Teleoperacja

Teleoperacja, telechirurgia, zdalna chirugia - rodzaj operacji, przeprowadzanej przy pomocy robota chirurgicznego, sterowanego przez chirurga zdalnie. Dziedzina ta jest specjalistyczną formą telemedycyny. Łączy w sobie elementy chirurgii, nowoczesnej telekomunikacji, informatyki oraz robotyki. W odróżnieniu od powszechnie wykorzystywanej chirurgii robotowej, telechirurgia pozwala na przeprowadzenie operacji, w której fizyczna odległość między pacjentem a lekarzem staje się nieistotna. Zadania chirurgiczne są wykonywane bezpośrednio przez robota medycznego, wyposażonego w odpowiednie narzędzia chirurgiczne. Robotem za pomocą konsoli sterowania wyposażonej w manipulatory kieruje lekarz, znajdujący się w innej lokalizacji. Ruchy manipulatorów przesyłane są za pomocą bezpiecznego połączenia telekomunikacyjnego do urządzenia na sali operacyjnej, które zamienia je na precyzyjne akcje narzędzi chirurgicznych. Chirurg przez cały czas trwania operacji otrzymuje obraz audiowizualny wraz z pomiarami wykorzystywanych przez robota czujników. Gwałtowny rozwój teleoperacji stał się możliwy dzięki osiągnięciom technologicznym (szczególnie informatycznym), pozwalającym uzyskać szybkie, bezpieczne oraz stabilne połączenie telekomunikacyjne pomiędzy robotem na sali operacyjnej a konsolą sterowaną przez lekarza znajdującego się w znacznej odległości (na przykład na innym kontynencie). W systemach tych bowiem wymagane jest minimalne opóźnienie (rzędu milisekund) pomiędzy ruchem manipulatora konsoli sterowniczej, a odpowiednim ruchem robota.

Historia

Roboty AESOP, ZEUS i Da Vinci

Rozwój teleoperacji rozpoczął się na początku lat 90 XX wieku wraz z rozwojem laparoskopii oraz chirurgii robotowej. W 1994 na rynek amerykański zatwierdzony został pierwszy robot chirurgiczny wykorzystywany przy przeprowadzaniu zabiegów laparoskopowych – AESOP firmy Computer Motion. System ten pozwalał na automatyczne pozycjonowanie kamery endoskopowej podczas operacji, umożliwiając otrzymanie trójwymiarowego obrazu wnętrza ciała pacjenta. Posiadał możliwość sterowania manualnego lub zdalnego, za pomocą ręcznych i nożnych przełączników. Kolejne wersje wykorzystywały do sterowania komendy głosowe.

AESOP stał się z czasem częścią większego robota medycznego o nazwie ZEUS wykonanego przez tego samego producenta. ZEUS pojawił się na rynku amerykańskim w roku 1998. Wyposażony był w 3 ramiona, z których jedno służyło do trzymania kamery (AESOP), natomiast pozostałe spełniały rolę prawej i lewej ręki chirurga. Podobne rozwiązanie zastosowano w konkurencyjnym robocie Da Vinci firmy Intuitive Surgical. Robot ten, zaprojektowany przy współudziale NASA, przeznaczony był pierwotnie dla armii amerykańskiej. W 2003 roku nastąpiło połączenie firm Computer Motion oraz Intuitive Surgical, w wyniku czego na rynku pozostał tylko robot Da Vinci.

Operacja Lindbergh'a

Obydwa rozwiązania wyposażone zostały w konsole sterowania, pozwalające na przeprowadzanie przez chirurga operacji zdalnych. Ich projektom przyświecał cel, by zabieg był tak samo łatwo wykonywalny zarówno w sali operacyjnej, jak i też w innym pokoju, budynku, kontynencie czy nawet przestrzeni kosmicznej. Wraz z rozwojem technik komunikacyjnych zaczęto urzeczywistniać projekty teleoperacji długodystansowych.

7 września 2001 roku zrealizowano projekt o nazwie Operacja Lindbergh'a (nazwa wzięła się od pilota, który zasłynął pierwszym przelotem między lądem Ameryki Północnej a Europą bez międzylądowań). Była to pierwsza, międzykontynentalna teleoperacja. Robotem wykonującym zadania chirurgiczne był robot ZEUS. 68-letnia pacjentka znajdująca się w Strasburgu została poddana zabiegowi usunięcia pęcherzyka żółciowego (cholecystektomia) przez francuskiego lekarza, będącego w tym czasie w Nowym Jorku, doktora Jacques'a Marescaux. Ponieważ odległość między miastami wynosiła 6 230 km potrzebne było szybkie i niezawodne łącze o minimalnym czasie opóźnienia. Zastosowano w tym przypadku światłowodowe łącze ATM o bardzo szybkiej jak na owe czasy przepustowości 10 Mb/s. Opóźnienie między ruchem manipulatora konsoli sterowania, a ruchem robota wynosiło 155 ms. Operacja zakończyła się pomyślnie po 54 minutach. Chociaż ten nieskomplikowany zabieg mógł być przeprowadzony mniejszym kosztem przez asystentów nadzorujących stan pacjentki, wykazano, że teleoperacje na znaczną odległość są możliwe oraz mogą być w przyszłości wykonywane w różnych warunkach np. w środku działań wojennych lub w kosmosie.

Budowa systemu teleoperacyjnego

Najpopularniejszymi robotami zdolnymi do przeprowadzenia teleoperacji są ZEUS i Da Vinci. Są to urządzenia typu Master-Slave, gdzie rozdzielona jest część sterownicza (Master), służąca do kontrolowania systemu oraz część wykonawcza (Slave) na którą składają się ramiona robota wraz z narzędziami chirurgicznymi, niezbędnymi do przeprowadzenia zabiegu. Poza robotem chirurgicznym na system teleoperacyjny składają się także inne urządzenia oraz technologie. W ogólności system odpowiedni do przeprowadzenia teleoperacji składa się z następujących części:

Elementy systemu po stronie chirurga

Głównym elementem wykorzystywanym przez chirurga podczas teleoperacji jest konsola sterowania wyposażona w manipulatory oraz dodatkowe urządzenia, dzięki którym lekarz może sterować robotem medycznym. Na przykładzie robota Da Vinci konsola zawiera:

• Ergonomiczne stanowisko przy którym siedzi chirurg.
• Okular wizjera (przypominającego lornetkę), gdzie podczas operacji chirurg kieruje wzrok, otrzymując wysokiej rozdzielczości trójwymiarowy obraz, który emitują kamery laparoskopowe robota. Alternatywnie do podglądu sytuacji na sali operacyjnej mogą posłużyć monitory.
• Manipulatory, służące do sterowania narzędziami robota, umieszczone poniżej głowy, w linii prostej do kierunku wzroku. Pozycja ta przypomina rzeczywiste ustawienie lekarza w trakcie standardowej operacji, daje iluzję bezpośredniego używania narzędzi chirurgicznych.

Pozostałymi elementami systemu teleoperacyjnego po stronie chirurga są: połączenie głosowe z lekarzami znajdującymi się na sali operacyjnej np. w technologii VoIP, kamera/y dające podgląd działań chirurga oraz komputer odpowiedzialny za połączenie audiowizualne.

Elementy systemu po stronie pacjenta

Po stronie pacjenta znajduje się robot medyczny wyposażony w chwytaki odpowiedzialne za wykonywanie zadań chirurgicznych oraz kamery endoskopowe wraz z osprzętem niezbędnym do jego działania. Robot medyczny zawiera:

• 3 lub 4 ramiona robota o 5-7 stopniach swobody, z których jedno kontroluje endoskop zamontowany na ruchomej podstawie, poruszającej się blisko stołu operacyjnego.
• Końcowe chwytaki robota, zawierające potrzebne narzędzia chirurgiczne (wymienialne). Ruchy manipulatorów konsoli zamieniane są przez wysokiej rozdzielczości czujniki na precyzyjne ruchy tych narzędzi.
• Częścią robota jest również system zabezpieczeń, chroniący przed efektem trzęsących się rąk (drgania o częstotliwości ok. 6Hz) oraz wykonywaniem wszelkich niewywołanych przez chirurga ruchów.

Analogicznie jak po stronie lekarza niezbędne jest także połączenie audiowizualne z salą operacyjną oraz komputer odpowiedzialny za to połączenie. System wizyjny musi dostarczać wysokiej jakości, trójwymiarowy obraz pochodzący z kamer endoskopowych, dostępny dla całego zespołu znajdującego się po stronie pacjenta, który kontroluje działanie robota oraz jest zdolny do dokończenia zabiegu w przypadku problemów technicznych bądź nieprzewidzianych sytuacji.

Połączenie telekomunikacyjne

Niezbędnym elementem systemu teleoperacyjnego jest bezpieczne, niezawodne, szybkie (przynajmniej 10 Mb/s) połączenie sieciowe o małym czasie opóźnienia transmisji (poniżej 200 ms). Łącze to musi obsługiwać 3 niezależne kanały komunikacji:

• Obraz video przekazany od urządzenia typu Slave (robot) do urządzenia Master (konsola sterownicza).
• Komendy sterujące emitowane przez urządzenie Master do Slave.
• Sprzężenie zwrotne (zależne od budowy robota) od urządzenia Slave do Master.

Opóźnienia w kanałach wymagają odpowiedniej synchronizacji, ze względu na to, że komunikacja w każdym z nich cechuje się innymi czasami transmisji. W teleoperacjach wykorzystuje się sieci LAN lub WAN, zaś ochronę przed nieupoważnionym dostępem zapewnia VPN. Sieci te działają w modelu TCP/IP, dając możliwość przesyłu danych w formie pojedynczych pakietów. Innym modelem sieci jest UDP/IP, który nie posiada mechanizmów naprawy błędów, oferując zamiast tego szybki i bezpośredni sposób wysyłania i odbioru informacji. Model ATM/AAL1, którego działanie polega na przesyłaniu danych w postaci małej wielkości pakietów także jest stosowany, podobnie jednak jak w UDP/IP model ten nie posiada odpowiednich systemów zabezpieczeń przed błędami. Niezawodne połączenie sieciowe jest wymagane ponieważ zarówno robot ZEUS jak i Da Vinci zostały tak zaprojektowane by odrzucać każdy błędny pakiet, nie mają one mechanizmów naprawy błędów na poziomie bitów. Jeśli kilka pakietów zostanie straconych roboty przerywają aktualnie wykonywaną pracę.

Osobną rolę odgrywają algorytmy kodowania audio i video, pozwalające na przesyłanie wysokiej jakości obrazu i dźwięku nie powodując przy tym obciążenia sieci. Korzystając z formatu MPEG-2 opóźnienie kodowania sygnału video można zmniejszyć do 90 milisekund, zaś używając formatu lepszej jakości MPEG-4 Level 10 (H.264) opóźnienie kodowania wynosi 120-180 milisekund.

Zastosowanie teleoperacji

Telementoring

Poza usunięciem pęcherzyka żółciowego, którego dokonano podczas pierwszej teleoperacji, technologię tę wykorzystuje się również do innych zabiegów. Kanadyjska grupa doktora Mehran'a Anvari jako pierwsza wykorzystała zdalne operacje w typowych warunkach szpitalnych. Działanie to polegało na pomocy i doradztwie stażystom w zabiegach wymagających zaawansowanych umiejętności laparoskopowych w szpitalu odległym o ponad 300 mil. Rozpoczynając w lutym 2003 roku (ponad rok po „Operacji Lindbergh”) w ciągu 2 lat przeprowadzono 21 teleoperacji laparoskopowych. Wszystkie zakończyły się sukcesem, bez dalszych komplikacji. Były to: 13 zabiegów fundoplikacji, 3 resekcje esicy, 2 zabiegi hemikolektomii prawostronnej, 1 resekcja przednia oraz 2 operacje przepukliny pachwinowej. Ilość czasu spędzonego na zadaniach chirurgicznych był równo podzielony pomiędzy mentorem i stażystą. Ponadto istniała możliwość jednoczesnego operowania przez obu chirurgów. Skorzystano z komercyjnie dostępnej sieci o przepustowości 15 Mb/s. Średnie opóźnienie wynosiło 135-140 ms, zaś robotem medycznym wykorzystywanym we wszystkich przypadkach był ZEUS. Prace dra Anvari wykazały, że powszechnie dostępna telechirurgia jest możliwa, choć w tym przypadku zastosowana była jako uzupełnienie telementoringu, służące do kształcenia przyszłych lekarzy.

Operacje w trudnych warunkach

Poza przeprowadzaniem coraz bardziej skomplikowanych operacji, technologia ta przynosi szereg ułatwień zarówno dla lekarzy jak i pacjentów. Korzystając z telechirurgii fizyczna odległość staje się nieważna. Pacjenci nie muszą więc być transportowani do innych szpitali, a chirurdzy mogą dokonywać zabiegów bez potrzeby przemieszczania się w miejsca trudno dostępne ze względu na sytuację polityczną lub ogarnięte działaniami wojennymi. Obecnie w Iraku armia amerykańska wykorzystuje technologię teleoperacji w formie mentoringu, doradztwa w trudnych przypadkach. Lekarz znajdujący się na terenie bazy wojskowej ma możliwość dokładnej konsultacji podczas operacji z lekarzami z USA.

Operacje wymagające szczególnej precyzji

Teleoperacje mogą być stosowane w zabiegach, gdzie potrzebna jest szczególnie wysoka precyzja działania. Jak dowiedziono bowiem w londyńskim Guy's Hospital roboty medyczne posiadają analogiczną a czasem nawet przewyższającą precyzję ruchów od ludzkiej ręki. Daje to możliwość znacznego podwyższenia jakości usług medycznych. Przeszkodą w obecnych czasach jest jednak wysoki koszt systemu telechirurgicznego oraz nadal ograniczenia w technologii, w wyniku czego stosuje się ją głównie w formie konsultacji lekarskich w trakcie operacji.

Ograniczenia teleoperacji

Zdalne operacje nie są technologią powszechnie wykorzystywaną w szpitalach ze względu na wysokie koszty. Nadal pozostają one w sferze badań i testów przez ośrodki naukowe i koncerny medyczne. Zanim ta dziedzina się upowszechni, podjęte będą musiały być działania mające na celu standaryzację oraz zapewnienie kompatybilności wszystkich obecnych na rynku systemów. Opracowany musi być także program szkoleń dla lekarzy. Rosnąca popularność robotów medycznych jak Da Vinci powoduje, że stosowanie zdalnych operacji na szerszą skalę staje się coraz bardziej możliwe. Obecna technika pozwala jednak na korzystanie z osiągnięć robotyki tylko przy rutynowych, nieskomplikowanych zabiegach. Mimo prowadzenia operacji na odległość, na sali operacyjnej w dalszym ciągu konieczna jest obecność anastezjologa oraz chirurga „zapasowego”, który jest w stanie przejąć zadania niezakończone przez robota z powodu usterek lub kłopotów z komunikacją. Niemniej jednak, okazało się, że „Operacja Lindebergh'a” zapoczątkowała technologię, pozwalającą na świadczenie opieki specjalistycznej w odległych regionach świata.

Szczególnym czynnikiem ograniczającym stosowalność teleoperacji jest jakość połączenia sieciowego między szpitalami oraz opóźnienie transmisji. Na to opóźnienie wpływ ma szybkość przesyłu danych oraz działanie algorytmów kompresujących sygnał audiowizualny. Chirurg wykonujący operację musi dostosować szybkość ruchów ręki w celu zminimalizowania czasu między użyciem manipulatora a rzeczywistym ruchem ramienia robota oraz obrazem tego ruchu na ekranie monitora. Wskutek badań przeprowadzonych przez angielskich i kanadyjskich naukowców (polegających na teleoperacyjnych zabiegach na 18 świniach) okazało się jednak, iż zarówno w przypadku połączenia satelitarnego o wysokim czasie opóźnienia (ok. 550 ms) jak i w połączeniu naziemnym (ok. 60 ms) nie odnotowano znaczących różnic w czasie trwania zabiegu oraz wykazano, że doświadczeni chirurdzy posiadają zdolność dostosowywania się do różnych warunków czasu opóźnienia. Ponadto doświadczalnie dowiedziono, że przy prędkości łącza 4Mb/s lub mniejszej przeprowadzenie teleoperacji nie jest możliwe.

Aspekty prawne

Istnieją pewne prawne wątpliwości dotyczące wykonywania teleoperacji. Regulacji wymaga kwestia odpowiedzialności za przeprowadzanie zdalnych zabiegów. Nie jest bowiem ustalone czy za operację odpowiada chirurg znajdujący się po stronie pacjenta i nadzorujący jego stan, czy też lekarz sterujący systemem telemedycznym na odległość oraz kto powinien wziąć odpowiedzialność w przypadku niepowodzenia. Rozważana jest także kwestia odpowiedzialności w przypadku telementoringu, zdalnego asystowania podczas operacji. Nie ma również jasno określonych procedur w przypadku nagłego przerwania komunikacji. Wątpliwości budzą także zabezpieczenia połączeń VPN (potrzebne są odpowiednie algorytmy szyfrowania zdolne do ochrony przed atakami hakerów), które są wykorzystywane w teleoperacjach.

Przyszłość

Przewiduje się, że teleoperacje staną się bardziej powszechne wraz z rozwojem sieci o niskich wartościach opóźnienia, algorytmów o lepszej efektywności przetwarzania obrazu i dźwięku oraz zaawansowania technologicznego robotów chirurgicznych. Już dziś można sterować robotami medycznymi za pomocą głosu. Coraz powszechniejsze jest także wykorzystanie technologii haptycznej, która dostarcza lekarzowi sprzężenia zwrotnego. Precyzyjne operowanie narzędziami chirurgicznymi opiera się bowiem na otrzymywaniu reakcji środowiska informującej o sile nacisku lub oporze. Używając manipulatorów konsoli lekarz jest pozbawiony tych informacji. Dlatego dąży się do stworzenia takich kontrolerów, które pozwolą na odczuwanie sprzężenia zwrotnego od pacjenta. Wszystko po to, by teleoperacja w jak największym stopniu przypominała zwykłą operację i aby wyeliminować czynniki mogące powodować błędy. A więc gdy chirurg wykona nacięcie za pomocą robota odczuje to tak, jakby robił to bezpośrednio. Technologia zdalnych operacji daje możliwość przeprowadzenia zabiegu z dowolnej odległości, również gdy pacjent znajduje się w przestrzeni kosmicznej. Obecnie prowadzone są pierwsze eksperymenty, badające możliwości wykorzystania teleoperacji w stanie nieważkości.

Jednak przede wszystkim ten rodzaj świadczenia pomocy medycznej musi być zaakceptowany przez lekarzy oraz przez nich stosowany co wiązałoby się ze stopniowym obniżeniem kosztów. W przyszłości będą przeprowadzane zabiegi, w których operujący chirurg będzie miał możliwość skorzystania ze zdalnej pomocy bardziej doświadczonego kolegi znajdującego się w innym budynku, kraju, czy kontynencie. Powinno to być przy tym tak proste jak konsultacje telefoniczne, zapewniając wyższy poziom świadczenia usług medycznych.

Koszty

Koszt „Operacji Lindbergh” przy uwzględnieniu czynników odległościowych wynosił ok. miliona dolarów. Ponieważ systemy teleoperacyjne wykorzystywane współcześnie składają się z wielu eksperymentalnych technologii trudno jest dokładnie przewidzieć koszt takich narzędzi w przyszłości. Pewne oszacowania zostały już jednak wykonane. Na przykład robot medyczny „Da Vinci” to koszt 800 000 dolarów a dodatkowe koszty utrzymania wynoszą 100 000 dolarów rocznie. Doliczyć należy również 1 500 – 2000 dolarów za każdy zabieg przeprowadzony przy pomocy robota. Przewiduje się, że największe oszczędności przyniesie zmniejszenie liczby personelu niezbędnego do przeprowadzenia operacji, jednak pieniądze te będą musiały być zainwestowane w szkolenia lekarzy i ćwiczenia z posługiwania się tą technologią.

Teleoperacje w Polsce

W Polsce również prowadzone są eksperymenty i prace nad wykorzystaniem teleoperacji w codziennej działalności szpitali. Pierwsza w kraju symulacja zdalnej operacji miała miejsce 10 grudnia 2010 roku w Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu. Za konsolą budowanego przez fundację robota kardiochirurgicznego Robin Heart usiadła kardiochirurg, doktor Joanna Śliwka. Sterowała ona narzędziem do elektokoagulacji (nożem termicznym) zamieszczonym na ramieniu robota, znajdującego się w oddalonym o ok. 30 km, Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. Pacjentem był sztuczny szkielet z umieszczonym w klatce piersiowej świńskim sercem. Opóźnienie podczas teleoperacji wynosiło niecałe 280 ms, zaś do transmisji wykorzystano łącze radiowe. Kierownikiem projektu był dr Zbigniew Nawrat z Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii. Pod jego wodzą powstał także, wykorzystywany w zabiegu jedyny, tworzony w Europie robot kardiochirurgiczny Robin Heart Vision. Projekt trwa od 2000 roku, nadal jednak ze względu na brak wsparcia finansowego nie ma możliwości jego wdrożenia w szpitalach.

Zobacz też

• Przykładowy link

{{Przypisy}} Nieprawidłowe pola: przypisy.

Bibliografia

• Vitor da Silva, Tom McGregor, Reiza Rayman, Patrick PW Luke: Telesurgery: Future or Fiction?. W: Seung Hyuk Baik: Robot Surgery. InTech, 2010. DOI: 10.5772/6895. ISBN 978-953-7619-77-0. (ang.).brak strony w książce

• David Holt, Ali Zaidi, Joy Abramson, Ron Somogy. Telesurgery: Advances And Trends. „University of Toronto Medical Journal”. 82 (1), Grudzień 2004. (ang.). brak numeru strony

• Jacques Marescaux: Telesurgery. Springer, 2008, s. 1-32. DOI: 10.1007/978-3-540-72999-0. ISBN 978-3-540-72998-3. (ang.).

Linki zewnętrzne

• Tutaj możesz podać linki do stron WWW niebędących źródłem informacji występujących w artykule, ale istotnie go uzupełniających