Robin Heart - Rodzina robotów medycznych

W dniu 17.05.2010r. przeprowadzono eksperyment na zwierzętach robotami chirurgicznymi Robin Heart w Centrum medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. Poddano ocenie w warunkach zbliżonych do klinicznych nowy typ robota Robin Heart mc2.

Wykonano elementy operacji na sercu związanej z pomostowaniem naczyń wieńcowych. Zebrano doświadczenia o kapitalnym znaczeniu dla zupełnie nowej wersji robotów medycznych projektowanych dla szerokiego obszaru zastosowania w chirurgii. Sam robot zostanie przedstawiony publicznie wkrótce po przeprowadzeniu niezbędnych prac zabezpieczających własność intelektualną rozwiązania. Zespół, który brał udział w przygotowaniu i przeprowadzeniu tego niezwykłego eksperymentu obejmował znakomitych chirurgów, lekarzy weterynarii, inżynierów i techników różnych specjalności. Eksperyment przeprowadzono dzięki zaangażowaniu następujących instytucji: Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu (sfinansowanie eksperymentu, prowadzenie projektu Robin Heart), CMD ŚUM w Katowicach oraz Śląskiego Centrum Chorób Serca i Katedry Kardiochirurgii i Transplantologii ŚUM w Zabrzu. Dziękując za istotny i niezbędny dla przeprowadzenia eksperymentu wkład wymienimy ich w kolejności alfabetycznej: Marek Ciembroniewicz, Aniela Grajoszek, Krzysztof Filipiak, Jolanta Kreis, Adam Smołka, Jerzy Stojko, Joanna Śliwka, Michał Zembala oraz zespół Pracowni Biocybernetyki: Mariusz Jakubowski, Adam Klisowski, Paweł Kostka, Kamil Rohr, Klaudiusz Wtorkowski.

Kierujący projektem Zbigniew Nawrat - Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii oraz Katedry Kardiochirurgii i Transplantologii ŚUM.

21 i 22 stycznia br., lekarze i konstruktorzy robota testowali go na sali operacyjnej Centrum Medycyny Doświadczalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. Pacjentkami były… dwie świnie domowe. Debiut Robin Hearta wypadł znakomicie!

Chirurgicznej weryfikacji poddane zostały niemal wszystkie modele prototypowe ramion narzędziowych robota, różniące się m.in. koncepcją sterowania i mocowania, Robin Heart Vision – zrobotyzowane ramię do sterowania położeniem toru wizyjnego oraz innowacyjne, zrobotyzowane narzędzia chirurgiczne nowej generacji (Robin Heart Uni System), które można przełożyć z robota do specjalnego uchwytu ręcznego i wykonać zabieg manualnie. Istotą eksperymentów na zwierzętach było usunięcie woreczka żółciowego oraz wykonana na otwartym sercu, z zastosowaniem krążenia pozaustrojowego, operacja naprawcza zastawki mitralnej (trójdzielnej). Wszystko po to, by dać twórcom robota i jego przyszłym użytkownikom jak najszerszy przegląd możliwości, wad i zalet opracowywanego systemu chirurgicznego. Do tej pory bowiem użyteczność Robin Heart’a sprawdzana była w wirtualnej sali operacyjnej i w warunkach laboratoryjnych - na wypreparowanych sercach zwierzęcych.

„Konstruujemy narzędzia dla nowego pokolenia chirurgów. Chcemy się przekonać, jaki jest obszar niezbędnych zmian, które muszą być wprowadzone do opracowywanych urządzeń przed przygotowaniem technologii produkcji seryjnej i wdrożeniem klinicznym" - stwierdził dr Zbigniew Nawrat, Dyrektor ds. Naukowych Instytutu Protez Serca, kierownik projektu Robin Heart i eksperymentalnego testu robota.

Grupa konstruktorów, elektroników, informatyków i mechaników, którzy pracowali nad Robinem na bieżąco konsultowała się z zespołem lekarskim, by wyłapać wszelkie poprawki, jakie należy do niego wprowadzić. Jednak dwie testowe operacje dowiodły, że robot - choć z pewnością będzie udoskonalany - już teraz świetnie się sprawdza. Chwalili go zarówno, przeprowadzający eksperyment, młodzi lekarze: Joanna Śliwka i Michał Zembala ze Śląskiego Centrum Chorób Serca, jak i ekspert medyczny, dzierżący główne stery konsoli sterującej – dr hab. Romuald Cichoń, Dyrektor Naukowy Fundacji.

„Dla mnie to fascynujący dzień - powiedział. Długo na niego czekałem. Skupiamy się przede wszystkim na możliwościach technicznych tego urządzenia – jego sprawności i niezawodności działania. Każdy element operacji był sprawdzany pod względem medycznym, informatycznym, mechanicznym, ergonomicznym. Wiem na pewno, że robotem tym będzie można w przyszłości bezpiecznie operować pacjentów. Pamiętając o dysproporcjach finansowania tego projektu u nas i w innych ośrodkach na świecie, przez długi czas byłem sceptykiem. Dlatego składam głęboki ukłon kolegom inżynierom, którzy w trakcie zaledwie kilku lat dogonili świat”. Opinia dr. Cichonia jest bardzo cenna, bo należy on do najbardziej doświadczonych na świecie specjalistów w zabiegach wykonywanych z użyciem robotów. Przeprowadził ich około 350. Pracował m.in. z amerykańskim robotem da Vinci – jedynym na świecie, klinicznie dostępnym robotem chirurgicznym.

Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii rozpoczęła prace nad rodziną robotów Robin Heart w 2000 roku. To projekt unikatowy w skali Europy. Jak twierdzi dr Z. Nawrat „Do tej pory nikt robotyką medyczną nie zajmował się w Polsce, trzeba więc było stworzyć zespół od podstaw, by prace mogły przebiegać stabilnie”. Efektem programu prowadzonego we współpracy ze specjalistami z Politechniki Łódzkiej i Warszawskiej jest prototypowa rodzina polskiego robota, przeznaczona do operacji na sercu, w układzie sercowo – naczyniowym i szerokim zastosowaniu w operacjach na tkankach miękkich. Robot zapewnić ma większą precyzję, bezpieczeństwo zabiegu i znacznie zmniejszyć uraz operacyjny, co jest szczególnie istotnie w operacjach kardiochirurgicznych. Umożliwi też wykonywanie zabiegów na odległość, czyli tzw. teleoperacje. Twórcy urządzenia nie wykluczają również zastosowania robota do wszczepiania i serwisowania sztucznych narządów układu sercowo-naczyniowego. Ponadto, waga i unikatowy charakter projektu Robin Heart spowodowały rozwój zainteresowania robotyką w Polsce i powstanie nowej dziedziny nauki w naszym kraju - robotyki chirurgicznej.

Z. Nawrat: „Cieszy nas niezmiernie współpraca z lekarzami ze Śląskiego Centrum Chorób Serca oraz zainteresowanie tym projektem ze strony polskich firm komercyjnych, takich jak Famed Żywiec S.A., czy podwarszawska Emed, której wsparcie technologiczne w zakresie elektrochirurgii wykorzystaliśmy w trakcie eksperymentu”.

Przed lekarzami oraz zespołem pracującym nad robotem w Fundacji, kolejne fazy jego testów i badań, bo eksperyment w katowickim Centrum Medycyny Doświadczalnej jest pierwszym poważnym krokiem na drodze starań do wdrożenia klinicznego. „Nie wiadomo, czy takich eksperymentów będzie 20 czy 200. Oczywiście chcielibyśmy zakończyć fazę eksperymentalną jak najszybciej, najlepiej jeszcze w tym roku” – zapewnia Romuald Cichoń. W planach jest z pewnością operacja pomostowania naczyń wieńcowych (tzw. by-pass) na bijącym sercu świni.

Jednak, zarówno wszelkie udoskonalenia i rozwój rodziny Robin Heart, jak i jego testy przedkliniczne, a potem kliniczne, są przedsięwzięciem tyleż skomplikowanym, co kosztownym. Dyrektor Generalny Fundacji, dr Jan Sarna, zapytany o koszty poniesione na dotychczasowy kształt robota, podsumował: „Produkcja gry komputerowej Wiedźmin według jej twórców kosztowało 30 mln zł. Tymczasem wszystkie nakłady na projekt Robin Heart, od 2000 r. do końca roku 2008, pochłonęły 3 mln zł, z czego niecałe 1,5 miliona to środki budżetowe z resortu nauki, a resztę zapewniła Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii. Do tego, by wystąpić o zgodę na próby przedkliniczne potrzebne nam kolejne pieniądze. Jeśli Narodowe Centrum Badań i Rozwoju opierać się będzie nie tylko na naszych sprawozdaniach, w przekonaniu, że środki te wydatkowane są należycie, ale dostrzeże również wsparcie społeczne dla tego projektu i fakt, iż urządzenia pokazały swą przydatność, to mamy nadzieję, że nasze kolejne wnioski o finansowanie Robin Heart’a będą pozytywnie rozpatrywane. Tym bardziej, że fundacja nie zaniecha starań, by pozyskiwać fundusze na ten cel także z innych źródeł”.

Fundacja zamierza wdrażać Robin Heart’a etapami. Zgodnie z założeniem, jako pierwszy w klinikach miałby się znaleźć Robin Heart Vision - służący do kontroli położenia toru endowizyjnego. Być może mógłby przejść próby przedkliniczne już w przyszłym roku, a w dalszej kolejności ubiegać się o dopuszczenie do zabiegów w warunkach klinicznych. Tak więc, rodzina polskich robotów Robin Heart ma szanse stać się powszechnie stosowanym w praktyce operacyjnej, wysokiej klasy systemem technicznym i telemedycznym, umożliwiającym wykonywanie części operacji w sposób małoinwazyjny, precyzyjny, bezpieczny dla pacjenta i chirurga. Tym samym stałaby się pierwszą europejską konkurencją dla amerykańskiego robota da Vinci.






Joanna Śliwka - Śląskie Centrum Chorób Serca	dr n. med. Grzegorz Religa - Instytut Kardiologii w Aninie


dr hab. Romuald Cichoń - Dyrektor Naukowy Fundacji	Michał Zembala - Śląskie Centrum Chorób Serca


dr Zbigniew Nawrat - kierownik eksperymentu

Wszystkie zabiegi chirurgiczne poprzedzono premedykacją i znieczuleniem ogólnym, zgodnie z obowiązującą procedurą. Nad przygotowaniem zwierząt do operacji czuwał zespół weterynaryjny i pielęgniarski. Zwierzętom podano odpowiednie leki, wykonano intubację, podłączono znieczulenie wziewne. Pierwszy eksperyment, najprostszy technicznie, wykonany został w jamie brzusznej świni - polegał na usunięciu pęcherzyka żółciowego. Za pomocą robota wypreparowany został przewód żółciowy wspólny i tętnicy pęcherzykowej. Przy stole operacyjnym umieszczono wszystkie prototypowe roboty zespolone nowym systemem sterowania. Konsola sterowania robotem znajdowała się w sąsiednim pomieszczeniu. Eksperyment wykazał zarówno właściwą efektywność systemu sterowania robota, jak i narzędzi chirurgicznych. Szeroko zastosowane zostało - odpowiednio zmodyfikowane i zamocowane na ramieniu robota - laparoskopowe narzędzie do elektrokoagulacji, otrzymane dzięki współpracy z warszawską firmą EMED. Analiza ergonomii pracy chirurga wskazała na potrzebę wprowadzenia nowego monitora, który pokazałby widok z sali operacyjnej, a także na konieczność wprowadzenia systemu orientującego na monitorze obraz pola operacji, zgodny z intuicyjną względem narzędzi orientacją operatora (lewe narzędzie po lewej stronie obrazu). Na zakończenie eksperymentu dokonano próby ustawienia robotów do przeprowadzenia kolejnej operacji - wszycia tzw. by-passu na bijącym sercu (bez krążenia pozaustrojowego). Jednym z elementów tego zabiegu jest pozyskanie naczynia (tętnicy piersiowej), wykorzystywanego potem jako graft naczyniowy do zrobienia by-passu. Niestety, okazało się, że plan operacji opracowany na wirtualnym modelu człowieka, nie sprawdził się w warunkach operacji na zwierzęciu. Klatka piersiowa świni jest znacznie węższa od klatki piersiowej człowieka o tej samej wadze, pojawił się więc problem kolizji ramion robota w przestrzeni operacyjnej. Z tego powodu zabieg wszycia by-passów został odłożony, a jego przeprowadzenie możliwe będzie po wykonaniu odpowiednich badań i rozwiązaniu problematycznych kwestii anatomiczno-technicznych w warunkach laboratoryjnych. Ostatni eksperyment polegał na operacji zastawki trójdzielnej i mitralnej. Anatomia serca oraz klatki piersiowej świni znakomicie uwidacznia te zastawki i umożliwia dojście do nich przez otwór w przestrzeni międzyżebrowej. Trudność zabiegu wiąże się z potrzebą zastosowania krążenia pozaustrojowego - mechanicznej pompy i oksygenatora (natleniacza krwi) - umożliwiającego operację na otwartym sercu. Znieczulenie zwierzęcia wykonano podobnie jak w poprzedniej procedurze. W pierwszej fazie zabiegu, pod kontrolą wizualizacji endoskopowej, przy pomocy narzędzia z elektrokoagulacją nacięto worek osierdziowy i odkryto serce. Następnie nacięto prawy przedsionek, uwidoczniono zastawkę trójdzielną, na której wykonano elementy zabiegu naprawczego. W takcie eksperymentu po raz pierwszy zastosowane zostały, zamocowane na ramieniu robota narzędzia chirurgiczne Robin Heart Uni System. Po zakończeniu eksperymentu chirurdzy wykorzystali je również w sposób tradycyjny (manualnie), do wykonania kilku zadań w obrębie otwartego serca. Okazało się, że dla poprawy sprawności narzędzi konieczne jest wprowadzenie pewnych zmian technologicznych (dotyczy to zwłaszcza okładzin kleszczyków igłotrzymacza). Zwierzęta uczestniczące w eksperymencie, po jego zakończeniu, poddane zostały eutanazji.

Na przygotowywany do badań klinicznych, zrobotyzowany system Robin Heart składają się: program planowania, szkolenia, program ekspertowy, a także telemanipulatory i automatyczne narzędzia chirurgiczne. Eksperyment przygotowany został przez zespół Pracowni Biocybernetyki Instytutu Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu w składzie: Zbigniew Nawrat (kierownik projektu), Paweł Kostka, Wojciech Dybka, Kamil Rohr, Mariusz Jakubowski, Adam Klisowski. Uczestniczyli w nim znakomici chirurdzy: doc. Romuald Cichoń (wykonał m.in. 350 operacji robotem da Vinci), dr Grzegorz Religa z Instytutu Kardiologii w Aninie, Joanna Śliwka i Michał Zembala ze Śląskiego Centrum Chorób Serca. Za perfuzję odpowiadał Adam Słomka, opiekę weterynaryjną i anestezjologiczną sprawował Szymon Kostrzewski, opiekę pielęgniarską - Barbara Duda. Ocena praktycznych możliwości systemu Robin Heart nasunęła wnioski dotyczące konieczności wprowadzenia odpowiednich zmian w projekcie robota Robin Heart oraz określenia pełnego programu badań przedklinicznych. Jedną z podstawowych kwestii jest akceptacja przez chirurgów nieintuicyjnego sposobu sterowania funkcjami narzędzi. Sterowanie za pomocą przycisków, zarówno w narzędziach Uni System, jak i w konsoli Shell, nie nastręczało żadnych kłopotów. Pożądane są natomiast zmiany w technologii wykonania elementów narzędzi oraz ergonomii konsoli. Jeden z testowanych robotów - Robin Heart Vision, służący do kontroli położenia toru endowizyjnego, uzyskał pełną akceptację użytkowników. Możliwe jest zatem rozpoczęcie przygotowań do wdrożenia go do praktyki klinicznej. Rodzina polskich robotów Robin Heart ma szanse stać się powszechnie stosowanym przez chirurgów wysokiej klasy systemem technicznym i telemedycznym, umożliwiającym wykonywanie części operacji w sposób mniej inwazyjny, precyzyjny, bezpieczny dla pacjenta i chirurga.

Projekt robota Robin Heart finansowany był w ramach projektu badawczego KBN 8 T11E 001 18, projektu zamawianego PW-004/ITE/02/2004, jako projekt badawczy rozwojowy ze środków na naukę w latach 2006-2009, jako grant nr R1303301 oraz ze środków Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii (Fundacja sfinansowała zarówno prace przygotowawcze, jak również sam eksperyment), a także przez wielu sponsorów. Wszystkim sponsorom, uczestnikom grantu, naukowcom i studentom składamy serdeczne podziękowania za wkład w realizację projektu. Dziękujemy również firmom, które udzieliły nam pomocy w postaci sprzętu i uwag merytorycznych. Do grona tego należą: żywiecki FAMED - producent sprzętu szpitalnego oraz warszawski EMED - produkujący elektronarzędzia chirurgiczne.