Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Nový chirurgický robot přenáší operatérovi hmatový vjem

K nejdůležitějším, ale také nejnáročnějším a nejdražším servisním robotům pro profesio­nální použití patří chirurgické roboty. V Německém středisku pro letectví a kosmonautiku (DLR) byl s využitím kosmické techniky vyvinut zajímavý chirurgický robot nové generace s mnoha pokročilými funkcemi, který míří do sériové výroby.

 Podle Mezinárodní federace robotiky (IFR) byly ve světě v roce 2014 prodány roboty pro lékařské účely za více než 1,3 milionu amerických dolarů a zájem o ně trvale roste zejména proto, že nabízejí čím dál pokročilejší funkce a snazší ovládání. K nejnovějším patří chirurgické roboty, které pracují s hmatovými vjemy. Chirurg sedí u konzole a robotické paže realizují na těle pacienta velmi přesně úkony podle chirurgových povelů – provádějí přesné řezy, vkládají šrouby nebo sešívají v nejmenším možném prostoru jednotlivé žíly a cévy. Přitom lékař cítí na svém ovladači přesně to, co hroty operačních nástrojů vedených robotem vykonávají, tak jako kdyby je sám držel v rukou.

Velmi pokročilý chirurgický robot uvedené nejnovější generace vyvinuli s využitím kosmické techniky odborníci Německého střediska pro letectví a kosmonautiku (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – DLR). „Náš chirugický robot MIRO usnadňuje chirurgům práci např. tím, že odfiltruje malé nepřesnosti pohybů lidské ruky nebo aktuální pohyby ruky chirurga vykoná velmi přesně ve zmenšeném měřítku a tak operace optimalizuje. Robot a člověk při operaci spolupracují společně doslova ruku v ruce,“ zdůrazňuje prof. Alin Albu-Schäffer, vedoucí Ústavu robotiky a mechatroniky DLR (Institute Robotik und Mechatronik, dále IRM), kde robot MIRO vznikl. Licence na výrobu chirurgického robotu MIRO byla nedávno prodána ke komerčnímu využití americké společnosti Medtronics, největšímu výrobci lékařské techniky na světě, která současný prototyp robotického systému MIRO postavený v IRM připraví pro sériovou výrobu tak, aby mohla nový chirurgický robot uvést v příštích letech na trh. Nabídkou tohoto robotu chce společost Medtronics zejména podpořit a urychlit přechod od invazivních k minimálně invazivním operačním technikám.

 Přesně a s pohmatem

Chirurgický robot MIRO se třemi pracovními rameny (obr. 1) má tytéž pohybové klouby a také schopnost velmi jemně a s citem působit na své okolí jako jeho vzor, kosmický robot Justin, vyvinutý také v IRM. Četné snímače uvnitř robotu zajišťují, aby všechy doteky robotické paže nesoucí nástroje s okolím byly v reálném čase zpětně hlášeny na konzoli operátora (obr. 2). Robot MIRO podporuje chirurga zejména při minimálně invazivních operacích, při nichž chirurg musí pokud možno malými řezy zavést dlouhé chirurgické nástroje na příslušné místo v lidském těle. Lékař provádí operaci prostřednictvím ovládací konzole, přičemž na displeji sleduje trojrozměrný endoskopický snímek operovaného místa a řídí pohyby operačního nástroje se stejnými pocity, jako by ho držel v ruce (obr. 3). Pro chirurga to znamená intuitivnější a cítěné operování velmi podobné skutečnému. Tím roste šance na odstranění pouze škodlivé tkáně, zatínco zdravá tkáň zůstane v podstatě nepoškozená.

Kosmická technika pro lékařství

Základy chirurgického robotu MIRO pocházejí z kosmonautiky. V kosmickém výzkumu pracují výzkumníci a konstruktéři IRM aktuálně na tom, aby bylo možné robot ve vesmíru dálkově ovládat ze Země nebo robot instalovaný na Zemi dálkově ovládat třeba z mezinárodní vesmírné stanice ISS a aby obsluha robotu přitom měla pocit, jako by byla v místě jeho použití (teleprezence). Při zkoušce v reálu mohl kosmonaut z mezinárodní stanice ISS s použitím páčkového ovladače Kontur-2 v srpnu 2015 ovládat robot instalovaný na Zemi a v kosmu cítit, zda rameno robotu při pohybu např. nenaráží na odpor. „Zvláštností námi použitého uspořádání je zpětný přenos hmatového vjemu, který lidské obsluze umožňuje přesně vnímat interakční síly robotu s okolím a intuitivně ho ovládat,“ říká prof. Alin Albu-Schäffer. Funkce přenosu hmatového vjemu obsluze umožňuje protřednictvím robotu citlivě provádět mnoho rozličných manipulačních úkonů, od přesunutí řadicí páky přes jemné zašroubování šroubů až po manipulaci s citlivými elektronickými součástmi. Ačkoliv původním záměrem bylo umožnit provádění oprav ve vesmíru ze Země (tzv. on-orbit servicing), je vyvinutá metoda stejně vhodná i pro četné pozemní úlohy, jako např. údržbu průmyslových zařízení na ropných plošinách nebo minimálně invazivní robotickou chirurgii. Získané zkušenosti byly následně využity v chirurgickém robotu MIRO. V lékařství přitom nejde o překonání velké vzdálenosti mezi robotem a jeho obsluhou, nýbrž o překonání bariéry lidského těla, protože operační místo je při zákroku většinou jen těžko dostupné, a i přesto musí být robot schopen velmi přesně vykonávat často i filigránské pohyby.

Pracovníci IRM nyní sedí stále častěji společně se zkušenými chirurgy u konzole chirurgického robotu a na silikonovém modelu srdce či na jiné umělé tkáni ověřují způsoby použití chirurgického robotu při typických operačních úkonech. Specialisté na operace páteře zkoušejí použít robot k opravě obratlů nebo ke vkládání malých šroubů do materiá­lu kostí. Díky těmto a podobným pečlivým zkouškám v prostředí blízkém reálnému se pracovníkům IRM úspěšně daří nacházet řešení maximálně uspokojující velké požadavky uživatelů. 

Náměty pro lékařskou robotiku budoucnosti

Projekt vývoje chirurgického robotu byl podporován mj. z prostředků Helmholtzova validačního fondu (Helmholtz Validierungsfond), který se zaměřuje na překlenutí mezery mezi vědeckými poznatky na jedné straně a požadavky podniků na hospodářsky zhodnotitelné výsledky výzkumu na straně druhé. „V případě robotického systému MIRO se nám podařilo dostat velký výzkumný projekt do takového stavu, že přes držitele licence bude brzy uveden na trh a tím bude úspěšně zakončen transfer výzkumu do komerčního využití ku prospěchu pacientů,“ zdůrazňuje Dr. Rolf-Dieter Fischer, vedoucí útvaru marketingu v IRM.

S prodejem licence ovšem výzkumné práce v oboru lékařské robotiky v DLR nekončí. Pracovníci IRM již myslí na další možnosti, jak by robot mohl člověka podporovat: „Aktuálně vyvíjíme další systémové i aplikační programy, které robotu MIRO umožní větší autonomii,“ objasňuje prof. Alin Albu-Schäffer. V budoucnu by poté mohl robot na povel chirurga provádět určité částečné zákroky zcela autonomě, jako např. vést velmi přesně určité řezy nebo ošetřovat větší plochy tkání.

[DLR-Technologie für den Roboter-Einsatz am Operationstisch. Presseinformation DLR, 21. 6. 2016.]

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. Prototyp chirurgického robotu MIRO v sestavě se třemi pracovními rameny při ověřovacích zkouškách na modelech tkání lidského těla (foto: DLR)

Obr. 2. Robot MIRO je vybaven snímači přenášejícími informaci o všech dotecích robotické paže nesoucí nástroje s okolím v reálném čase nazpět na konzoli operátora (foto: DLR)

Obr. 3. Chirurg operuje prostřednictvím ovládací konzole a robotu MIRO na dálku s pocitem, jako by sám držel nástroje v rukou (foto: DLR)