РОБОТЫ В КРАНИАЛЬНОЙ НЕЙРОХИРУРГИИ, ЭВОЛЮЦИЯ ЗА 35 ЛЕТ

Дмитриев Александр Юрьевич; Дашьян Владимир Григорьевич

Обзор

https://doi.org/10.23934/2223-9022-2022-11-2-355-363

Роботы в краниальной нейрохирургии, эволюция за 35 лет

А.Ю. Дмитриев1'2 И В.Г Дашьян2

Нейрохирургическое отделение для лечения больных с сосудистыми заболеваниями головного мозга

1 ГБУЗ «Научно-исследовательский институт скорой помощи им. Н.В. Склифосовского ДЗМ» Российская Федерация, 129010, Москва, Большая Сухаревская пл., 3.

2 ФГБОУ ВО «Московский государственный медико-стоматологический университет им. А.И. Евдокимова» МЗ РФ Российская Федерация, 127473, Москва, ул. Делегатская, 20, стр. 1.

И Контактная информация: Дмитриев Александр Юрьевич, кандидат медицинских наук, врач-нейрохирург, нейрохирургическое отделение для лечения больных с сосудистыми заболеваниями головного мозга ГБУЗ «НИИ СП им. Н.В. Склифосовского ДЗМ». ЕшаП: dmitriev@neurosklif.ru

РЕЗЮМЕ

Ключевые слова: Ссылка для цитирования

Конфликт интересов

В обзоре литературы описан 35-летний опыт работы с роботами в краниальной нейрохирургии. Представлен краткий исторический очерк и указаны предпосылки развития робототехники. Перечислены наиболее известные устройства, используемые для позиционирования хирургических инструментов и дистанционных манипуляций. Указаны ключевые особенности роботов, основные результаты их применения, представлены преимущества, недостатки и пути решения некоторых проблем. Показана точность роботизированных систем в сравнении с рамным стерео-таксисом. В завершение приведены основные тенденции роботостроения в будущем.

робот, краниальная нейрохирургия, NeuroMate, Rosa, Renaissance, NeuroArm

Дмитриев А.Ю., Дашьян В.Г. Роботы в краниальной нейрохирургии, эволюция за 35 лет. Журнал им. Н.В. Склифосовского Неотложная медицинская помощь. 2022;11(2):355-363. https://doi. org/10.23934/2223-9022-2022-11-2-355-363

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Благодарность, финансирование Исследование не имеет спонсорской поддержки

КТ — компьютерная томография МРТ — магнитно-резонансная томография США — Соединенные Штаты Америки

ВВЕДЕНИЕ

Развитие нейрохирургии следует в двух направлениях. Во-первых, современные методы диагностики и новые хирургические инструменты расширяют показания к операциям при заболеваниях, ранее считавшихся некурабельными. Во-вторых, технические новшества позволяют выполнять вмешательства через минимально инвазивные доступы. Микрососудистый анастомоз, периневральный шов в глубине раны, удаление опухоли через узкий коридор требуют от хирурга большого опыта и физической выдержки. Манипуляции на миллиметровом уровне возможны с применением оптического увеличения. Но передвижения на субмиллиметровом уровне ограничены сопоставимым по амплитуде физиологическим тремором. Длительные высокоточные операции приводят к усталости рук хирурга. Узкая и глубокая рана часто бывает плохо освещена. Все эти факторы предрасполагают к развитию роботизированных систем, облегчающих выполнение таких операций.

Другим направлением медицинской робототехники является создание устройств для точного позиционирования хирургических инструментов. В краниальной хирургии это важно при взятии биопсии, локации небольших глубинных опухолей и каверном, для уда-

FDA — Food and Drug Administration (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в Соединенных Штатах Америки)

ления гипертензивных гематом и установки внутри-мозговых электродов. Существующие навигационные системы также предназначены для решения подобных задач. Но погрешность безрамной навигации составляет 2-4 мм [1]. Рамный стереотаксис более точный (ошибка в пределах 1 мм) неудобен для использования [2]. Сочетание миллиметровой точности с комфортом работы является целью разработки роботов для точного позиционирования.

ИСТОРИЯ

Многие первые медицинские роботы разрабатывались с участием Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и агентства обороны Соединенных Штатов Америки (США). Первая операция с использованием роботоассистенции была выполнена в 1985 году Kwoh Y.S. Использовали промышленный робот Puma 560 (Programmable universal machine for assembly), разработанный компанией General Motors для немедицинских целей. Робот имел 6 степеней свободы, выполнял рамное стереотаксическое позиционирование биопсийной иглы. Аппарат быстрее человека вычислял точное расположение мишени и направлял на нее

хирургический инструмент [3, 4]. Первый робот, сертифицированный в США для стереотаксических процедур в нейрохирургии, был описан в 1987 году и носил название NeuroMate [5]. По точности он был сравним с рамным стереотаксисом, и его применяли на операциях по поводу двигательных нарушений.

Сложность нейрохирургических операций тормозила быстрое развитие робототехники [6]. В 1990 году Adler J.R. описал применение робота для радиохирургии, который позиционировал линейный ускоритель, подстраиваясь под незначительные движения пациента. Позднее данный аппарат стал известен как кибернож [7]. В 1991 году Drake J.M. использовал промышленный робот Puma для удаления 6 таламических астроцитом у детей [8]. Развитие данных роботов было основано на методе навигации. В 1991 году Davies B. применял активно двигающийся аппарат в хирургии мягких тканей. Он явился пророботом под названием "Probot", который затем использовали в урологии для трансуретральной простатэктомии [9]. Четырехосевой робот впервые был описан в 1992 году BenabidA.L. [10].

Первый телехирургический робот SRI International для открытой хирургии на органах брюшной полости был апробирован Hill J.W. в 1994 году. Затем он был модифицирован для лапароскопической абдоминальной хирургии [11]. Далее были разработаны роботы The Zeus и daVinci, изначально предназначенные для кардиохирургии. В 2001 году была выполнена дистанционная операция при помощи управляемого робота — лапароскопическая холецистэктомия, во время которой хирург находился на расстоянии 14 000 км от пациента. Операция продолжалась 54 минуты и закончилась хорошим исходом [12]. В нейрохирургии такие операции изначально проводили только на лабораторных животных и трупах. Обычно накладывали сосудистый шов [13].

NeuRobot был первым роботом в нейрохирургии, работающим по принципу удаленного управления ("master-slave"), который использовали для имитации нейрохирургической операции на трупе. С его помощью в 2002 году выполнили эндоскопическую тривен-трикулостомию и диссекцию латеральной щели [14]. В 2003 году Goto T. et al. впервые применили его в операционной, удалив часть атипической менингиомы [15].

Все медицинские роботы можно классифицировать на четыре типа: активные устройства для определения расположения цели, пассивные аппараты для выполнения удаленных манипуляций, автономные приборы и вспомогательные роботизированные системы.

РОБОТЫ ДЛЯ ТОЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Данные устройства выполняют точное позиционирование хирургического или диагностического инструмента в операционной ране. Механизм их работы аналогичен нейронавигации. Перед операцией проводят загрузку в рабочую станцию робота предоперационных снимков с данными нейровизуализации. После этого компьютерная программа формирует виртуальную модель головы пациента. Интраоперационно после укладки пациента и жесткой фиксации его головы происходит сопоставление реальной поверхности головы пациента и ее виртуальной модели. Для этих целей часто применяют рентгенконтрастные маркеры, закрепленные на голове. Зная координаты головы пациента и расположенной в ней цели, робот при

помощи электродвигателей подводит к ней рабочий инструмент [4].

Для этих целей в краниальной нейрохирургии применяют 8 роботов. Шесть из них используют на основном этапе операции, два — для выполнения краниотомии.

NeuroMate представляет собой роботизированную руку с 6 степенями свободы. Был разработан компанией Integrated Surgical Systems в 1987 году [4]. После одобрения Food and Drug Administration (FDA) в нейрохирургии впервые был применен в 1997 году. Точность его установки в клинической практике — 0,86-1,77 мм, что сопоставимо с результатами рамного стереотакси-са. Аппарат использовали для выполнения биопсий с точностью 86%, установки электродов для инвазивной кортикографии и глубинной подкорковой стимуляции. Описано его применение для проведения прицельной химиотерапии. Недостатками робота являются большой размер, высокая стоимость и сложность обучения работе с ним [16-19]. При установке электродов для стереоэлектроэнцефалографии в сочетании с безрамной системой Neurolocate робот продемонстрировал субмиллиметровую точность, превысившую результаты рамного стереотаксиса (0,67 мм против 0,76 мм) [20].

SurgiScope создан компанией Intelligent Surgical Instruments and Systems (ISIS, Франция) [19]. Является операционным микроскопом с потолочным креплением на рельсах для точного позиционирования. Имеет 7 степеней свободы. Ошибка прибора — 1,5-1,6 мм. Первое применение описано в 2003 году. Его точность при взятии биопсий составляет 98% [21], а при вентри-кулостомиях — 100% [22]. Робот применяли при установке электродов для стереоэлектроэнцефалографии. Его недостатком является большой размер [17].

ROVOT-m создан фирмой SynaptiveMedical (Канада). Представляет собой систему автоматического позиционирования экзоскопа под контролем нейронавига-ции. Аппарат применяли для удаления внутримозго-вых гематом, опухолей, сосудистых мальформаций, клипирования аневризм и лечения нейроваскулярного конфликта с хорошими функциональными исходами [23].

Rosa спроектирован компанией MedTech (Франция). Является роботизированной рукой с 6 степенями свободы и имитацией осязания. Был одобрен FDA в 2009 году [24]. Базируется на мобильной платформе, жестко фиксированной к черепу пациента. Используют в рамном и безрамном режимах. Первое описание применения в нейрохирургии датировано 2012 годом. Робот использовали для установки электродов при паркинсонизме (положительный эффект описан в 55%), взятии биопсий (информативность 100%, точность 97%), с целью установки электродов для инвазивной кортикографии, стереотаксической радиочастотной термоабляции, в эндоскопической вентрикулярной и трансназальной хирургии, а также при краниофациальных реконструктивных операциях. В зависимости от способа регистрации и места установки устройства по отношению к цели ошибка позиционирования варьирует от 0,52 до 1,75 мм [2527]. Точность операций с применением робота Rosa выше, чем с использованием рамного стереотаксиса (0,76 мм против 1,11 мм). При установке электродов в подкорковые ядра максимальная погрешность составила 1,52 мм, тогда как при механической навигации

в 9% превысила 2 мм. Роботоассистенция уменьшает продолжительность хирургического вмешательства в сравнении с рамным стереотаксисом. Наиболее отчетливо данное различие прослеживается при локации нескольких целей, так как перемещение робота между ними происходит очень быстро без необходимости перемонтажа системы [24]. Недостатками агрегата являются большие размеры, необходимость расположения рядом с головой пациента, высокая стоимость и сложность освоения [17].

Renaissance (SpineAssist, MazorX) разработаны фирмой Mazor Robotics Ltd. (Израиль). Робот первого поколения называется SpineAssist, второго — Renaissance, третьего — Mazor X. Первые два устройства представляют собой миниатюрные приборы с 6 степенями свободы, жестко фиксируемые к черепу, Mazor X является роботизированной рукой. При операциях на головном мозге робот начали применять в 2015 году. Погрешность работы не превышает 1,0-1,5 мм. При выполнении биопсий с его помощью точность составляет 89%. Его главным преимуществом является компактность. Особенно удобно использовать робот для взятия нескольких рядом расположенных биопсий. Недостатки агрегата — небольшая рабочая площадь, при смещении с которой требуется ручной перемонтаж, а также необходимость выполнения компьютерной томографии (КТ) для предоперационной регистрации (референтная рамка несовместима с магнитно-резонансной томографией (МРТ)) [17, 28]. Робот Renaissance наиболее часто применяют в нейрохирургии, с его помощью выполнено около 10 000 операций [29].

iSYSl создан в iSYS Medizintechnik (Австрия). Это миниатюрный робот с 4 степенями свободы. Изначально был использован в инвазивной рентгенологии, позже получил применение в нейрохирургии, при взятии биопсий, вентрикулостомии [30] и имплантации электродов при эпилепсии [31]. Первая публикация о его использовании вышла в 2016 году. Погрешность устройства в экспериментах на фантоме и трупах составляет 0,6-0,8 мм. Точность прибора in vivo — 1-2 мм. Преимущества робота — малые размеры, низкая стоимость и простота использования, а недостаток — необходимость ручной переустановки при изменении области манипуляций (например, при взятии нескольких биопсий или установке глубинных электродов) [30-32].

Робот на основе технологии CAD-CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) — программно-аппаратный комплекс, разработанный для выполнения сложных краниотомий. При помощи бора способен накладывать фрезевые отверстия и стачивать кость. Прибор имеет 2 важные функции. Первая предусматривает наличие обратной связи в зависимости от данных электронейромиографии: аппарат автоматически останавливается рядом с лицевым нервом. Вторая опция предусматривает концепцию безопасной зоны: робот не способен пересечь защищенную границу, выделенную до операции. Устройство испробовали на трупах при выполнении транслабиринтного доступа. Точность позиционирования робота составила 1 мм, а длительность краниотомии — 2,5 минуты [33].

Craniobot представлен фирмой LabMaker (Германия). Является экспериментальным трехосевым роботом для выполнения краниотомий. Разработан на основе аппарата для резки дерева, применяемого для выполнения кустарных поделок. Позиционируя

сверло в нужной точке, робот определяет ее координаты при КТ, рассчитывает толщину кости в этом месте, после чего накладывает фрезевое отверстие при помощи бора. Высокая точность аппарата предотвращает повреждение твердой мозговой оболочки и структур головного мозга. В экспериментах на мышах в 97% опытов ошибка позиционирования составила менее 6 мкм. Наложение 40 мини-отверстий в черепе занимало 4 минуты 40 секунд, а выполнение краниотомии диаметром 3 мм — 50 секунд. Преимуществами устройства является его невысокая стоимость и возможность программирования при помощи G-code скриптов. Робот пока не применяли в клинической практике [34].

Все современные роботы имеют точность позиционирования, сопоставимую или выше в сравнении с другими стереотаксическими устройствами. Однако их применение чаще приводит к осложнениям (8-10%) [17, 35-39]. Большее количество шарниров повышает число степеней свободы и точность устройства, но это увеличивает численность двигателей, усложняет конструкцию и алгоритм позиционирования прибора [4]. Постоянное применение роботов для точного позиционирования приводит к потере навыков нейрохирургом. Это не имеет клинического значения при наличии роботизированных систем. Но при потере возможности их использования качество хирургических вмешательств может снижаться [40].

Другие роботы (PUMA, Minerva, Zeiss MKM, Telerobot, Acubot, Evolution 1, RobaCKa, NeuroMaster, PathFinder, LWR-II, NISS, STIN, CRANIO) представляют больше исторический интерес, в настоящий момент сняты с производства, и в нейрохирургии их не применяют [17].

РОБОТЫ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ МАНИПУЛЯЦИЙ

Данные программно-аппаратные комплексы, работающие по типу "master-slave", являются промежуточным звеном между хирургом и манипуляторами. При их использовании оператор работает исключительно компьютерными джойстиками на основании изображения с видеокамер, выводимых на монитор, и не касается операционной раны. Все хирургические манипуляции выполняет непосредственно робот при помощи микроманипуляторов [4].

Эти роботы имеют следующие преимущества.

1) Позволяют выполнять манипуляции хирургом, находящимся на большом расстоянии. Опытный хирург может оперировать пациентов в разных госпиталях, расположенных за тысячи километров [12].

2) Могут работать в опасных условиях, например, в условиях рентгеновского излучения [41].

3) Исключают тремор рук, повышают точность движений за счет того, что амплитуда перемещений рук хирурга многократно масштабируется в более тонкие манипуляции [41, 42].

4) Дают возможность одновременно жестко удерживать несколько инструментов (более двух), например, камеру эндоскопа, ирригатор, аспиратор, зажим, иглодержатель [43].

5) Позволяют перемещать инструмент лишь в разрешенной зоне, даже при приложении усилия [42].

Основные недостатки таких роботов:

1) требуют много времени для освоения;

2) значительно увеличивают продолжительность манипуляций;

3) не способны точно передать чувство осязания тканей пациента;

4) высокая стоимость;

5) имеют большие размеры и неудобны в использовании [44].

Для выполнения удаленных нейрохирургических манипуляций разработаны следующие роботы.

NeuRobot разработан в медицинском университете Синсю (Япония) для выполнения минимально инвазивных операций. Это управляемый робот, все манипуляции с пациентом осуществляются через цилиндрическую трубку диаметром 10 мм. Через нее проводят стереоэндоскоп диаметром 4 мм, 2-3 микроманипулятора, трубка имеет каналы для ирригации и аспирации. Рабочие инструменты диаметром 1 мм имеют 3 степени свободы, включают микрозажимы, микрокрючок, микроиглу, биполярный коагулятор, аспиратор и лазер. Точность манипуляций достигает 20 мкм. Робот опробовали при выполнении диссекции латеральной и межполушарной щелей, вентрикуло-цистерностомии на трупе, энцефалотомии, вазотомии и гемостаза на крысах (расстояние между микроманипулятором и блоком управления составило 40 км), а также при удалении части менингиомы намета мозжечка у пациента с продолженным ростом опухоли (часть опухоли резецировали лазером). В настоящий момент усилия разработчиков направлены на повышение быстродействия сети для снижения задержки при применении робота [14, 15, 19, 45].

Роботизированная платформа MM-3 разработана Akio Morito's group в университете Токио. Представляет собой 2 микроманипулятора с динамической масштабируемостью амплитуды движений и стереомик-роскоп. Система предназначена для выполнения микрососудистых манипуляций на субмиллиметровом уровне под контролем микроскопа, к примеру, наложения микрососудистого шва. Размер таких объектов сопоставим с амплитудой физиологического тремора рук хирурга. Масштабируемость движений и отсечение тремора делают такие процедуры возможными. Первоначально аппарат применили для наложения соустий на искусственных сосудах. Для анастомоза «конец в конец» использовали микротрубочки диаметром 0,3 мм, а «конец в бок» — 0,5 мм. Затем систему применили для наложения 20 анастомозов на крысах и для выполнения различных доступов на трупах. Применение робота уменьшило погрешность в 2 раза (с 80 до 44 мкм). Система имеет высокую точность, но ее использование значительно удлиняет операцию в сравнении с затратами времени опытным хирургом. Это касается как всей процедуры, так и отдельных микроманипуляций. Опыт работы способен решить данную проблему [46, 47]. Главным отличием платформы MM-3 от других роботизированных систем является возможность настройки взаимодействия между оператором и исполняемым устройством. Выделяют 4 режима работы. При фиксированном режиме масштабируемость движений не изменяется на протяжении всей манипуляции, при целевом — возрастает при уменьшении расстояния между кончиками манипулятора и целью, при исполняемом — увеличивается при меньшем расстоянии между кончиками манипулятора, в скоростном — зависит от темпа работы хирурга (уменьшается с возрастанием). В ходе экспериментального тестирования наиболее комфортным и быстрым оказался исполняемый режим в диапазо-

не 0,2-0,5 (амплитуда перемещения микроманипуляторов в 2-5 раз короче движений рук оператора). В настоящий момент ведутся работы по автоматизации выбора режима масштабирования на основании опыта хирурга [48].

NeuroArm является наиболее усовершенствованной роботизированной управляемой системой. Была разработана в Университете Калгари (Канада) в 2001 году [4]. Состоит из двух рук-манипуляторов, соединенных с рабочей станцией посредством контроллера. Каждый манипулятор имеет 7 степеней свободы и датчики давления на рабочих концах. Аппарат позволяет выполнять стереотаксические и микрохирургические манипуляции в магнитном поле с индукцией до 3,0 Тл. Система обеспечивает бинокулярное зрение посредством двух видеокамер и поляризационных очков. Микрофон позволяет хирургу слышать звуки в операционной. Тактильное чувство обратной связи достигается прикреплением к манипуляторам робота 2 датчиков давления, оценивающих прикладываемые усилия в 3 проекциях, хотя полученное чувство осязания и не является идеальным [19]. Робот содержит фильтр тремора с возможностью выставлять разную частоту его отсечения. Скорость движения руки робота варьирует от 1 до 200 мм/с. Масштабируемая шкала позволяет изменять амплитуду его движений от 1/1 до 1/20. Специальная опция позволяет роботу проводить прямую линию, даже если рука хирурга не движется строго по прямой. Точность NeuroArm составляет 50 мкм, что близко к хирургии на клеточном уровне. Робот устойчиво удерживает хирургические инструменты и позволяет выполнять хирургические манипуляции через узкий анатомический коридор. Хирург располагается за рабочей станцией. На несколько мониторов выводится изображение интраоперацион-ной МРТ и операционной раны. Имеется возможность подключения к Интернету для получения справочной информации. При отклонении движения манипулятора от запланированной траектории включается автостоп. Также хирург произвольно может заблокировать движения манипулятора, нажав на педаль. Интересной опцией является возможность проектирования при МРТ виртуального хирургического коридора, после чего все манипуляции робота будут разрешены лишь в его пределах. Даже при приложении хирургом усилия манипулятор не пересечет ограничительную линию. Аппарат был опробован на фантомах, лабораторных животных и трупах. С одинаковой точностью выполняли спленэктомию, нефрэктомию и удаление подниж-нечелюстной железы на крысах с роботом и без него. В клинической практике впервые прибор был использован в 2008 году для удаления образования головного мозга у 21-летнего пациента. После одобрения FDA при помощи робота прооперировали 35 больных c опухолями, каверномами и абсцессом мозга. Хирург находился вне операционной, ассистент — напротив NeuroArm. Лишь в одном наблюдении приходилось прекращать операцию с применением робота и переходить на обычную хирургию из-за узкого коридора, ограничивающего одновременный обзор хирурга и ассистента. Средняя продолжительность операций составила 4,5 часа, что сопоставимо с обычной хирургией. Применение телеробота требует длительного обучения: хирург получает уверенность при работе с ним после проведения 20 операций [41, 43, 49-51]. Всего с помощью робота было осуществлено более

1000 операций: удаляли гематомы, ушивали раны, брали биопсии и выполняли цистернальную диссек-цию [19].

ROBOCAST разработан фирмой KUKA Roboter GmbH (Германия). Представляет собой комбинацию двух ранее созданных роботов KUKA LWR 4. Это 2 манипулятора, работающие в двух режимах. В автономном варианте робот применяют для точного позиционирования инструментов в хирургическом поле. В дистанционном режиме периферийные устройства повторяют действия хирурга, компенсируя любые движения черепа [29].

Robot-assisted microsurgery system (RAMS) был разработан в совместной программе Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института и компании Microdexterity Systems Inc (США). Представляет собой телеуправляемую систему с 6 степенями свободы. Аппарат совместим с МРТ, предназначен для микрохирургии, включая нейрохирургию, офтальмологию и пластическую хирургию. Робот применяли при экспериментальной эндартерэктомии на крысах, но использование устройства значительно увеличивало продолжительность операции [19].

Робот Da Vinci — продукт компании Intuitive Surgical (США), предназначен для выполнения эндоскопических операций из мини-доступов. Состоит из 2 камер для стереоскопического зрения и 2-3 манипуляторов для фиксации рабочих инструментов. Имеет функцию фильтрации тремора и масштабирования движений. Изначально прибор был разработан для кардиохирургии, однако не нашел в ней широкого применения, так как кардиохирурги без робота могут выполнить все те же манипуляции с той же точностью, но быстрее. Робот Da Vinci применяют в лапароскопической хирургии, урологии и гинекологии. В нейрохирургии этот робот применяли для трансназального эндоскопического закрытия дефектов твердой мозговой оболочки на трупах [52], арахноидальной диссекции и наложения сосудистого шва на М1-сегмент средней мозговой артерии в кадаверных экспериментах [53]. Прибор использовали в спинальной нейрохирургии при удалении зубовидного отростка 2-го шейного позвонка, спинальной невриномы, выполнении переднего меж-телового спондилодеза и внутриутробной пластики менингоцеле [4]. Робот Da Vinci громоздкий, неудобный, имеет несколько искусственных держателей инструментов, загромождающих обзор. Его применение в key-hole нейрохирургии возможно лишь при глубине раны до 2 см. Далее инструменты мешают друг другу и не позволяют погружать эндоскоп. Аппарат изначально не предназначен для применения в нейрохирургии и не нашел в ней широкого распространения [35, 44, 54]. Одним из путей решения проблемы могло бы стать уменьшение диаметра рабочих инструментов. Но длинные узкие манипуляторы под воздействием внешних сил способны отклоняться от намеченной траектории, что снижает точность манипуляций [4].

АВТОНОМНЫЕ РОБОТЫ

Разработать робот, самостоятельно принимающий решения, возможно двумя способами. Первый (явный) основан на программировании последовательности действий. В основе второго (неявного) лежит машинное обучение. Учитывая множество разных факторов, которые необходимо учесть при разработке алгоритма работы системы, наиболее актуальным представля-

ется второй способ. В настоящий момент автономно работающие роботы в нейрохирургии не созданы [55]. В абдоминальной хирургии описано устройство STAR (Smart Tissue Autonomous Robot), предназначенное для наложения анастомоза. Аппарат способен работать в двух режимах: ручном и автоматическом. При автономном варианте компьютер самостоятельно выбирает место наложения шва в зависимости от контура разреза. При наложении анастомоза на кишечнике свиньи в автоматическом режиме робот выполнил эксперимент точнее и в 4 раза быстрее человека [56].

Процесс автономизации роботов может быть реализован в разной степени, от частичной до полной. При частичной автономности хирург контролирует работу автомата. Создание устройства, самостоятельно принимающего решения, основано на развитии компьютерных технологий, в частности, методов глубинного обучения. Применение таких аппаратов особенно актуально при невозможности вмешательства человека (опасные условия, боевые действия, большая удаленность). Их изготовление для медицины прогнозируют лишь через 50-100 лет [55].

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

Это аппарат iArmS, представляющий собой роботизированный подлокотник для поддержки руки хирурга. Разработан в университете Синсю (Япония). Является усовершенствованным вариантом ранее представленного прототипа EXPERT. Не имея двигателя, прибор не выполняет точного позиционирования хирургического инструмента. Его задача направлена на автоматическое следование за предплечьем оператора. Технически это осуществляется посредством магнитного поля между устройством и электромагнитным браслетом на руке хирурга. Робот снимает усталость, купирует тремор, повышает комфорт работы и уменьшает ее продолжительность [19, 57]. Устройство апробировали в краниальной микрохирургии и при эндоскопических трансназальных операциях. В отличие от пассивных подлокотников, робот автоматически следует за рукой хирурга, не отвлекая его от операции. Существуют варианты для правшей и левшей. Усилие более 10 кг останавливает систему. Дополнительно существует кнопка аварийной иммобилизации. Недостатками робота являются большие размеры и высокая стоимость [58].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на весомые успехи, современная медицинская робототехника находится лишь на начальной стадии своего развития. Если роботы для точного позиционирования уже прошли клинические испытания, то устройства для дистантных манипуляций большей частью применялись лишь на фантомах, трупах и лабораторных животных. Развитие новых технологий, компьютерных систем, сетевых протоколов и технические идеи, поступающие, в том числе и от практикующих хирургов, являются основой для прогресса в этом направлении. Без учета стоимости оборудования главным недостатком роботов на текущем этапе их развития является удлинение хирургического вмешательства. Это связано с неестественностью управления автоматом в сравнении с прямыми хирургическими манипуляциями. Освоение робота требует длительного обучения, но, в конечном итоге, окупается уменьшением инвазивности операций.

С широким развитием машинного обучения наиболее перспективным является создание автономных роботов, способных самостоятельно принимать решения. Крупные информационные компании создали и постоянно обновляют программные продукты, облегчающие процесс глубокого обучения. В медицине их внедрение наиболее представлено в рентгенологии, активно ведется разработка компьютерных программ, облегчающих постановку диагноза и построения плана лечения. Совмещение искусственного интеллек-

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Mascott CR, Sol JC, Bousquet P, Lagarrigue J, Lazorthes Y, Lauwers-Cances V. Quantification of true in vivo (application) accuracy in cranial image-guided surgery: influence of mode of patient registration. Neurosurgery. 2006;59(1 Suppl 1):146-156. PMID: 16888546 https://doi. org/10.1227/01.NEU.0000220089.39533.4E

2. Landi A, Marina R, DeGrandi C, Crespi A, Montanari G, Sganzerla EP, Gaini SM. Accuracy of stereotactic localisation with magnetic resonance compared to CT scan: experimental findings. Acta Neurochir. 2001;143(6):593-601. PMID: 11534676 https://doi.org/10.1007/ s007010170064

3. Kwoh YS, Hou J, Jonckheere EA, Hayathi S. A robot with improved absolute positioning accuracy for stereotactic brain surgery. IEEE Trans Biomed Eng. 1988;35(2):153-160. PMID: 3280462 https://doi. org/10.1109/10.1354

4. Doulgeris JJ, Gonzalez-Blohm SA, Filis AK, Shea TM, Aghayev K, Vrionis FD. Robotics in neurosurgery: evolution, current challenges, and compromises. Cancer Control. 2015;22(3):352-359. PMID: 26351892 https://doi.org/10.1177/107327481502200314

5. Benabid AL, Cinquin P, Lavallee S, Le Bas JF, Demongeot J, Rougemont J. Computer driven robot for stereotactic surgery connected to CT scan and magnetic resonance imaging: technological design and preliminary results. Appl Neurophysiol. 1987;50(1-6):153-154. PMID: 3329838 https://doi.org/10.1159/000100701

6. Wang MY, Goto T, Tessitore E, Veeravagu A. Robotics in neurosurgery. Neurosurg Focus. 2017;42(5):E1. PMID: 28463607 https://doi.org/ 10.3171/2017.2.F0CUS1783

7. Adler JR Jr, Murphy MJ, Chang SD, Hancock SL. Image-guided robotic radiosurgery. Neurosurgery. 1999;44(6):1299-1307. PMID: 10371630

8. Drake JM, Joy M, Goldenberg A, Kreindler D. Computer and robotassisted resection of thalamic astrocytomas in children. Neurosurgery. 1991;29(1):27-33. PMID: 1870684 https://doi.org/10.1097/00006123-199107000-00005

9. Davies B. A review of robotics in surgery. Proc Inst Mech Eng H. 2000;214(1):129-140. PMID: 10718057 https://doi.org/10.1243/095441 1001535309

10. Benabid AL, Lavallee S, Hoffmann D, Cinquin P, Demongeot J, Danel F. Potential use of robots in endoscopic neurosurgery. Acta Neurochir Suppl (Wien). 1992;54:93-97. PMID: 1595416 https://doi.org/10.1007/978-3-7091-6687-1_14

11. Hill JW, Jensen JF. Advanced telepresence surgery system development. Stud Health Technol Inform. 1996;29:107-117. PMID: 10163743

12. Marescaux J, Leroy J, Rubino F. Transcontinental robot-assisted remote telesurgery: feasibility and potential applications. Ann Surg. 2 002 ;2 35(4) :48 7-492. PMID: 11923603 https://doi. org/10.1097/00000658-200204000-00005

13. Le Roux PD, Das H, Esquenazi S, Kelly PJ. Robot-assisted microsurgery: a feasibility study in the rat. Neurosurgery. 2001;48(3):584-589. PMID: 11270549 https://doi.org/10.1097/00006123-200103000-00026

14. Hongo K, Kobayashi S, Kakizawa Y, Koyama J, Goto T, Okudera H, et al. NeuRobot: telecontrolled micromanipulator system for minimally invasive microneurosurgery - preliminary results. Neurosurgery. 2002;51(4):985-988.PMID: 12234407 https://doi.org/10.1097/00006123-200210000-00024

15. Goto T, Hongo K, Kakizawa Y, Muraoka H, Miyairi Y, Tanaka Y, et al. Clinical application of robotic telemanipulation system in neurosurgery. J Neurosurg. 2003;99(6):1082-1084. PMID: 17986838 https://doi.org/10.3171/jns.2003.99.6.1082

16. Von Langsdorff D, Paquis P, Fontaine D. In vivo measurement of the frame-based application accuracy of the Neuromate neurosurgical robot. J Neurosurg. 2015;122(1):191-194. PMID: 25361490 https://doi. org/10.3171/2014.9.JNS14256

17. Fomenko A, Serletis D. Robotic stereotaxy in cranial neurosurgery: a qualitative systematic review. Neurosurgery. 2018;83(4):642-650. PMID: 29253265 https://doi.org/10.1093/neuros/nyx576

18. Barua NU, Lowis SP, Woolley M, O'Sullivan S, Harrison R, Gill SS. Robot-guided convection-enhanced delivery of carboplatin for advanced brainstem glioma. Acta Neurochir (Wien). 2013;155(8):1459-1465. PMID: 23595829 https://doi.org/10.1007/s00701-013-1700-6

19. Mattei TA, Rodriguez AH, Sambhara D, Mendel E. Current state-of-the-art and future perspectives of robotic technology in neurosurgery.

та с машиностроением является основой для создания автономных роботов нового поколения. Наибольшей сложностью при обучении таких систем является отсутствие крупных баз данных. Совершенствование алгоритмов проектирования нейронных сетей в сочетании с накоплением массивов хирургической информации позволит в будущем создать роботов, не уступающих опытному нейрохирургу в качестве и скорости выполнения хирургических вмешательств.

Neurosurg Rev. 2014;37(3):357-366. PMID: 24729137 https://doi. org/10.1007/sl0143-014-0540-z

20. Cardinale F, Rizzi M, d'Orio P, Casaceli G, Arnulfo G, Narizzano M, et al. A new tool for touch-free patient registration for robot-assisted intracranial surgery: application accuracy from a phantom study and a retrospective surgical series. Neurosurg Focus. 2017;42(5):E8. PMID: 28463615 https://doi.org/10.3171/2017.2.F0CUS16539

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

21. Bekelis K, Radwan TA, Desai A, Roberts DW. Frameless robotically targeted stereotactic brain biopsy: feasibility, diagnostic yield, and safety. J Neurosurg. 2012;116(5):1002-1006. PMID: 22404667 https:// doi.org/10.3171/2012.1.JNS111746

22. Lollis SS, Roberts DW. Robotic catheter ventriculostomy: feasibility, efficacy, and implications. J Neurosurg. 2008;108(2):269-274. PMID: 18240921 https://doi.org/10.3171/JNS/2008/108/2Z0269

23. Gonen L, Chakravarthi SS, Monroy-Sosa A, Celix JM, Kojis N, Singh M, et al. Initial experience with a robotically operated video optical telescopic-microscope in cranial neurosurgery: feasibility, safety, and clinical applications. Neurosurg Focus. 2017;42(5):E9. PMID: 28463622 https://doi.org/10.3171/2017.3.F0CUS1712

24. Neudorfer C, Hunsche S, Hellmich M, Majdoub FE, Maarouf M. Comparative study of robot-assisted versus conventional frame-based deep brain stimulation stereotactic neurosurgery. Stereotact Funct Neurosurg. 2018;96(5):327-334. PMID: 30481770 https://doi. org/10.1159/000494736

25. Pillai A, Ratnathankom A, Ramachandran SN, Udayakumaran S, Subhash P, Krishnadas A. Expanding the spectrum of robotic assistance in cranial neurosurgery. Oper Neurosurg (Hagerstown). 2019; 17(2):164-173. PMID: 30203040 https://doi.org/10.1093/ons/opy229

26. Lefranc M, Capel C, Pruvot-Occean AS, Fichten A, Desenclos C, Toussaint P, et al. Frameless robotic stereotactic biopsies: a consecutive series of 100 cases. J Neurosurg. 2015; 122(2):342-352. PMID: 25380111 https://doi.org/10.3171/2014.9JNS14107

27. Terrier L, Gilard V, Marguet F, Fontanilles M, Derrey S. Stereotactic brain biopsy: evaluation of robot-assisted procedure in 60 patients. Acta Neurochir (Wien). 2019;161(3):545-552. PMID: 30675655 https://doi. org/10.1007/s00701-019-03808-5

28. Grimm F, Naros G, Gutenberg A, Keric N, Giese A, Gharabaghi A. Blurring the boundaries between frame-based and frameless stereotaxy: feasibility study for brain biopsies performed with the use of a head-mounted robot. J Neurosurg. 2015;123(3):737-742. PMID: 26067616 https://doi.org/10.3171/2014.12.JNS141781

29. Smith JA, Jivraj J, Wong R, Yang V. 30 years of neurosurgical robots: review and trends for manipulators and associated navigational systems. Ann Biomed Eng. 2016;44(4):836-846. PMID: 26467553 https://doi. org/10.1007/s10439-015-1475-4

30. Minchev G, Kronreif G, Martinez-Moreno M, Dorfer C, Micko A, Mert A, et al. A novel miniature robotic guidance device for stereotactic neurosurgical interventions: preliminary experience with the iSYS1 robot. J Neurosurg. 2011;126(3):985-996. PMID: 27104847 https://doi. org/10.3171/2016.1.JNS152005

31. Dorfer C, Minchev G, Czech T, Stefanits H, Feucht M, Pataraia E, et al. A novel miniature robotic device for frameless implantation of depth electrodes in refractory epilepsy. J Neurosurg. 2017;126(5):1622-1628. PMID: 27494814 https://doi.org/10.3171/2016.5JNS16388

32. Legnani FG, Franzini A, Mattei L, Saladino A, Casali C, Prada F, et al. Image-guided biopsy of intracranial lesions with a small robotic device (iSYS1): a prospective, exploratory pilot study. Oper Neurosurg (Hagerstown). 2019;17(4):403-412. PMID: 30690491 https://doi. org/10.1093/ons/opy411

33. Couldwell WT, MacDonald JD, Thomas CL, Hansen BC, Lapalikar A, Thakkar B, et al. Computer-aided design/computer-aided manufacturing skull base drill. Neurosurg Focus. 2017;42(5):E6. PMID: 28463621 https://doi.org/10.3171/2017.2.F0CUS16561

34. Ghanbari L, Rynes ML, Hu J, Schulman DS, Johnson GW, Laroque M, et al. Craniobot: a computer numerical controlled robot for cranial microsurgeries. Sci Rep. 2019;9(1):1023. PMID: 30705287 https://doi. org/10.1038/s41598-018-37073-w

35. Marcus HJ, Seneci CA, Payne CJ, Nandi D, Darzi A, Yang GZ. Robotics in keyhole transcranial endoscope-assisted microsurgery: a critical review of existing systems and proposed specifications for new robotic

platforms. Neurosurgery. 2014;10(Suppl 1):84-96. PMID: 23921708 https://doi.org/10.1227/NEU.0000000000000123

36. Каспарова К.А., Древаль О.Н. Роботизированные системы в нейрохирургии. Нейрохирургия. 2012;(4):88-93.

37. Zimmermann M, Krishnan R, Raabe A, Seifert V. Robot-assisted navigated endoscopic ventriculostomy: implementation of a new technology and first clinical results. ActaNeurochir (Wien). 2004;146(7):697-704. PMID: 15197613 https://doi.org/10.1007/s00701-004-0267-7

38. Zimmermann M, Krishnan R, Raabe A, Seifert V. Robot-assisted navigated neuroendoscopy. Neurosurgery. 2002;51(6):1446-1451. PMID: 12445350 https://doi.org/10.1227/01.NEU.0000036095.14236.74

39. Kaushik A, Dwarakanath TA, Bhutani G, Moiyadi A, Chaudhari P. Validation of high precision robot-assisted methods for intracranial applications: preliminary study. World Neurosurg. 2020;137:71-77. PMID: 32032794 https://doi.org/10.1016Zj.wneu.2020.01.206

40. Panesar SS, Kliot M, Parrish R, Fernandez-Miranda J, Cagle Y, Britz GW. Promises and perils of artificial intelligence in neurosurgery. Neurosurgery. 2018;87(1):33-44. PMID: 31748800 https://doi. org/10.1093/neuros/nyz471

41. Louw DF, Fielding T, McBeth PB, Gregoris D, Newhook P, Sutherland GR. Surgical robotics: a review and neurosurgical prototype development. Neurosurgery. 2004;54(3):525-537. PMID: 15028126 https://doi. org/10.1227/01.neu.0000108638.05274.e9

42. Nathoo N, Cavusoglu MC, Vogelbaum MA, Barnett GH. In touch with robotics: neurosurgery for the future. Neurosurgery. 2005;56(3):421-433. PMID: 15730567 https://doi.org/10.1227/01.neu.0000153929.68024.cf

43. Sutherland GR, Lama S, Gan LS, Wolfsberger S, Zareinia K. Merging machines with microsurgery: clinical experience with neuroArm. J Neurosurg. 2013;118(3):521-529. PMID: 23240694 https://doi. org/10.3171/2012.11.JNS12877

44. Sekhar LN, Tariq F, Kim LJ, Pridgeon J, Hannaford B. Commentary: virtual reality and robotics in neurosurgery. Neurosurgery. 2013;72(Suppl 1):1-6. PMID: 23254797 https://doi.org/10.1227/NEU.0b013e31827db647

45. Hongo K, Goto T, Miyahara T, Kakizawa Y, Koyama J, Tanaka Y. Telecontrolled micromanipulator system (neurobot) for minimally invasive neurosurgery. Acta Neurochir Suppl. 2006;98:63-66. PMID: 17009702 https://doi.org/10.1007/978-3-211-33303-7_9

46. Mitsuishi M, Morita A, Sugita N, Sora S, Mochizuki R, Tanimoto K, et al. Master-slave robotic platform and its feasibility study for micro-neurosurgery. Int J Med Robot. 2013;9(2):180-189. PMID: 22588785 https://doi.org/10.1002/rcs.1434

47. Morita A, Sora S, Mitsuishi M, Warisawa S, Suruman K, Asai D, et al. Microsurgical robotic system for the deep surgical field: development of a prototype and feasibility studies in animal and cadaveric models.

REFERENCES