Obecnie stosowane roboty ortopedyczne wykorzystują sztuczną inteligencję działającą w systemach zamkniętych, opartą na dużych bazach danych. Wykorzystują wirtualne odwzorowanie stawów, indywidualną sekwencję zakresu ruchu stawu, jego odstępstw od fizjologii oraz – te bardziej zaawansowane – odwzorowanie napięcia tkanek okołostawowych. W ortopedii robotycznej przodują Chiny z ponad 15 typami „ramion robotycznych”, ale Polska należy do czołowych państw Europy rozwijających te techniki. Wdrażamy najnowocześniejsze rozwiązania mimo barier finansowych, jaką stanowią wyceny procedur ortopedycznych, nie uwzględniające techniki robotycznej — mówi dr hab. n. med. Paweł Skowronek, kierownik Kliniki Ortopedii Małoinwazyjnej i Rehabilitacji Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego Mazowieckiego Szpitala Bródnowskiego, mazowiecki konsultant wojewódzki ds. ortopedii i traumatologii.
– Wbrew pozorom, ramiona robotyczne stosowane w ortopedii, pracujące z wykorzystaniem sztucznej inteligencji, są bardziej samodzielne niż uniwersalne systemy chirurgiczne typu da Vinci czy Versus?
Paweł Skowronek – Tak zwane „roboty” da Vinci czy Versius są doskonałymi manipulatorami, przedłużeniem ręki chirurga, pozwalającym operować ze znacznie większą precyzją i zakresami swobody. Tymczasem w robotach stosowanych w ortopedii zmierzamy w stronę zagospodarowania sztucznej inteligencji, w tej chwili systemów zamkniętych, bazujących i podejmujących decyzje wspomagające chirurga na podstawie danych z baz procedur ortopedycznych. To najbardziej zaawansowane systemy stosowane teraz w chirurgii, mając na uwadze, iż otwarte samouczące się systemy AI przez cały czas jeszcze nie są akceptowane w medycynie.
– Czyli nie jest to tylko sama precyzyjna mechanika.
– Na podstawie „Big Data”, AI i jej algorytm w oparciu o większą liczbę porównywanych badań jest już w stanie bardziej szczegółowo opisywać wyniki badań obrazowych, tzn. – należy powiedzieć – opisać badanie lepiej od człowieka. Lekarz nie jest bowiem w stanie obejrzeć tylu badań i procedur np. ortopedycznych, nabierając doświadczenia, ile może przeanalizować algorytm w oparciu o światowe bazy danych. Te analizy są stosowane do praktycznego działania. Ortopedia jest jedną z pierwszych dziedzin, gdzie ten proces się rozpoczął, a w tej chwili jest jednym z najbardziej zaawansowanych. Dzieje się to przede wszystkim w zabiegach protezoplastyk stawów i stabilizacji kręgosłupa.
– Ortopedzi są liderami, a wśród ortopedów – kto konkretnie?
– Już praktycznie wszystkie liczące się na świecie ośrodki protezoplastyk korzystają z robotów, czy ramion robotycznych – ten proces jest nieunikniony. W liczbie zabiegów robotycznych zdecydowanie przodują Chiny, ale to głównie ze względu na olbrzymią populację. O ile my – w Polsce czy w Europie – wykorzystujemy w tej chwili 5-6 różnych systemów, to w Chinach naliczyłem ostatnio 16 różnych typów robotów stosowanych w ortopedii. Niedawno prowadziłem wykłady na największym chińskim, a de facto największym światowym kongresie ortopedycznym COA 2023, poświęcone robotyce i technikom miniinwazyjnym. I mogę powiedzieć, iż dzisiaj Chińczycy biją nas na głowę, jeżeli chodzi o różnorodność robotów, ich liczbę oraz ilość wykonywanych zabiegów. W oczywisty sposób dzięki bardzo dużej liczbie wykonywanych zabiegów, dzięki doświadczeniu, ta ilość przechodzi również w jakość.
– Gdzie w tym wyścigu znajduje się polska ortopedia?
– Szczerze mówiąc jesteśmy bardzo wysoko, mamy już co najmniej kilkanaście szpitali, w których pracują roboty ortopedyczne – a w takich Czechach wg moich informacji jest na razie tylko jeden. Jako Mazowiecki Szpital Bródnowski jesteśmy jednym z prekursorów robotyki w ortopedii już od 2020 roku, posiadając unikalny i cięgle najbardziej zaawansowany system robotyczny z balansowaniem tkanek stawu kolanowego. Należy podkreślić, iż robotyka powinna być wprowadzana w doświadczonych, zaawansowanych w protezoplastyce ośrodkach. Jako kraj i specjalizacja ortopedii jesteśmy otwarci na najnowocześniejsze rozwiązania. Na przykład w Skandynawii przez cały czas protezoplastyka opiera się u większości pacjentów, niezależnie od wieku, na sprawdzonych, ale starszych tzw. protezach „cementowanych”. My postępujemy zgodnie z trendami światowymi, stosując w większości protezy „bezcementowe”, „krótkotrzpieniowe” lub standardowe, ale o większym powinowactwie do wgajania biologicznego. Oczywiście, to nie jest tylko kwestia implantów, ale przede wszystkim stosowanych technik operacyjnych, umiejętności i doświadczenia lekarzy, które w Polsce stoją na najwyższym światowym poziomie. Mamy doskonałe ośrodki, system szkolenia, wykorzystujemy nie tylko roboty, ale też najnowsze techniki diagnostyczne, chirurgię małoinwazyjną, różne systemy rozwiązań. Nasz ośrodek specjalizuje się właśnie w technikach małoinwazyjnych, w szczególności protezoplastykach stawów. Operujemy technikami miniinwazyjnymi MIS prawie 15 lat. Nasi pacjenci możliwie najszybciej wracają do normalnego funkcjonowania, często także do bardzo zaawansowanych aktywności, wliczając w to uprawianie amatorskiego i niejednokrotnie wyczynowego sportu.
– Jakiego typu zabiegi wykonuje się z zastosowaniem robotów?
– Roboty z wykorzystaniem sztucznej inteligencji są wykorzystywane w ortopedii głównie do protezowania stawów kolanowych i biodrowych. Ideą jest możliwie najlepsze i najbardziej indywidualne dopasowanie protezy i jej pozycjonowanie do warunków anatomicznych i funkcjonalnych pacjenta. Przykładowo, jeżeli pacjent funkcjonował przez kilkadziesiąt lat ze szpotawymi kolanami, wpłynęło to na jego organizm tak, iż standardowe ustawienie protezy może wywołać większe dolegliwości bólowe niż doświadczane przed zabiegiem. Sztuczna inteligencja dąży do indywidualnego dopasowania wszczepianej protezy dla pacjenta, uwzględniając jego warunki kostne i napięcie tkanek okołostawowych. Oczywiście, również bez „robotów”, to dopasowanie zawsze było najważniejszym wyzwaniem dla chirurga, jednak w większości opartym na doświadczeniu zespołu lekarskiego.
– Na czym polega działanie AI i robota ortopedycznego?
– Podstawą jest analiza danych śródoperacyjnych anatomii i funkcji stawu, często dodatkowa przedoperacyjna diagnostyka obrazowa, choćby tomografia komputerowa, pozwalająca na dodatkowe wirtualne odwzorowanie stawu. W czasie zabiegu na podstawie kilkuset punktów kontrolnych tworzy się wirtualny obraz stawu, z odzwierciedleniem układu ruchu stawu, istniejącej patologii, niestabilności stawu, który operujemy. AI i ramię robotyczne na podstawie analizy wprowadzonych danych określa nam możliwie najbardziej optymalne ustawienie protezy i narzuca geometrię przycięcia kości w stawie. Niektóre roboty posiadają bloki dla elementów tnących lub zamontowaną piłę ustawianą tak, iż chirurgowi pozostaje jedynie odwzorowanie czynności mechanicznej. Są też systemy frezowania – frezuje automat pod naciskiem ręki chirurga, ale tylko do granic wyznaczonych przez AI i robota. To, czy maszyna sama przycina kości, czy też robi to człowiek, jest mało istotne – najważniejsze jest określenie granic przycięcia. Doskonałość AI i robota polega tutaj na bardzo dokładnym ustawieniu parametrów. Lekarz musi oczywiście zaakceptować proponowane ustawienie, może ewentualnie zmodyfikować parametry na podstawie swojej wiedzy, oceny i doświadczenia, sprawdzając wirtualnie ich efekt. Po tej akceptacji – operatorowi pozostaje tylko mechaniczne odtworzenie ustawienia, które zdefiniował robot.
– Kolano jest skomplikowanym mechanizmem, więc liczba i zakres parametrów, które trzeba uwzględniać przy wszczepianiu protez, musi być spora?
– Specyfika operacji kolana polega na tym, iż operujemy tkankę kostną, tak aby uzyskać możliwie najlepiej zbalansowane tkanki miękkie. Chodzi o to, aby napięcie po stronie przyśrodkowej i bocznej stawu było możliwie równomierne wzdłuż całego ruchu stawu (ROM), dawało najlepszą funkcjonalność, najmniejsze dolegliwości bólowe i oczywiście w konsekwencji jak najdłuższy czas funkcjonowania protezy.
Stosowane są także tzw. balansery mechaniczne, które mierzą napięcie tkanek pod naciskiem ręki chirurga. To zawsze jest obarczone błędem chirurga, choćby różną siłą, nie mówiąc o zróżnicowanym doświadczeniu.
– Jaka jest rola balanserów?
– Robot OMNIBotic, którym dysponujemy w Klinice Ortopedii Miniinwazyjnej w Mazowieckim Szpitalu Bródnowskim jest przez cały czas jedynym na świecie typem urządzenia, który posiada elektromagnetyczny balanser tkankowy, niezależnie od wykorzystania typowych parametrów kostnych i ruchowych stosowanych w większości ramion robotycznych. To dodatkowe zaawansowanie było jednym z głównych czynników wyboru tej właśnie jednostki. Balanser tkankowy umożliwia nam pomiar napięcia w trakcie całego zakresu ruchu stawu (ROM) z dokładnością do 1 Newtona – napięcie tkanek po stronie bocznej i przyśrodkowej u pacjenta nieosiągalne praktycznie przez rękę chirurga. To jest jeden z najistotniejszych parametrów, który powinien być brany pod uwagę przy implantacji protezy. Dzięki temu odtwarzamy nie tylko anatomię stawu, ale uwzględniamy możliwie najdokładniej napięcie tkanek stawu w pełnym ROM.
– Czy to naprawdę taki wyjątkowy system?
– Technologia oczywiście cały czas się rozwija i prawdopodobnie wszyscy producenci pracują nad takimi rozwiązaniami, ale póki co jest to – według mojej wiedzy – jedyny seryjny system posiadający takie urządzenie. Dzięki niemu może nam zaproponować bardzo dokładne ustawienie protezy w całym zakresie ruchu stawu (ROM). Z tym wiąże się dokładniejsze ustawienie protezy, a co za tym idzie – mniej dolegliwości bólowych u pacjentów. przez cały czas według EMEA odnotowujemy dolegliwości po zabiegu u około 15 proc. pacjentów. Staramy się, aby było ich jak najmniej, właśnie głównie poprzez AI i indywidualizację protezoplastyki dla pacjenta.
– Czy często zdarza się Panu nie zgodzić z ustawieniem proponowanym przez robota?
– Szczerze mówiąc na początku naszej przygody z robotyką zdarzało się to dużo częściej niż dzisiaj. Wielokrotnie proponowane parametry mocno odbiegały od standardowych zasad protezoplastyki. Ale im dłużej pracujemy, tym bardziej zgadzam się z propozycjami AI i robota. To wpisuje się w tendencję do jak największej indywidualizacji. Z ogólnych zasad anatomicznych przechodzi się na kinematykę, a przede wszystkim personalizację. Im więcej tych robotów wchodzi do użytku, tym bardziej chirurdzy idą w kierunku indywidualizacji zabiegu. Każdy pacjent jest oczywiście inny i spotykamy różnice anatomiczne, przy których w większym stopniu zaufać można swojej ocenie niż robotowi, ale to się będzie zmieniać wraz ze wzrostem liczby wykonywanych zabiegów przez AI, które stanowią podstawę dla działania algorytmów sztucznej inteligencji.
– Jak wygląda konkurencja na rynku robotów stosowanych w ortopedii?
– Na rynku europejskim jest spora liczba dostępnych systemów (5-6), różnych producentów. Większość tych rozwiązań opiera się na wirtualnym modelowaniu protez stawów kolanowych czy biodrowych na podstawie dużych baz danych z wykonanych zabiegów. My jak wspomniałem posiadamy jedyne w Polsce urządzenie OMNIBotic, które pierwotnie zostało opracowane przez technologiczną firmę z Australii, następnie dostosowane do implantów brytyjskich. Najszybciej rozpowszechniają się urządzenia dostosowane do najbardziej popularnych implantów, nie zawsze najbardziej zaawansowane. Większość nie posiada jeszcze wspomnianego zaawansowanego balansera tkankowego, ale postęp technologiczny jest bardzo szybki, więc spodziewam się iż w ciągu kilku lat producenci wzbogacą swoje systemy robotyczne o takie urządzenia. Celem jest bowiem, jak mówiłem, najdokładniejsze dopasowanie standardowych protez do indywidualnych warunków anatomicznych i funkcjonalnych każdego pacjenta. Na rynku są dostępne ramiona typu Rosa, Mako czy Navio, które opierają się na odzwierciedleniu wirtualnym stawu, a niektóre dodatkowo na diagnostyce obrazkowej np. TK. Generalnie są one dopasowane do typów wszczepianych implantów, gdzie każdy producent stara się wykorzystać własne rozwiązania. W przyszłości prawdopodobnie powstanie także system wykorzystujący wszystkie typy protez, podobnie jak w programach do planowania przedoperacyjnego – ale to jest kwestia kolejnych inwestycji.
Niektóre roboty mogą być stosowane zarówno do protez kolanowych, jak i biodrowych – to adekwatnie jest jedynie kwestia oprogramowania. Staw biodrowy jest prostszym układem mechanicznym, chociaż trudniej dostępnym. W jego przypadku balanser tkankowy, który posiada nasz system, nie ma zastosowania. Osobnym kierunkiem działania jest drukowanie protez 3D, co stosujemy od wielu lat, zwłaszcza u pacjentów bardzo nietypowych anatomicznie, z urazami czy masywnymi destrukcjami kostnymi. Trzeba jednak pamiętać, iż drukowana proteza – to koszt choćby 8-10 razy wyższy w stosunku do standardowej.
– W którym kierunku idzie rozwój tych systemów i technologii?
– Należy wskazać przede wszystkim kierunek otwartych algorytmów AI, czyli samouczącej się sztucznej inteligencji, która na razie w medycynie nie jest dozwolona, ponieważ oznaczałoby to ryzyko utraty kontroli przez lekarza nad procesem leczenia i np. działaniami robota. Dane z operacji robotycznych są zbierane do baz danych, tak aby algorytm o nie oparty wskazywał optymalny sposób dopasowania protezy. Stosując OMNIBotic działamy na bazie około 100 tysięcy przypadków stworzonej do 2020 roku, tak aby system potrafił formułować wskazania dla operatora odnośnie dopasowania protezy. Kolejne dane są do niej wprowadzane na bieżąco oczywiście pod kontrolą specjalistów. Prawdopodobnie w 2025-26 roku ta baza sięgnie już około 200 tysięcy operacji. Póki co nie istnieje jeszcze żaden globalny serwer, do którego spływałyby na bieżąco dane ze wszystkich zabiegów i wzbogacały algorytm AI – ale prawdopodobnie kiedyś tak się stanie. przez cały czas dzieje się to w sposób możliwie najbardziej bezpieczny, pod kontrolą człowieka.
– Czy stosowanie robotów się opłaca?
– No właśnie, do rozważań o robotach koniecznie należy dodać aspekt finansowy i demograficzny. Według EMEA z 2018 roku w ciągu najbliższych 10 lat w Europie liczba protezoplastyk np. stawu biodrowego zwiększy się o 50-80 proc. w zależności od kraju. Natomiast koszty tych zabiegów i opieki pooperacyjnej niemal się podwoją. Tymczasem zastosowanie technik miniinwazyjnych w tych zabiegach zmniejsza koszty o jedną trzecią ze względu na mniejszą liczbę komplikacji, szybszą wczesną rehabilitację i skróconą hospitalizację w stosunku do zabiegów standardowych. Amerykańskie analizy wskazują, iż dzięki technikom MIS całkowity koszt leczenia polegającego na wszczepieniu protezy spada o 1/3 z 20 do 14 tysięcy dolarów. To samo może dotyczyć robotyki i jej indywidualizacji dla pacjenta. Warto też dodać, iż zabieg z zastosowaniem robota po okresie “krzywej uczenia” trwa przez cały czas dłużej niż standardowy, choćby jeżeli operuje bardzo doświadczony chirurg. Koszty zabiegu z użyciem AI i robota są dla nas wyższe niż typowego, ze względu na czas i dodatki stosowane przy systemach robotycznych. Niestety wycena NFZ jest jedna, niezależnie od zastosowanej techniki. Mam nadzieję, iż to się kiedyś zmieni, podobnie jak stało się w ostatnim czasie w przypadku kilku zabiegów onkologicznych.
– Szpital Bródnowski posiada robota już czwarty rok. Ile zabiegów wykonujecie za jego pomocą?
– Stosujemy robota do zabiegów endoprotezoplastyki stawów kolanowych, wykonując średnio 2-3 operacje w tygodniu, oczywiście w zależności od liczby pacjentów urazowych. Jako jeden z największych oddziałów ortopedyczno-urazowych w Warszawie jesteśmy obarczeni olbrzymią liczbą pacjentów z SOR. Rocznie daje to możliwość wykonania około 150 zabiegów. Początkowo liczba była oczywiście mniejsza, ze względu na krzywą uczenia i dostosowanie personelu. Cały czas oczywiście optymalizujemy i maksymalizujemy tego typu zabiegi. Wykonujemy zabiegi także bez robota, z użyciem balansera mechanicznego lub techniką tradycyjną. Wszystko jest dopasowane do indywidualnych potrzeb pacjentów i typów implantów. Na początku stosowania robota używaliśmy go głównie do przypadków, które były standardowe. Z czasem rozszerzamy wskazania dla bardziej nietypowych pacjentów.
– W chirurgii jakość idzie za ilością wykonywanych zabiegów.
– Chirurg ortopeda powinien wykonywać około stu zabiegów endoprotezoplastyki rocznie, aby zachować odpowiedni poziom doświadczenia i sprawności. Wbrew pozorom nie jest to oczywiste. Na przykład w USA większość chirurgów wykonuje około 20 zabiegów rocznie, co wynika z dużej liczby ortopedów, rozrzuconych regionalnie na olbrzymich terenach kraju, klinik i finansowania zabiegów. W naszym szpitalu operuje na stałe czterech chirurgów protezowych, a rocznie wykonujemy w sumie około tysiąca operacji wszystkimi technikami. Dzięki temu możemy się uznawać za zaawansowany ośrodek protezowy, dysponujący naprawdę doświadczonymi operatorami. Oczywiście, jako ośrodek szkoleniowy protezoplastyk i jedyny tak zaawansowany ośrodek technik miniinwazyjnych, również uczymy i przekazujemy wiedzę zarówno lekarzom w trakcie szkolenia, jak i chcącym nabyć nowoczesną wiedzę specjalistom z zakresu ortopedii. Dla zarysowania perspektywy dodam, iż w Polsce rocznie wykonuje się około 40 tysięcy zabiegów protezowania stawów kolanowych i około 100 tys. zabiegów protezoplastyk ogólnie. Odsetek zabiegów robotowych w skali naszego kraju nie jest na razie zbyt wysoki.
– Roboty w ortopedii to nie tylko stawy kolanowe i biodrowe.
– Dostępne są choćby systemy do operacji kręgosłupa, których działanie opiera się na wirtualnych nakładkach pokazujących obrazy tomografii komputerowej w czasie rzeczywistym operacji, tak aby chirurg mógł np. optymalnie ukierunkować śruby transpedikularne. Na razie takie roboty są jednak bardziej odtwórcze i mniej czerpią z „Big Data” czy AI. Na dzisiaj systemy do endoprotezoplastyki stawów kolanowych i biodrowych należy uznać za najbardziej zaawansowane.
– W którym kierunku rozwija się technologia robotyczna i AI w ortopedii?
– Rozwój jest intensywny, dlatego liczymy się z tym, iż nasz robot po okresie 6-8 lat będzie wymagał już zastąpienia przez nowy system. Najłatwiej można zmienić czy „upgrade’dować” oprogramowanie. Spodziewam się choćby szerszego wykorzystywania laserów czy wirtualnej rzeczywistości. Póki co nie ma prób wprowadzania autonomicznie działających robotów, chociaż są już na przykład automatyczne frezy do jamy szpikowej kości lub panewek stawu biodrowego, które oczywiście działają pod kontrolą lekarza. Wyeksponowanie operowanego stawu, tzw. dostęp operacyjny – to problem, którego autonomiczny robot sam w tej chwili nie rozwiąże z uwagi na różnice anatomiczne pomiędzy pacjentami. Dużo większy obszar do rozwoju algorytmów sztucznej inteligencji widzę również w samej diagnostyce i medycynie podstawowej. Tu chyba najszybciej zawita samoucząca się, otwarta AI.
Dziękuję za rozmowę
