с инфракрасной камерой, «роботизированной руки». Для визуализации и предоперационного планирования используется КТ-сканирование, по которой определяются размеры и необходимые уровня костной резекции. Во время операции, информацию с фиксированных датчиков к бедру и голени считывает система инфракрасных камер, которая выводят на экран, изображение анатомических и кинематических особенностей коленного сустава. «Роботизированная рука» задает необходимые углы и уровень резекции, хирург перемещает роботизированную руку с осцилляторной пилой по заданной траектории и контролирует силу давления на пилу. Отклонения от запланированной траектории движения пилы деактивируют роботизированное устройство (Рис. 1).

Рис. 1. Общий вид «МAKO Robotic arm» роботизированной ортопедической системы (Страйкер Ltd, Каламазу, Мичиган, США).

Система «МAKO Robotic arm» в основном используется для роботизированного одномыщелкового эндопротезирования коленного сустава. Тотальное эндопротезирование коленного сустава с применением «МAKO Robotic arm» продемонстрировала клинические результаты, по данным которых смещение механической оси более 3° отмечено 9,0% по сравнению с 31,8% в группе, где тотальное эндопротезирование выполнялось с применением стандартных направителей. В среднем, окончательные опилы выполненные при помощи роботической руки «МAKO Robotic arm» в 3,1 раза более точные, чем ручная техника. Точность этих опилов вариабельна и зависит от работы режущего инструмента (осцилляторной пилы), опыта хирурга, состояния инструмента и от плотности костной ткани [30].

Рис. 2. Общий вид роботизированной системы «NAVIO Surgical System» (Smith & Nephew, Техас, США).

Система «NAVIO Surgical System» в основном применяется при одномыщелковом эндопротезировании коленного сустава, изолированном протезировании пателофеморального сустава, иногда при тотальном эндопротезировании коленного сустава. Функционирование робота основано на интраоперационной навигации, КТ исследование для предоперационного планирования не требуется. Учитывая мобильность роботической фрезы возможно использование миниинвазивных доступов. Учитывая высокую чувствительность инструмента, скорость вращения бура снижена. Точность выполняемых опилов зависит от мануальных навыков хирурга и от плотности костной ткани [31].

«TSolution-One» (THINK Surgical Inc., Фримонт, Калифорния, США) — это активная роботизированная ортопедическая система, разработанная в 1992 году под названием Robodoc (Curexo Technology, Fremont, CA, США) для применения в ортопедической хирургии [32]. Впоследствии Curexo Technology Corporation изменила свое название на THINK Surgical Inc. (Fremont, CA) в сентябре 2014 года, переименовав Robodoc в TSolution-One ® (рис 3). В августе 2019 года хирургическая система получает FDA для тотальной артропластики коленного сустава. «TSolution-One ® » является активной автономной, роботизированной системой фрезерования, которая способна точно выполнять резекции кости для установки компонентов эндопротеза на основе предоперационного КТ изображения. Хирург, на основе полученного при компьютерной томографии 3D модели конечности пациента, планирует хирургическое вмешательство и создает индивидуальный оригинальный план операции со всеми параметрами резекции костей и осей конечности, с подбором рекомендованного имплантата, и сохраняет этот план (программа работы робота) на компьютерном носителе [33].

Рис . 3. «TSolution-One» активная роботизированная система (THINK Surgical Inc., Фримонт, Калифорния, США)

Перед операцией план-программа загружается в активную фрезерную систему. Хирург выполняет доступ, устанавливает ретракторы для защиты околосуставных мягких тканей, закрепляет конечность неподвижно к роботу специальными устройствами с датчиками движения. После процедуры регистрации положения костных ориентиров пациента в соответствии с программой предоперационного планирования, активная роботизированная режущая установка включается и самостоятельно выполняет опилы бедренной и большеберцовой костей по запланированной модели операции, при визуальном контроле, но без вмешательства хирурга. Что является отличительной особенностью данной системы, в процессе резекции кости «человеческий фактор» практически исключен. После выполнения резекции хирург выполняет примерку пробными компонентами и имплантирует протез. Преимущество системы «TSolution-One» в том, что она позволяет нивелировать погрешность мануальны навыков хирурга и не зависит от плотности костной ткани. Недостатком является то, что планирование, регистрация и фрезерование занимает больше времени, чем при выполнении другим современным роботизированными системами [34].

Заключение:

Роботизированная ТЭКС ассоциируется с повышенной точностью в позиционирование импланта и выравнивании оси конечности по сравнению со стандартной техникой выполнения протезирования. Были проведены проспективные рандомизированные исследования: группы, состоящие из 50 стандартно выполненных ТЭКС и 50 роботизированных ТЭКС. При сравнении было установлено, в группе роботизированных ТЭКС улучшена точность механического выравнивания и уменьшен разброс более 3° ротации, значительно более точное следование предоперационному плану [34, 35]. Еще в одной работе были рассмотрены результаты у 25 пациентов, после роботизированного ТЭКС, на основании данных, расположение бедренного и большеберцового компонента эндопротеза в пределах 1° от запланированного позиционирования во всех трех плоскостях [36].

При роботизированном ТЭКС уменьшена возможность повреждения мягких тканей во время выполнения костных опи-лов, что в свою очередь может значительно снизить местный воспалительный ответ, уменьшить боль и послеоперационный отек по сравнению со стандартной техникой ТЭКС. Было проведено ретроспективное исследование на 70 пациентах, после роботизированного ТЭКС, по сравнению с 50 пациентами, которым выполнялось ТЭКС стандартными методами, отмечено уменьшение послеоперационного отека мягких тканей в роботизированной группе [37].

Проведённое проспективное когортное исследование сравнения ранних функциональных результатов 40 стандартно выполненных ТЭКС и 40 роботизированных ТЭКС. Авторы отметили, что после роботизированного ТЭКС уменьшение послеоперационной боли, снижение потребности в анальгезии, пациенты быстрее самостоятельно поднимают прямую прооперированную ногу, лучший угол сгибания в коленном суставе при выписки, уменьшенная потребность в стационарной физиотерапии по сравнению с стандартной группой. Среднее время в больнице после роботизированного ТЭКС составило 77 часов (74 до 81) по сравнению со 105 часами (98–126) в группе со стандартным выполненным ТЭКС (р <0,001) [38].

Ещё в одном исследовании авторы сравнили результаты 28 роботизированных ТЭКС и 20 стандартных ТЭКС и показали что боль, удовлетворенность пациента и показатели физической функции на основании шкалы WOMAC были лучше в роботизированной группе на сроках через 6 месяцев после операции [39].

Рядом авторов проведено проспективное не рандомизированное многоцентровое исследование, сравнение 102 стандартных ТЭКС и 150 роботизированных ТЭКС и обнаружили, что после роботизированного ТЭКС пациенты активнее начинали ходить, стоять, быстрее возвращались к активному двигательному режиму на сроках через 4–6 недель и через три месяца после операции по сравнению с стандартным ТЭКС [40].

Основываясь на данных различных авторов можно отметить что отмечается снижение болевого синдрома в раннем послеоперационном периоде, снижение потребности в анальгезии, улучшение ранних функциональных результатов прооперированной конечности, более быстрое возвращение к привычному двигательному режиму, хотя данных по улучшению выживаемости эндопротезов коленного сустава при роботизированной ТЭКС пока нет.

Вывод:

Внедрение роботизированных систем в ортопедию показало безопасность их применения, обеспечивает высокую точность позиционирования имплантата, снижает риски послеоперационных осложнений, но позволит ли это внедрение вывести первичное тотальное эндопротезирование на новый уровень функционирования и качества жизни пациентов, в настоящее время этот вопрос активно изучается.

Лычагин А.В., Грицюк А.А., Рукин Я.А., Елизаров М.П., История развития робототехники в хирургии и ортопедии (Обзор литературы) // Кафедра травматологии и ортопедии. 2020. №1. С. 13—19. [Lychagin A.V., Gritsyuk A.A., Rukin Y.A., Elizarov M.P., The history of the development of robotics in surgery and orthopedics (Literature review). Department of Traumatology and Orthopedics . 2020. №1. pp. 13—19]

Финансирование: исследование не имело спонсорской поддержки

Funding: the study had no sponsorship