Доверите ли вы своё тело роботу-хирургу?

В поблескивающей красной пещере брюшной полости пациента хирург Майкл Стайфелман [Michael Stifelman] аккуратно направляет две роботизированные руки завязать узел на нити. Он управляет третьей рукой с иголкой, зашивая отверстие в почке пациента, где раньше была опухоль. Ещё один манипулятор держит эндоскоп, отправляющий видео на дисплей Стайфелмана. Каждая роборука входит в тело через крохотный разрез в 5 миллиметров шириной.

Наблюдать за этой сложной процедурой – значит, дивиться тому, чего можно достичь, работая с роботом в тандеме. Стайелман, директор Центра роботизированной хирургии Лэнгона в Нью-йоркском университете, проведший уже несколько тысяч хирургических операций при помощи робота, орудует манипуляторами при помощи панели управления. Повернув запястье и сведя пальцы вместе, он заставляет инструмент внутри тела повторять те же самые движения, только в гораздо меньшем масштабе. «Робот составляет со мною одно целое»,- утверждает Стайфелман, пока его механические придатки завязывают ещё один узел.

Но некоторые робототехники, наблюдая за этими ловкими движениями, увидели бы не чудо, а потерянный потенциал. Стайфелман – это тренированный эксперт с ценными умениями и опытом принятия решений. Но он тратит своё драгоценное время на зашивание, доводку после основной хирургической операции. Если бы робот смог сам проводить эту монотонную процедуру, хирург бы освободился для более важных вещей.

Сегодняшние роботы расширяют возможности хирурга; они отфильтровывают дрожь в руках и позволяют делать такие движения, которые бы не выполнил и лучший врач при лапароскопии с её длинными и тонкими инструментами (получившими прозвище «палочки для еды»). Но при этом, робот – всего лишь более хитроумный инструмент под прямым управлением человека. Дэннис Фаулер [Dennis Fowler], исполнительный вице-президент компании Titan Medical, изготавливающей робохирургов, считает, что медицине было бы лучше, если бы роботы стали автономными, начали сами принимать решения и выполнять назначенные им задания независимо. «Это технологическое улучшение должно добавить надёжности и уменьшить количество ошибок, происходящих из-за людей»,- говорит Фаулер, проработавший хирургом 32 года до того, как перейти в эту отрасль.

Дать роботам такое повышение в должности – не слишком отдаленная перспектива. Большая часть технологий активно разрабатывается в научных и промышленных лабораториях. Работая пока с резиновыми моделями людей, экспериментальные роботы зашивают и чистят раны, вырезают опухоли. Некоторые соревнования между ними и людьми уже показали, что роботы работают точнее и эффективнее. В прошлом месяце роботизированная система в госпитале Вашингтона продемонстрировала такой результат, зашивая настоящую ткань, взятую из кишечника свиньи. Исследователи сравнили работу автономного бота и хирурга, и нашли, что стежки бота были равномернее и плотнее закрывали разрез.

Хотя эти системы совершенно не готовы для использования на людях, они могут представлять будущее хирургии. Тема скользкая, поскольку она подразумевает потерю хирургами работы. Но в операционной — как на сборочном конвейере: если автоматизация улучшает результаты, её не остановишь.

Гутан Ашрафиан [Hutan Ashrafian], хирург по удалению частей пищеварительной системы для сброса лишнего веса и преподаватель в Имперском колледже Лондона, изучает результаты робохирургии и часто пишет о потенциале ИИ в здравоохранении: «Я всё время об этом думаю»,- признаётся он. Он считает, что пришествие робохирургов неизбежно, оставаясь, все же, осторожным в выборе формулировок. В обозримом будущем Ашрафиан ожидает от робохирургов выполнения простых задач по команде хирурга. «Наша цель – улучшить результаты операций. Если использование робота приводит к спасению жизней и уменьшению рисков, то мы будем обязаны применять эти устройства».

Ашрафиан смотрит и в будущее: по его словам, вполне возможно, что в медицине появятся роботы следующего поколения, которые смогут сами принимать решения посредством настоящего ИИ. Такие машины смогут не только выполнять рутинные задачи, но и делать операции целиком. Это выглядит маловероятным, по словам Ашрафиана, но путь технических инноваций может привести нас и туда. «Это пошаговый процесс, и каждый из шажочков не такой уж и большой,- говорит он. – Но хирург из 1960 года не узнал бы ничего в моей сегодняшней операционной. А через 50 лет, по моему мнению, мир хирургии будет другим».

Робохирурги уже принимают решения и действуют независимо чаще, чем вы себе представляли. При коррекции зрения автоматическая система отрезает лоскут роговицы и выдаёт серию лазерных импульсов для изменения формы внутреннего слоя. При замене коленей роботы режут кости с большей точностью, чем люди-хирурги. В дорогих клиниках по пересадке волос робот выявляет здоровые волосяные фолликулы на голове, собирает их и готовит облысевший участок для имплантатов, проделывая небольшие отверстия в голове по определённому шаблону, избавляя доктора от многих часов рутины.

Операции с мягкими тканями в груди, брюшной полости и тазовой области пока ещё представляют проблему. Анатомия людей немного разнится, и автономному роботу придётся очень хорошо разбираться в мягких внутренних тканях и змеящихся сосудах. Более того, внутренние органы пациента могут передвигаться во время операций, поэтому роботу будет нужно постоянно корректировать план операции.

Он также должен надёжно вести себя в критических ситуациях. Эта задача была продемонстрирована в центре хирургии нью-йоркского университета, где Стайфелман отпустил артериальный зажим, перекрывавший кровоток к почке во время удаления опухоли. «Теперь нужно убедиться, что мы не истекаем кровью»,- говорит он, управляя эндоскопом вокруг органа. Большинство швов выглядит неплохо, но внезапно на экране появляется красный фонтанчик. «Ого, видали? Давайте ещё нить»,- говорит он ассистенту. Перекрыв быстрым стежком поток, Стайфелман может завершать операцию.

Для него это часть ежедневной работы, но как справится с неожиданной ситуацией робохирург? Его системе компьютерного зрения нужно будет распознавать в фонтанчике крови серьёзную проблему. Затем ПО, принимающее решения, должно будет решить, как заштопать разрыв. Затем вступят в работу инструменты, среди которых будет игла и нить. И наконец, оценивающая программа оценит результаты, и определит, нужны ли дополнительные действия. Настроить робота на отличное выполнение каждого из этих шагов – измерение данных, принятие решений, действия и оценка – большая и трудная инженерная задача.

Стайфелман, сейчас работающий в Медицинском центре Хакенсаковского университета в Нью-Джерси, делал операции в Нью-Йоркском университете при помощи робота "да Винчи". Эта машина от компании Intuitive Surgical стоит до 2,5 миллионов долларов, и является единственной роботизированной системой для операций на мягких тканях, одобренной в США. Пока «да Винчи» доминирует на рынке – уже 3600 таких аппаратов работает по всему миру. Но его путь к успеху не всегда был гладким. Пациенты подавали в суд из-за проблем на операционных столах, одно исследование утверждало, что об этих инцидентах сообщали не всегда. Некоторые хирурги спорят, приносят ли робохирурги реальные преимущества в лапароскопических операциях, цитируя конфликтующие друг с другом исследования результатов операций в различных случаях. Несмотря на эти споры, многие госпитали приняли у себя технологию от Intuitive, и многие пациенты стремятся к ней.

«да Винчи» полностью контролируется хирургом, его манипуляторы из пластика и металла остаются недвижимыми, пока доктор не возьмётся за рычаги на пульте. Intuitive хочет всё так пока и оставить, как объясняет Саймон Димайо, управляющий отделом исследований и разработок передовых систем компании. Но, добавляет он, эксперты по робототехнике уже приближают будущее, в котором хирурги будут оперировать с «увеличивающимся уровнем помощи и направления от компьютера».

Димао сравнивает исследование в этой области с ранними разработками робомобилей. «Первые шаги это – распознавание разметки, препятствий, машин и пешеходов»,- отмечает он. Затем инженеры создали машины, помогающие водителям распознавать окружающую обстановку – например, машина, знающая о расположении окружающих машин, может предупредить водителя при попытке сменить полосу движения, когда это делать нежелательно. Роботам-хирургам, чтобы выдавать такие же замечания – предупреждая человека, инструменты которого отклонились от типичного пути – нужно стать гораздо умнее. К счастью, многие машины уже обучаются.

Робохирург в углу лаборатории Калифорнийского университета в Беркли пока не умеет завязывать узлы, но зашивает он уже хорошо. Работая с эмулятором плоти, один манипулятор проводит изогнутую желтую иглу через края «раны». Второй вытягивает иглу, появляющуюся из «плоти», чтобы затянуть нить. Их не направляют человеческие руки, а их путь не просчитывает мозг. Автономный робот затем передаёт иглу обратно и всё начинается заново.

В то время как робот продолжает работать, по лаборатории носится Кен Голдберг, похожий на профессора из Маппет-шоу. Голдберг, глава лаборатории Беркли по автоматизации и инженерным исследованиям, профессор в четырёх областях, включая электротехнику и искусство, имеет репутацию человека, способного добиваться от роботов удивительных результатов. На стене лаборатории висит написанный одним из его ранних роботов портрет, где его лицо и торс выведены неуклюжими синими и красными мазками.

Пока что «плоть», зашиваемая роботом — это всего лишь розовая резина. Но технология уже вполне реальна. В 2012 году Intuitive начали дарить бывшие в употреблении системы «да Винчи» исследователям в университетах всего мира. И когда Голдбер обучает своего «да Винчи» независимому выполнению операций, те же алгоритмы теоретически могут управлять и реальными системами при операциях на живых пациентах. «Мы пока ездим по тестовому полигону,- говорит Голдберг,- но однажды мы выедем и на дорогу». Он верит, что простейшие операции будут автоматизированы в ближайшие 10 лет.

Чтобы выполнить задачу автономного зашивания, голдберговский «да Винчи» подсчитывает оптимальные точки входа и выхода каждого стежка и траекторию иглы, отслеживая её движение при помощи сенсоров и камер. Игла выкрашена в ярко-жёлтый, чтобы компьютер её лучше распознавал. И всё равно задача остаётся непростой. Опубликованные результаты работы говорят, что робот завершил лишь 50% процедур по созданию четырёх стежков, обычно второй манипулятор не мог захватить иглу или запутывал её в нити.

Профессор уточняет, что даже если роботы хорошо научатся выполнять простые операции, он всё равно считает нужным присутствие живых хирургов в качестве наблюдателей. Ему видится «автономия под надзором». «Хирург всё равно отвечает за операцию,- говорит он,- но низкоуровневые аспекты процедуры выполняет робот». Если роботы будут делать тяжёлую монотонную работу с точностью и неизменным качеством – «сравните работу швейной машинки с ручным швом» – объединение машины с человеком сможет создать суперхирурга.

Уже скоро, по словам Голдберга, роботы достигнут качества, необходимого для больниц, поскольку они начинают учиться самостоятельно. В последнем эксперименте по обучению через наблюдение, «да Винчи» записывал данные операций, проводимых восемью хирургами различного класса, когда те накладывали по четыре стежка при помощи манипуляторов. Алгоритм обучения извлёк визуальные и кинематические данные, разделил операцию на шаги (размещение иглы, давление на иглу, и прочие), чтобы выполнять их последовательно. Таким образом «да Винчи» может, в принципе, научиться любой хирургической процедуре.

Голдберг уверен, что обучение через наблюдение – единственный эффективный подход. «Мы думаем, что сейчас машинное обучение – самая интересная тема,- говорит он,- поскольку создание алгоритмов снизу вверх не масштабируется». Конечно, задач очень много, и сложные задачи потребуют у роботов обработки данных тысяч операций. Но данных достаточно. Каждый год хирурги проводят по 500 000 операций с использованием «да Винчи». Что, если они поделились бы данными со всех операций (с сохранением приватности пациентов), позволив ИИ обучаться? Каждый раз при использовании хирургом вспомогательного робота для успешного наложения швов на почку, например, ИИ мог бы улучшить своё понимание этой процедуры. «Система могла бы извлекать данные, улучшать алгоритмы, подправлять задачу,- говорит Голдберг. Мы бы все вместе умнели».

Автоматизация в операционной не обязательно должна включать иголку, скальпель или ещё что-то острое и опасное. Две компании, выводящие на рынок робохирургов, разработали камеры, которые автоматически двигаются, выдавая хирургу удобную картинку операции, будто читая его мысли. Сегодня хирурги, используя машину «да Винчи», пока ещё останавливаются, чтобы передвинуть камеру или попросить об этом ассистента.

TransEnterix из Моррисвиля, стремится потягаться с «да Винчи» со своей системой Alf-X, уже доступной в Европе. Система включает отслеживание глаз, встроенное в пульт управления, и контролирует эндоскоп – тонкую оптоволоконную камеру, проникающую в тело пациента. Когда хирург просматривает изображение на экране, Alf-X двигает камеру так, чтобы то, что интересует хирурга, оставалось по центру экрана. «Глаза хирурга становятся компьютерной мышью»,- говорит Энтони Фернандо [Anthony Fernando], директор по технологиям TransEnterix.

Система Sport Surgical System от Titan Medical из Торонто практикует другой подход к автоматизации изображения. Эта система внедряет небольшие камеры в полость тела, и они вращаются и наводятся в зависимости от положения инструментов хирурга. Такой тип автоматизации – удобный первый шаг к робохирургам, считает Фаулер, представитель компании. И против него, скорее всего, не будут возражать регуляторы. Фаулер уверен, что когда компания подаст заявку на одобрение своей техники в Европе в этом году, и в США – в следующем, система камер не вызовет никаких вопросов. «Но если автоматизация будет означать, что компьютер контролирует инструмент, делающий разрез – тогда такая система потребует дополнительного тестирования»,- говорит он.

Intuitive ждут вызовы и от крупных соперников. Medtronic, один из крупнейших в мире производителей медицинских устройств, разрабатывает робохирургическую систему, про которую пока никому не рассказывает. Google в прошлом году объединился с Johnson & Johnson для запуска Verb Surgical – системы с «передовыми возможностями роботов», как говорится в пресс-релизе. Аналитики на основе такой активности предсказывают бум на рынке. В недавнем отчёте WinterGreen Research сказано, что мировой рынок для роботов, делающих операции в брюшной полости («да Винчи» и его соперники) вырастет с $2,2 миллиардов в 2014 году до $10,5 миллиардов к 2021 году.

Если прогноз оправдается, и робохирурги станут обычным делом в операционных, естественно, мы станем доверять им всё более сложные задачи. А если они покажут, что на них можно положиться, роль людей-хирургов может сильно измениться. Когда-нибудь хирурги смогут встречаться с пациентами и вырабатывать курс лечения, а затем лишь наблюдать, как роботы выполняют их команды.

Гутан Ашрафиан [Hutan Ashrafian], хирург по удалению частей пищеварительной системы для сброса лишнего веса говорит, что профессиональное сообщетсво с готовностью воспримет эти перемены. История медицины показывает, что хирурги «всегда с восторгом улучшают свою эффективность», говорит он, и добавляет, что они готовы принимать любые полезные инструменты. «Никто уже не оперирует одним лишь скальпелем»,- произносит Ашрафиан с иронией. Если независимые роботы научатся выполнять хирургические задачи достаточно хорошо, сработает этот же принцип. В поисках совершенства хирурги однажды могут вообще выпустить из своих рук хирургию.

Автор: SLY_G

Источник