08.09.2014

Robot kardiochirurgiczny rodzi się w AGH


Dr inż. Daniel Prusak z Katedry Robotyki i Mechatroniki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki (fot. Zbigniew Sulima).

Opatentowane rozwiązanie końcówki laparoskopowej napędzanej precyzyjnym mikronapędem elektrycznym (fot. Daniel Prusak).

Stanowisko badawcze do testowania precyzyjnych mikronapędów piezoelektrycznych (fot. Mateusz Wójtów).

W Akademii Górniczo-Hutniczej powstają urządzenia zautomatyzowane, mechatroniczne, które są kombinacją mechaniki, elektroniki i systemów sterowania. Dr inż. Daniel Prusak z Katedry Robotyki i Mechatroniki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki specjalizuje się w tworzeniu mikrourządzeń, mikromanipulatorów i mikronapędów. Obecnie pracuje nad kardiochirurgicznym manipulatorem laparoskopowym.

 

Tym razem postanowił pan stworzyć robota z końcówką laparoskopową, który będzie służył do wykonywania kardiochirurgicznych operacji medycznych?

 

Zgadza się. Prace badawcze nad tego typu urządzeniem były rozpoczęte już kilka lat temu, wykonany został między innymi pierwszy prototyp mechatronicznej końcówki laparoskopowej – kolano zginające się. Zaprojektowałem trzy typy precyzyjnych mikronapędów, które są kluczowe do poprawnego funkcjonowania całego urządzenia. Pozostała do zrobienia też część mechaniczna, na którą składa się ramię robota oraz interfejs użytkownika.  Zbudowanie pierwszych prototypów to nie tylko wysiłek intelektualny, ale i finansowy. Jeżeli nowa perspektywa finansowania unijnego będzie przyjaźnie nastawiona do zagadnień medycznych a konkursy będą nastawione na innowacyjne technologie w medycynie, to działający prototyp może być zrobiony naprawdę szybko. 

 

A to dopiero początek?

 

Tak, oczywiście. Gdy prototyp jest gotowy, następuje cała seria testów eksperymentalnych i klinicznych. Później następuje certyfikacja urządzenia, czyli dopuszczenie do aplikacji medycznych – to również jest związane z kosztami. Dopiero po przejściu całego tego procesu, trwającego kilka lat, robot zostanie dopuszczony do produkcji. My jesteśmy na początku tej drogi, ale jeśli mielibyśmy nieograniczone finansowanie, bylibyśmy w stanie w trzy lata zbudować całego robota i doprowadzić do uzyskania certyfikatu. Przy ograniczeniach finansowych termin może się wydłużyć dwu-, a nawet i trzykrotnie.

 

Wróćmy do wysiłku intelektualnego. Z jakimi problemami musiał się pan zmierzyć?

 

Zbudowanie laparoskopu pracującego w skali mikro, które ma mieć średnicę 8, maksymalnie 10 milimetrów i które musi charakteryzować się niezwykłą siłą i precyzją, stanowi duże wyzwanie. Trzeba znaleźć rozwiązanie wielu problemów związanych między innymi z funkcjonalnością, niezawodnością, prawidłowym napędem oraz zintegrowanym systemem sterowania. Jeśli ktoś jest w stanie zbudować urządzenie w szczególności robota, który pracuje z bardzo wysoką dokładnością, to mówimy, że zajmuje się mikrorobotyką. Ta dziedzina nauki skupia się bowiem na budowaniu urządzeń, które mają dokładność pozycjonowania rzędu nanometrów. Aby tę dokładność zapewnić, należy pozbyć się zjawisk, które mogą wpływać niekorzystnie na precyzję urządzenia, co w przypadku mikromanipulatorów medycznych jest absolutnie niezbędne. Zjawiskami takimi są m.in. tarcie czy luzy, dlatego np. w mikrorobotyce nie stosuje się łożysk, które są klasycznymi elementami przenoszenia ruchu. Tu napędy są zbudowane w bardzo specyficzny sposób, wykorzystując zjawiska piezoelektryczne oraz elastyczne przeguby złączowe. Klasyczne napędy jak silniki prądu stałego lub krokowe nie sprawdzają się w tego typu aplikacjach. Kolejnym aspektem jest wysoki stopień rozwiązań zintegrowanych. Jeżeli np. w typowych urządzeniach można oddzielić obudowę od napędu, to w mikrourządzeniach systemy przenikają się wzajemnie, obudowa staje się częścią nośną urządzenia lub wręcz elementem silnika napędowego. Elementy, które pracują w środku, są tak zintegrowane i zoptymalizowane, żeby pozwalały na budowę bardzo miniaturowych i bardzo precyzyjnych podzespołów dedykowanych do konkretnych zastosowań.

 

Czy pański robot może służyć do przeprowadzania różnych typów operacji?

 

Do tej pory podejście było takie, że roboty są przeznaczone do konkretnego typu operacji, ale jeśli chodzi o uniwersalność, to wszystko zależy od konstrukcji mechanicznej i zastosowanych końcówek. Dąży się do tego, aby te roboty były jak najbardziej skonkretyzowane, ale z drugiej strony środowisko lekarskie wymaga, żeby obszar ich zastosowań był możliwie szeroki stawiając na dużą uniwersalność narzędzia. Myślę, że zbudowanie dobrego urządzania od strony technicznej i oprogramowanie go, plus szkolenie personelu mogłoby zaowocować tym, że robot mógłby być stosowany do wszystkich typów operacji małoinwazyjnych. W praktyce należałoby tylko ustawić odpowiedni program pracy i zmieniać końcówki manipulacyjne. Tak czy inaczej nie obejdzie się bez szkolenia personelu. Tak jak w przypadku każdego narzędzia tak i w przypadku systemów zrobotyzowanych operatorzy muszą się nauczyć ich używać oraz dokładnie poznać ich możliwości. Staramy się ściśle współpracować ze środowiskiem medycznym i tym samym określać obszar możliwych zastosowań dla opracowywanych technologii.

 

Czy ze strony lekarzy jest zainteresowanie robotem?

 

Bardzo często rozmawiamy ze szpitalami i lekarzami. Oni potrzebują automatyzacji i chcą robotów na sali operacyjnej, nie boją się zaawansowanej technologii w medycynie. Chcą usprawnienia i podniesienia jakości ich pracy. To naturalny proces, bo każdy pracując na jakichś narzędziach dąży do ulepszeń. Natomiast medycyna jest dziedziną szczególną, bo tu przecież chodzi o życie człowieka. Każde podniesienie jakości i bezpieczeństwa, skrócenie czasu rehabilitacji, to jest coś, o co warto walczyć. Odpowiadając na to pytanie trzeba wrócić do strony finansowej przedsięwzięcia, bo zainteresowanie jest, ale czy opracowany robot trafi do szpitali – to inna sprawa. Istotna jest cena końcowa robota oraz jego prostota obsługi i uniwersalność zastosowań. Także ważną kwestią jest to, czy państwo będzie zainteresowane dofinansowaniem szpitali do zakupów tak nowoczesnego sprzętu.

 

Czy możemy sobie wyobrazić sytuację, że dysponując tak precyzyjnym sprzętem lekarz nie będzie potrzebny na sali operacyjnej?

 

To nie jest możliwe, gdyż musi być człowiek, który będzie ponosił odpowiedzialność za pacjenta i procesy wykonywane podczas operacji. Operacje zautomatyzowane wykonywane są pod kontrolą lekarza, który bierze pełną odpowiedzialność za to, co robi maszyna. Natomiast można sobie wyobrazić sytuację, w której lekarza fizycznie nie ma na sali operacyjnej, ponieważ znajduje się np. na innym kontynencie. Takie próby były już wykonywane i pokazuje to duży potencjał rozwiązań telemedycznych.

 

Co w takim razie zmienia na sali operacyjnej obecność robotów?

 

Jest stół operacyjny, na którym leży pacjent, ale wokół niego nie ma lekarzy, tylko maszyny. Lekarze są nieco dalej i poprzez te roboty kontrolują to, co dzieje się wewnątrz organizmu pacjenta. Za pomocą robota możemy dojść do miejsc, gdzie nie da się dotrzeć podczas ręcznej operacji i także jesteśmy w stanie wykonać operację małoinwazyjną, czyli mówiąc obrazowo przez trzy niewielkie otwory wykonane w ciele pacjenta można zoperować serce. To niesamowity przeskok technologiczny. Automatyzacja operacji, czyli sytuacja, gdy większą część operacji chirurgicznych wykonuje robot, ma taką zaletę, że eliminuje błędy lekarza, podwyższa dokładność operacji. Maszyny budowane w ten sposób mają możliwość redukcji błędów lekarza, np. drgania rąk, czy automatyzacji pewnych czynności, jak zszywanie, lepszą wizualizację, czyli wgląd 3D do wnętrza ciała pacjenta, a także zmniejszenie powikłań pooperacyjnych, a tym samym skrócenie czasu rehabilitacji. Coraz bardziej intensywnie pracuje się też nad sprzężeniem zwrotnym, czyli tak naprawdę efektem gdzie poprzez ramiona robota można odczuwać takie siły i takie reakcje, jakie się odczuwa używając normalnych narzędzi. Operacje wykonywane z użyciem robotów są bezpieczniejsze dla pacjenta, który również szybciej dochodzi do zdrowia, są pewniejsze i powtarzalne, nadal jednak są bardzo drogie w porównaniu do konwencjonalnych.

 

Czy wprowadzanie coraz większej liczby robotów do medycyny może się w przyszłości przyczynić do tego, że będą mniejsze kolejki do lekarzy, krócej będziemy czekać na zabiegi operacyjne?  

 

Trudno jest to określić, bo robotyzacja w medycynie ma szereg poziomów. Jeśli chodzi o kardiochirurgiczne roboty medyczne, to nad każdą operacją musi być nadzór lekarza prowadzącego. Nie można stwierdzić, o ile więcej operacji lekarz będzie mógł wykonać, ale pewne jest, że więcej niż stojąc przy stole operacyjnym i posługując się tradycyjnymi narzędziami, co jest pracą niezwykle wyczerpującą. Z obsługą robota jest jak z pracą przy komputerze. Lekarz używając robota nie męczy się fizycznie. Oczywiście będąc odpowiedzialnym za przebieg operacji nadal może być zmęczony psychicznie, ale w mniejszym stopniu, gdyż – jak wspominałem wcześniej – nie musi się martwić precyzją ruchów, bo robot ściśle wykona program, na który został nastawiony, a jego ramiona nie drżą i nie mają możliwości przypadkowego, choćby minimalnego przesunięcia. Bardzo ważnym aspektem jest nie tyle skrócenie czasu kolejek ile skrócenie czasu rehabilitacji pooperacyjnej, bo gdy operacja jest przeprowadzona przy użyciu robota, pacjent już po kilku dniach może wrócić do domu. Skraca się czas rekonwalescencji i zmniejsza ilość powikłań. Tak jest nie tylko w przypadku operacji serca ale także w przypadku operacji urologicznych do których wykorzystywane są roboty tego samego typu. Zmniejsza się ryzyko powikłań, więc tym samym zmniejszają się koszty. Sale pooperacyjne i rehabilitacyjne będą miały większą rotację pacjentów, którzy zdecydowanie szybciej będą wracać do zdrowia. Tym samym więc skrócą się kolejki.

 

W katedrze mechatroniki prowadzonych jest w tej chwili kilka projektów związanych z budową robotów medycznych: są to: robot urologiczny, robot mieszający leki na raka (cytostatyki), oraz mikromanipulator biologiczny. Są to projekty nastawione na automatyzację i przyspieszenie pewnych znanych procedur. W przypadku robotów mieszających leki cytostatyczne to także zwiększenie bezpieczeństwa dla personelu i pacjentów.

 

Na świecie są już roboty na salach operacyjnych. Czym pańskie urządzenie będzie się od nich różniło?

 

Laparoskop kojarzy się jednoznacznie – z małoinwazyjną operacją przeprowadzoną przy pomocy urządzenia napędzanego za pomocą cięgien, o jednym, może dwóch stopniach swobody, które lekarz obsługuje ręcznie. Robot medyczny stanowi już ogromny przeskok technologiczny. Na świecie najsłynniejszym robotem kardiochirurgicznym jest da Vinci, który ma napędy zbudowane właśnie na cięgnach. Moje rozwiązanie laparoskopowej końcówki wykonawczej zakłada użycie specjalnie zaprojektowanych mikrosilników elektrycznych i śmiało można powiedzieć, że jest to jedno z najbardziej innowacyjnych rozwiązań w tej dziedzinie – podlega ono ochronie patentowej. Jednakże jest to fragment większej całości. Jeśli zdobędziemy dofinansowanie i badania pójdą dalej w tym kierunku, to jesteśmy w stanie bez najmniejszego problemu zbudować w pełni funkcjonalnego robota kardiochirurgicznego. Mam nadzieję, że ten projekt będzie zrealizowany z rozmachem i z dużą dawką zastosowanych innowacji technologicznych.

 

Rozmawiała Ilona Trębacz