CC BY
35
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ
НАУКИ
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2019
Бубеев Ю.А.1, Ходырева Л.А.2, Турзин П.С.2, Комаревцев В.Н.3,4, Ушаков И.Б.5
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТ-АССИСТИРОВАННЫХ ПОДХОДОВ ДЛЯ МАЛОИНВАЗИВНЫХ ВМЕШАТЕЛЬСТВ В ОРБИТАЛЬНЫХ ПОЛЕТАХ
'Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Государственный научный центр Российской Федерации - институт медико-биологических проблем Российской академии наук», 123007, Москва; Государственное бюджетное учреждение города Москвы «Научно-исследовательский институт организации здравоохранения и медицинского менеджмента Департамента здравоохранения города Москвы», 115088, Москва 3Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский центр медицины катастроф «Защита» Министерства здравоохранения Российской Федерации, 123182, Москва 4Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научно-клинический центр спортивной медицины и реабилитации Федерального медико-биологического агентства», 121059, Москва 5Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна Федерального медико-биологического агентства», 123182, г. Москва
Рассмотрены особенности применения в орбитальном полете робот-ассистированных технологий и апробированные в эксперименте прототипы. Отмечается перспективность применения данной инновационной медицинской технологии в сочетании с телемедицинскими технологиями для диагностики и выполнения малоинвазивных оперативных вмешательств в космическом полете силами специально подготовленных членов экипажа.
Ключевые слова: робототехническая система медицинского назначения, телемедицина;
пилотируемый космический полёт; медицинское обеспечение космонавтов; малоинвазивные вмешательства.
Для цитирования: Бубеев Ю.А., Ходырева Л.А., Турзин П.С., Комаревцев В.Н., Ушаков И.Б. Перспективы применения робот-ассистированных подходов для малоинвазивных вмешательств в орбитальных полетах. Медицина экстремальных ситуаций. 2019; 21(3): 410-415.
Для корреспонденции: Турзин Петр Степанович, доктор мед. наук, профессор, заслуженный врач РФ, ведущий научный сотрудник ГБУ «НИИ ОЗММ ДЗМ», 115088, г. Москва. E-mail: [email protected]
MEDICAL AND BIOLOGICAL SCIENCES
Bubeev Yu.A.1, Khodyreva L.A.2, Turzin P.S.2, Komarevtsev V.N.34, Ushakov I.B.5
PROSPECTS FOR APPLICATION OF ROBOT-ASSISTED APPROACHES FOR MINIMALLY INVASIVE INTERVENTIONS IN ORBITAL FLIGHTS
'State Scientific Center of the Russian Federation - Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences, Moscow, 123007, Russian Federation; 2Scientific Research Institute of Healthcare and Medical Management, Moscow, 109117, Russian Federation; 3All-Russian Center for Disaster Medicine "Protection", Moscow, 123182, Russian Federation; 4Federal Scientific and Clinical Center for Sports Medicine and Rehabilitation Federal Medical Biological Agency, Moscow, 121059, Russian Federation; 5A.I. Burnazyan Federal Medical Biophysical Center of the Federal Medical Biological Agency,
Moscow, 123182, Russian Federation
The features of the use of robot-assisted technologies in the orbitalflight and prototypes tested in the experiment are considered. The prospects of using this innovative medical technology in combination with telemedicine technologies for diagnosing and performing minimally invasive surgical interventions in space flight by specially trained crew members are noted.
Keywords: medical robotic system; telemedicine; manned space flight; medical support for astronauts; minimally invasive interventions.
For citation: Bubeev Yu.A., Khodyreva L.A., Turzin P.S., Komarevtsev V.N., Ushakov I.B. Prospects for application of robot-assisted approaches for minimally invasive interventions in orbital flights. Meditsina ekstremal'nykh situatsiy (Medicine of Extreme Situations, Russian journal) 2019; 21(3): 410-415. (In Russian).
For correspondence: Petr S. Turzin, MD, Ph.D., DSci., Professor, Honored Doctor of the Russian Federation, Leading Researcher of the Scientific Research Institute of Healthcare and Medical Management, Moscow, 115088, Russian federation. E-mail: [email protected]
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Acknowledgments. The study had no sponsorship. Received: April 17, 2019 Accepted: September 09, 2019
Введение
В настоящее время в медицине активно используются высокотехнологичные операции с применением различных робототехнических систем медицинского назначения (РТС МН), позволяющих осуществлять непосредственно или дистанционно миниинвазивные малотравматичные оперативные вмешательства и манипуляции в рамках робот-ассистиро-ванной хирургии. Также существенно повысилась активность по организации оказания медицинской помощи с применением телемедицинских технологий. Наиболее важные направления телемедицины - это телеконсультации в формате «врач-врач», проводимые для отбора пациентов на высокотехнологичное лечение, а также «врач-пациент» - оказание консультационной помощи высококвалифицированными специалистами, не заставляя больных совершать поездки.
Для специалистов в области космической медицины актуальна проблема организации
оказания медицинской (в том числе хирургической) помощи космонавту дистанционно, с помощью телеуправляемого робота, например такого, как «Зевс» (Zeus) [1]. Однако, если связь между хирургом на Земле и роботом будет потеряна, то управление системой должны будут взять на себя другие космонавты, находящиеся рядом с пострадавшим, которым будут давать подсказки врачи с Земли - по другим каналам связи с использованием современных телемедицинских технологий [2-4].
В связи с этим, представляется актуальным рассмотрение потенциальных возможностей использования инновационных РТС МН для оказания помощи в условиях орбитального космического полета.
Особенности взаимодействия врача с РТС МН
Выбор того или иного вида операции происходит после предварительной беседы врача и пациента, в ходе которой разбираются особенности заболевания и план предстоящей операции.
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
При проведении сравнительной оценки ро-бот-ассистированной (31 пациент), открытой (92 пациента) и лапароскопической (60 пациентов) резекции почки было выявлено, что на открытые и робот-ассистированные операции были направлены пациенты с заметно более «сложными» резекциями [5]. При сравнении робот-ассистированной и открытой операций оказалось, что последняя уступает по величине кровопотери, но превосходит её по продолжительности, в связи с чем робот-ассистированная операция не может быть рекомендована у пациентов с тяжелой соматической патологией.
Наряду с этим полученный опыт использования лапароскопических и роботических технологий в лечении 5 пациентов с синдромом компрессии чревного ствола показал, что применение малоинвазивного подхода способствует уменьшению операционной травмы, сокращению послеоперационного периода и низкой вероятности возникновений рецедивов [6].
Исследование, проведенное специалистами Имперского колледжа Лондона, показало, что робот-хирург позволяет действовать более точно и получать лучшие результаты [7]. В исследовании участвовали 27 пациентов, которых поделили на две группы: у 14 была проведена традиционная операция, а у 13 - операция с помощью робота «Acrobot». Хотя операции с Acrobot длились дольше, робот при работе с костями колена достигал такой точности, на которую способны лишь 40% хирургов-людей. При этом никаких побочных эффектов при использования робота обнаружено не было.
Робот-ассистированная хирургическая система «Да Винчи» («da Vinci») состоит из двух блоков, один из которых предназначен для врача хирурга, а второй - робот-манипулятор -является исполнительным устройством. Одна из «рук» робота держит видеокамеру, передающую изображение оперируемого участка, две другие в режиме реального времени воспроизводят совершаемые хирургом движения, а четвёртая «рука» выполняет функции ассистента хирурга. Масса аппарата - около 500 кг Врач-хирург находится за пультом, который даёт возможность видеть оперируемый участок в высоком разрешении и использует
специальные джойстики для управления инструментами. Инструменты, присоединенные к манипулятору робота, проводятся к зоне операции через 5-6 небольших кожных разрезов на передней брюшной стенке, длина каждого не превышает 1 см. После наполнения брюшной полости специальным газом в образовавшееся таким образом пространство проводят инструменты, присоединенные к манипуляторам робота. Движениями манипуляторов управляет врач при помощи специальных многофункциональных ручек-джойстиков. Следует понимать, что РТС МН не принимает решений и не совершает автономных действий. Все движения манипуляторов повторяют движения рук хирурга в копирующем режиме. Один из инструментов, проведенных через прокол в брюшной стенке, -эндоскопическая камера, обеспечивающая очень высокое качество визуализации операционного поля в трехмерном изображении. К очевидным преимуществам робот-ассистиро-ванной операции следует отнести улучшенные условия зрительного контроля области вмешательства и инструмента для оперирующего врача и точность воспроизводимых манипуляций, позволяющие обеспечить щадящий подход к выполнению оперативного вмешательства. Этапы операции, по существу, совпадают с таковыми при операции открытого доступа. К достоинствам РТС МН можно отнести:
• возможность повысить эффективность проведения операций, даже при выполнении длительных операций;
• обеспечение большей точности действий;
• исключение «трясущихся рук» и передачи случайных или ошибочных движений хирурга манипулятору;
• меньшая травматизация окружающих тканей [8].
Взаимодействие врача с РТС МН правомерно рассматривать с позиций построения антропоцентрической сложной эргатической системы, в которой врач управляет совокупностью технологически и функционально взаимосвязанных аппаратов и устройств. Управление технологическим процессом обеспечивается локальными системами автоматического управления. Особенности деятельности врача в этой
ситуации, как лица, принимающего решения и как оператора, следующие [9]:
• восприятие, переработка визуальной информации и принятие решений;
• высокая точность действий, скорость принятия решений и осуществления моторных функций;
• высокая ответственность за принятые решения и действия;
• высокая готовность к экстренным действиям;
• сенсорные, эмоциональные и интеллектуальные перегрузки;
• ограниченная двигательная активность;
• значительные мышечные нагрузки. Деятельность врача при применении РТС
МН включает компоненты следующих видов операторского труда:
• оператора-технолога, непосредственно включенного в технологический процесс и работающего в основном в режиме немедленного обслуживания, то есть контролирующего и регулирующего технологический процесс с целью поддержания его в заданных пределах;
• оператора-наблюдателя, в деятельности которого важное значение имеют информационные и концептуальные модели, а также процессы принятия решений;
• оператора-манипулятора, в деятельности которого большое значение имеет сенсомотор-ная координация и моторные (двигательные) навыки, хотя используется и аппарат понятийного и образного мышления.
Проблема применения бортовых медицинских роботов и тренажеров-симуляторов
Первыми прооперировали человека в моделируемой невесомости 27 сентября 2006 г французские хирурги [10]. Бригада из пяти врачей на самолёте A300 Zero-G успешно удалила жировую опухоль из предплечья пациента. Оперировать пришлось в 32 захода — именно столько понадобилось 22-секундных периодов невесомости.
Робот-хирург M7 впервые был испытан NASA в невесомости в 2007 г. на борту самолёта C-9 [11].
MEDICAL AND BIOLOGICAL SCIENCES
В подводной лаборатории Aquarius и в рамках ряда других экспериментов NASA апробировались системы M7, Zeus, Raven в процессе проведения хирургических операций, в том числе и дистанционно. В настоящее время за рубежом разработаны многочисленные портативные варианты телеуправляемых роботов различного предназначения [1, 11].
Отечественными авторами рассмотрены возможности применения космической робототехники в пилотируемых полетах в составе средств медицинского обеспечения экипажей, в частности с использованием бортовых медицинских роботов, построенных на основе технологий роботизированных биотехнических систем [12].
Обсуждаются возможности применения на российском сегменте Международной космической станции высокотехнологичных бортовых тренажеров, предназначенных для выработки и сохранения у членов экипажа практических навыков оказания неотложной медицинской помощи в условиях космического полета [13]. Предлагается формировать и сохранять знания, умения и навыки оказания неотложной медицинской помощи с использованием передовых образовательных технологий у членов экипажа МКС, что будет, безусловно, способствовать поддержанию постоянной готовности космонавтов к оказанию медицинской помощи при возникновении заболеваний и травм. Также признано актуальным проведение в полете обучения и тренировок космонавтов с применением медицинских роботов-симуляторов. По результатам анализа современных тенденций совершенствования технологий профессиональной подготовки медицинского персонала и тестирования достижения требуемых уровней компетентности выполнен выбор бортовых средств имитационного моделирования медицинских бортовых тренажеров на базе роботов-симуляторов.
В то же время очевидно, что вопрос применения медицинских роботов в космическом полете для бортовых тренировок космонавтов требует дополнительного изучения с учетом возможных медицинских рисков.
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рекомендации по подготовке к использованию бортовых РТС МН
Предполагается, что взаимодействие с бортовой РТС МН будет возможно осуществлять как космонавту-врачу, так и в особых случаях космонавту без базового медицинского образования, но при наличии у него специальной наземной подготовки к эксплуатации РТС МН, а также действующему с использованием телемедицинских консультаций с Земли.
Один из проблемных вопросов - каким образом придется осуществлять наземную подготовку экипажа орбитальной станции по данному направлению оказания медицинской помощи.
С этой целью полезно иметь в виду существующий опыт применения симуляционных образовательных технологий [14, 15], а также подготовки специалистов по основам технологий телемедицины и электронного здравоохранения [16].
Надежность осуществления взаимодействия с РТС МН на борту пилотируемого космического аппарата во многом будет определяться личностными свойствами космонавта-врача или космонавта (его высокой мотивацией, способностью концентрировать внимание, специальной подготовленностью, высокой работоспособностью, высокой стрессоустойчивостью и т. д.), специально подготовленного для этой роли в объеме малоинвазивных вмешательств, участвующего в операции по указаниям, получаемым с Земли, с использованием телемедицинских консультаций.
Заключение
Результаты экспериментальной апробации РТС МН для малоинвазивной робот-ассисти-рованной хирургии как в условиях моделируемой изоляции в гермообъекте, так и в условиях моделируемой невесомости показали потенциальную применимость и полезность этой инновационной медицинской технологии для космической медицины.
Однако, наряду с необходимостью изучения особенностей применения бортовых РТС МН, также следует исследовать и возможности применения в целях диагностики и телеконсультаций на борту пилотируемого космического аппарата современных телемедицинских техно-
логий. Для этого космонавту, участвующему в операции на борту пилотируемого космического аппарата по указаниям, получаемым с Земли, с использованием телемедицинских технологий, необходима целевая наземная предполетная подготовка.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Астронавты NASA проверят робота-хирурга на дне океана. Membrana, 12.10.2004. URL: http://www. membrana.ru/particle/7675.
2. Григорьев А.И., Орлов О.И., Логинов В.А., Дроздов Д.В., Исаев А.В., Ревякин Ю.Г., Суханов А.А. Клиническая телемедицина. М.: Слово; 2001.
3. Орлов О.И. Телемедицина в системе организации здравоохранения. (Практическая телемедицина. Вып. 3). М.: Слово; 2002.
4. Камаев И.А., Орлов О.И., Леванов В.М., Переведенцев О.В., Сергеев Д.В. Возможности и перспективы применения мобильных телемедицинских комплексов в профилактических программах. Медицинский альманах. 2013; 2:16-8.
5. Богданов А.Б., Велиев Е.И., Соколов Е.А., Метелёв А.Ю., Ивкин Е.В., Томилов А.А., Марченко В.В. Сравнительная оценка робот-ассистированной, открытой и лапароскопической резекции почки. Московская медицина. 2018. Спецвыпуск № 1: 51-2.
6. Шабунин А.В., Бедин В.В., Тавобилов М.М., Карпов
A.А. Современные роботические и лапароскопические хирургические технологии при лечении синдрома компрессии чревного ствола. Московская медицина. 2018. Спецвыпуск № 1: 123-4.
7. Робот-хирург оперирует колено лучше человека. Membrana, 9 февраля 2006. URL: http://www. membrana.ru/particle/9685.
8. Пушкарь Д.Ю., Раснер П.И., Кологтарев К.Б., Говоров А.В., Васильев А.О., Курджиев М.А., Дьяков
B.В., Бормотин А.В. Радикальная простатэктомия открытая и робот-ассистированная: Методические рекомендации. М.: ДЗМ; 2018.
9. Городецкий И.Г., Турзин П.С., Найченко М.В. Эргономические основы создания человеко-машинных систем. М.: ИЦ МАТИ; 2001.
10. Человек впервые прооперирован в невесомости. Membrana, 28.09.2006. URL: http://www.membrana. ru/particle/10650.
11. Робот-хирург впервые испытан в невесомости. Membrana, 26.09.2007. - URL: http://www.membrana. ru/particle/11970.
12. Ушаков И.Б., Карпов А.А., Крючков Б.И., Поляков А.В., Усов В.М. Перспективные решения в области медицинской робототехники для поддержки жизне-
деятельности экипажа и снижения медицинских рисков в космическом полете. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2015; 49(6): 76-83.
13. Ушаков И.Б., Поляков А.В., Усов В.М., Бояринцев В.В. Перспективы использования на пилотируемых космических аппаратах симуляционных технологий для практического освоения и поддержания в полете навыков выполнения космонавтами мероприятий неотложной медицинской помощи. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2015; 2: 50-4.
14. Казаков В.Ф., Турзин П.С., Репин И.Г. Особенности использования современных обучающих технологий в процессе подготовки медицинских кадров высшей квалификации в условиях мультидисциплинарного медицинского аттестационно-симуляционного центра. Кремлевская медицина. Клинический вестник. 2014; 2:106-11.
15. Миронов С.П., Арутюнов А.Т., Егорова И.А., Мкрту-мян А.М., Турзин П.С., Евтухов А.Н., Покутний Н.Ф., Якушенкова А.П. Телемедицинские аспекты послевузовского обучения врачей. Кремлевская медицина. Клинический вестник. 2011; 1: 122-7.
16. Леванов В.М., Камаев И.А., Орлов О.И., Гурвич Н.И. Дифференцированная система подготовки специалистов по основам технологий телемедицины и электронного здравоохранения. Медицинский альманах. 2012; 5: 21-6.
REFERENCES
1. NASA astronauts will check the robot surgeon at the bottom of the ocean. Membrana, 12.10.2004. URL: http:// www.membrana.ru/particle/7675.
2. Grigoriev A.I., Orlov O.I., Loginov V.A., Drozdov D.V, Isaev A.V., Revyakin Yu.G., Sukhanov A.A. Kliniches-kaya telemeditsina. Moscow: Slovo; 2001.
3. Orlov O.I. Telemedicine in the healthcare system [Tele-medisina v sisteme organizatsii zdravookhraneniya. (Prakticheskaya telemedicina. Vyp. 3)]. Moscow: Slovo; 2002.
4. Kamaev I.A., Orlov O.I., Levanov V.M., Perevedentsev O.V, Sergeev D.V. Opportunities and prospects for the use of mobile telemedicine complexes in prevention programs. Medicinskiy al'manah. 2013; 2:16-8.
5. Bogdanov A.B., Veliev E.I., Sokolov E.A., Metelev A.Yu., Ivkin E.V., Tomilov A.A., Marchenko VV. Comparative evaluation of robot-assisted, open and laparo-scopic kidney resection [Sravnitel'naya otsenka robot-assistirovannoy otkrytoy ilaparoskopicheskoy rezektsii pochki]. Moskovskaya medicina; 2018. Specvypusk № 1: 51-2.
MEDICAL AND BIOLOGICAL SCIENCES
6. Shabunin A.V, Bedin V.V., Tavobilov M.M., Karpov A.A. Modern robotic and laparoscopic surgical technologies in the treatment of celiac trunk compression syndrome [Sovremennye roboticheskie I laparoskopicheskie khirurgicheskie tekhnologii pri lechenii sindroma kom-pressii chrevnogo stvola]. Moskovskaya medicina; 2018. Specvypusk № 1: 123-4.
7. Robot surgeon operates on the knee better than humans. Membrana, 9 February 2006. URL: http://www.mem-brana.ru/particle/9685.
8. Pushkar D.Yu., Rasner P.I., Kologtarev K.B., Govorov A.V, Vasiliev A.O., Kurdzhiev M.A., Dyakov V.V, Bormotin A.V Open and Robot-assisted Radical Prostatectomy: Guidelines [Radikal'naya prosysyektomiya otkrytaya I robot-assistirovannaya: Metodicheskie reko-mendatsii]. Moscow: DZM; 2018.
9. Gorodetsky I.G., Turzin P.S., Naychenko M.V. Ergo-nomic fundamentals of creating human-machine systems [Ergonomicheskie osnovy sozdaniya chelovekomashin-nykh system]. Moscow: IC MATI; 2001.
10. Man was first operated in zero gravity. Membrana, 28.09.2006. URL: http://www.membrana.ru/parti-cle/10650.
11. Robot surgeon first tested in zero gravity. Membrana, 26.09.2007. URL: http://www.membrana.ru/par-ticle/11970.
12. Ushakov I.B., Karpov A.A., Kryuchkov B.I., Polyakov A.V, Usov V.M. Promising solutions in the field of medical robotics to support the life of the crew and reduce medical risks in space flight. Aviakosmicheskaya i eko-logicheskaya medicina. 2015; 49(6): 76-83.
13. Ushakov I.B., Polyakov A.V., Usov V.M., Boyarintsev V.V. Prospects for the use of simulation technologies on manned spacecraft for the practical development and maintenance of in flight skills of astronauts to carry out emergency medical care. Aviakosmicheskaya i eko-logicheskaya medicina. 2015; 2: 50-4.
14. Kazakov V.F., Turzin P.S., Repin I.G. Features of the use of modern educational technologies in the training of highly qualified medical personnel in a multidisciplinary medical certification and simulation center. Kremlevs-kaya medicina. Klinicheskij vestnik. 2014; 2:106-11.
15. Mironov S.P., Arutyunov A.T., Egorova I.A., Mkrtu-myan A.M., Turzin P.S., Evtukhov A.N., Pokutny N.F., Yakushenkova A.P. Telemedical aspects of postgraduate training of doctors. Kremlevskaya medicina. Klinicheskij vestnik. 2011; 1: 122-7.
16. Levanov V.M., Kamaev I.A., Orlov O.I., Gurvich N.I. Differentiated system for training specialists in the basics of telemedicine technology and e-health. Medicinskiy al'manah. 2012; 5: 21-6.
Поступила 20 июля 2019 Принята в печать 09 сентября 2019
