Современные хирургические роботы уже помогают врачам выполнить операции с ранее недостижимой точностью. Но довольно скоро врачи смогут передать хирургический инструмент роботам-хирургам полностью, по крайней мере, для простых, повторяющихся действий. Тем самым сэкономить бесценное время для хирурга, выполняющего более сложную работу. Некоторые последние модели хирургических роботов уже могут запланировать и выполнять простые хирургические задачи самостоятельно, выбрать оптимальный доступ к оперируемому органу и нужные инструменты. И даже обучаться: наблюдать за ходом операции и копировать новые хирургические манипуляции. Более подробно об этом рассказано в статье «Would You Trust a Robot Surgeon to Operate on You?» (Доверили вы бы роботу-хирургу себя прооперировать?).

В «блестящей красной пещере» брюшной полости пациента хирург Майкл Стифелмен тщательно управляет двумя роботизированными руками, которые завязывают нити в узлы. Он управляет и третьей рукой, которая проводит лигатурную иглу через мясистую ткань почки пациента, накладывая швы на то место, где раньше была опухоль. Четвёртая рука держит эндоскоп, чтобы хирург мог видеть всё происходящее на дисплее. Каждая рука входит в тело пациента через крошечный разрез, шириной приблизительно в 5 миллиметров. Можно поразиться тому, что может быть достигнуто, когда робот и хирург работают вместе. Стифелмен (который уже сделал несколько тысяч операций совместно с роботом) управляет роботизированными руками с пульта. Инструменты в теле пациента, управляемые роботом, делают те же самые движения, что и руки хирурга, но намного в меньшем масштабе. «Робот и я – одно целое» – поясняет хирург.
Все же некоторые робототехники, если бы они следили за этой операцией, видели бы не современное чудо техники, а потраченный впустую время. Стифелмен, в конце концов, – отлично обученный хирург с ценными навыками. Но он теряет свое драгоценное время на рутинные манипуляции. Например – на наложение швов после того, когда главная часть операции закончена. Если бы робот мог бы сам выполнять эти утомительные манипуляции, хирург мог бы использовать своё время для более важной работы.
Сегодняшние хирургические роботы расширяют возможности хирурга. Например, они «отфильтровывают» дрожь рук и позволяют проводить такие хирургические вмешательства, которые даже очень квалифицированный хирург не смог бы осуществить при помощи типичных инструментов лапароскопической хирургии на длинной рукоятке. Но, в конце концов, робот – просто более совершенный инструмент под непосредственным управлением человека. Разработчики хирургических роботов считают, что будет лучше, если роботы станут автономными и будут сами принимать решения. И самостоятельно выполнять поставленные им задачи. Такое «роботизированное вмешательство» уменьшит риск человеческой ошибки.
Доверить роботам некоторые хирургические манипуляции вполне возможно. Большая часть необходимой технологии быстро разрабатывается в академических и промышленных лабораториях. Работая, прежде всего, с эластичными макетами, имитирующими человеческие ткани, экспериментальные роботы удаляли опухоли, обрабатывали раны и накладывали швы. Некоторые тесты показали, что роботы были более точными и эффективными чем хирурги. И совсем недавно, в больничных условиях роботизированная система продемонстрировала подобные манипуляции, накладывая швы на реальную ткань тонкой кишки свиньи. Исследователи сравнили исполнение шва роботом и хирургом. И нашли, что стежки робота были более равномерными. И у робота получился более плотный шов. Пока такие системы не могут быть использованы для проведения хирургических манипуляций на людях. Но они – будущее хирургии. Это – чувствительный момент. Потому, что, может быть, в далёком будущем роботы оставят хирургов без работы. Однако такая же самая логика управляет и сборочным конвейером. Если роботизация улучшает результаты, её никак не остановить.
Хутэн Ашрэфиэн, бариатрический хирург (занимающийся проблемой ожирения) и лектор в Имперском Колледже, Лондон, изучали результаты робототехнической хирургии. Он часто пишет о потенциале для искусственного интеллекта в здравоохранении. Ашрэфиэн считает, что хирургические роботы «неизбежны». В обозримом будущем Ашрэфиэн ожидает, что хирургические роботы будут выполнять простые манипуляции в хирургической команде. «Наша цель состоит в том, чтобы повысить выживаемость пациента. Если использование робота означает спасение жизни и понижение риска осложнений, то мы обязаны использовать эти устройства». Ашрэфиэн смотрит далее вперед. Он говорит, что очень возможно, что в хирургии будет использоваться хирургические роботы следующего поколения, которые будут настолько интеллектуальными, что смогут самостоятельно принимать решения и выполнять все хирургические манипуляции. Т.е., самостоятельно проводить хирургическую операцию от начала и до конца. Эта перспектива кажется сейчас нереальной. Но технические инновации могут привести нас к этому естественным образом. «Всё будет постепенно, и каждый шаг не будет очень заметным. Но 50 лет назад хирург был бы в шоке от моей сегодняшней операционной. И через 50 лет будет другой мир хирургии».
Хирургические роботы уже сегодня принимают решения и выполняют хирургические манипуляции чаще, чем можно подумать. В хирургии, для исправления зрения, роботизированная система делает в роговице откидную «створку» и планирует серию лазерных импульсов, чтобы изменить внутренний слой роговицы. В операции на коленном суставе, автономный робот делает в кости отверстие с большей точностью, чем хирург. В дорогих клиниках для пересадки волос «умный» робот распознаёт на голове пациента здоровые волосяные фолликулы, извлекает некоторые из них, и имплантирует их в лысые участки кожи согласно разработанной схеме.
Однако операции в грудной, брюшной и тазовой полости, представляют собой более сложную проблему. Анатомия каждого пациента немного отличается. Таким образом, автономный робот должен будет точно идентифицировать внутренние органы и питающие их кровеносные сосуды. К тому же, все внутренности человека (например, из-за дыхания), меняют свою конфигурацию и положение. Таким образом, робот должен будет непрерывно изменять свой хирургический план.

Робот должен правильно сработать в кризисных ситуациях. Проблема была продемонстрирована в центре хирургии Нью-Йоркского университета. Во время операции, Стифелмен разжимает артериальный зажим, который блокировал кровоток к почке во время удаления опухоли. «Теперь мы должны удостовериться, что нет кровоизлияния», говорит он, когда осматривает почку через эндоскоп. Большая часть наложенного на разрез шва выглядит аккуратной. Но внезапно на экране дисплея появился фонтан крови. «О, мальчик, Вы видите это? Сделайте быстро ещё один шов», он инструктирует своего помощника. Как только его быстрый стежок подавил поток крови, Стифелмен возобновляет обычный ход операции. Для хирурга это рабочие моменты. Но как хорошо бы робот справился с такой неожиданной ситуацией? Его машинное зрение и алгоритм обработки изображений должны были бы сначала распознать струю красной жидкости как серьезную опасность. Затем его программное обеспечение принятия решений должно было бы выяснить, как лучше всего её ликвидировать. Потом его инструменты вступили бы в действие, работая иглой и нитью. Наконец программа оценки оценила бы результаты и определила бы, нужны ли дальнейшие действия. Заставить робота освоить каждый из этих шагов (обнаружение нештатной ситуации, принятия решения, действия, и оценки) представляет сложнейшую проблему для инженеров.
Стифелмен также провел операции с помощью робота «Да Винчи». Эта машина, стоит $2.5 миллионов и является единственной автоматизированной системой для хирургии мягких тканей, которая одобрена американскими регуляторами. Да Винчи доминирует рынке хирургических роботов. Более чем 3,600 экземпляров этих роботов работают в больницах во всем мире. Путь Да Винчи к коммерческому успеху не всегда был гладким. Пациенты принесли судебные иски относительно неудач на операционном столе. И одно исследование нашло, что количество таких неудач было занижено. Некоторые хирурги продолжают дебатировать, дают ли в лапароскопии роботизированные операции реальные преимущества над операциями, выполненными вручную, цитируя противоречивые исследования состояния пациента после различных операций. Несмотря на такие споры, многие больницы используют роботизированную технологию. И многие пациенты ищут возможность быть прооперированными с участием робота. Да Винчи полностью управляется хирургом. Его руки остаются инертными кусками пластмассы и металла, пока хирург не возьмётся за рычаги на пульте. Однако робототехники уже работают над будущими моделями, когда хирурги будут оперировать «с возрастающим уровнем помощи или управлением от компьютера».
Исследования в этой области хирургической робототехники похожи на ранние усилия в области роботизированных автомобилей. «Первые шаги – распознавание дорожных разметок, знаков, препятствий, автомобилей и пешеходов. Инженеры затем сделали интеллектуальные автомобили, которые использовали своё понимание окружающей среды, чтобы помочь их водителям. Например, автомобиль, который знает местоположения окружающих транспортных средств, может предупредить своего водителя, если он или она собирается внести опрометчивое изменение полосы движения. Для хирургических роботов, чтобы обеспечить подобные предупреждения (предупреждая хирурга, инструменты которого отклоняются от типичного пути), возможно, они должны будут стать намного более умными, чем компьютеры робомобилей. К счастью некоторые роботы-хирурги уже становятся обучаемыми.
Хирургический робот, сидящий в углу лаборатории в Калифорнийском университете, Беркли, еще, не может завязать узлы. Но он довольно ловко действует при зашивании. Работая с ложным куском человеческой плоти, одна роботизированная рука проводит кривую желтую иглу через два края ложной раны. Вторая рука тянет иглу, когда она появляется на другой стороне, чтобы зажать края раны нитью. Никакая человеческая рука не управляет движениями рук робота, И никакой человеческий мозг не готовит им маршрут движения. Автономный робот вытаскивает иглу назад и начинает следующий стежок. В то время как «плоть», зашиваемая в лаборатории, является просто куском розовой резины, данная технология – реальная вещь. В 2013 г. компания, производящая Да Винчи, стала «жертвовать» (передавать бесплатно) этих роботов в различные университеты для дальнейших исследований. Таким образом, когда научат Да Винчи независимо выполнить хирургическую задачу, то же самое программное обеспечение теоретически могло бы научить этому коммерческие системы, которые уже оперируют настоящих пациентов. Разработчики Да Винчи полагают, что простые хирургические задачи будут автоматизированы в течение ближайших 10-ти лет.
Чтобы автономно выполнить задачу зашивания раны, Да Винчи вычисляет оптимальные точки входа и выхода иглы для каждого стежка, планирует траекторию иглы и отслеживает движения иглы, используя комбинацию датчиков местоположения и видеокамер. Игла окрашена в ярко-желтый цвет. И компьютерная система машинного зрения может её распознать. Задача все еще очень сложная. Опубликованный отчет, что робот закончил только 50 процентов своих манипуляций по зашиванию «раны» четырьмя стежками успешно. Чаще всего случались неудачи, когда второй захват не мог схватить иглу или запутывался в нити.
Даже если роботы хорошо справляются с обычными хирургическими задачами, пока ещё рано удалять из «петли управления хирурга». Хирург должен следить за роботом и вмешаться в ход операции в нештатных ситуациях. Это называется «контролируемой автономией». Хирург все еще главный, но хирургические манипуляции низкого уровня выполняет робот. Роботы выполняют работу «ломовой лошади» с высокой точностью и однородностью. Робот выполняет функцию швейной машины, а хирург делает стежки вручную. В данной ситуации у швейной машины – явное преимущество.
Роботы скоро станут достаточно пригодными для широкого клинического использования, потому что они начинают учиться самостоятельно. В новейшем эксперименте, когда восемь хирургов различных уровней квалификации использовали роботизированные руки Да Винчи для наложения шва из 4-х стежков, Да Винчи записывал данные. Алгоритм машинного обучения проанализировал визуальные и кинематические данные и разделил каждый стежок на шаги (расположение иглы, подталкивание иглы, и т. д). Этот метод потенциально позволяет Да Винчи изучить любую хирургическую задачу. Исследователи полагают, что приобретение знаний из демонстрации хирургических манипуляций – единственный эффективный подход. «Мы думаем, что теперь обучение робота на практических примерах является самой интересной областью в хирургической робототехнике. Потому что попытка программировать хирургические манипуляции от начала до конца не привела к желаемому результату. Конечно, есть множество задач, которые требуют, чтобы робот анализировал данные из тысяч операций. Но данные слишком многочисленны. Каждый год хирурги делают более чем 500,000операций с использованием Да Винчи. Что, если бы хирурги разделили данные из всех этих операций (с обеспечением секретности для пациентов) и позволили искусственному интеллекту учиться на них? Например, каждый раз, когда хирург использует вспомогательного робота, чтобы успешно наложить швы на рану на почке, искусственный интеллект мог бы усовершенствовать свое понимание этой процедуры. Система могла бы извлекать данные и улучшать свои алгоритмы».
Компания, выпускающая Да Винчи, скоро столкнется с серьёзной конкуренцией крупных компаний. Medtronic, одна из крупнейших в мире компаний медицинского оборудования, разрабатывает автоматизированную хирургическую систему, о которой она пока еще не будет рассказывать. Точно так же, Google объединил усилия с компанией Johnson & Johnson, чтобы начать проект по разработке хирургического робота Verb Surgical «с передовыми автоматизированными возможностями». Со всей этой активностью, аналитики предсказывают бум рынка хирургических роботов. По оценкам экспертов, международный рынок для хирургических роботов брюшной полости (категория, состоящая из Да Винчи и ее конкурентов), вырастет от $2.2 миллиардов (в 2014 г.) до $10.5 миллиардов в 2021 г.