Roboty operacyjne coraz częściej wykorzystujemy w różnego typu zabiegach – są precyzyjniejsze niż ludzie i popełniają mniej błędów, jednak wciąż sterują nimi chirurdzy. Kiedy pojawią się roboty autonomicznie, samodzielnie wykonujące operacje, przynajmniej w pewnym zakresie?
– Znamy roboty diagnostyczne czy onkologiczne, wykorzystujące zjawiska biofizyczne związane z napromieniowaniem tkanek, ale są już prowadzone prace nad robotami autonomicznymi. Największy postęp jest w dziedzinie robotów rehabilitacyjnych oraz socjalnych – na przykład opiekujących się obłożnie chorymi pacjentami, przebywającymi w domu lub w ośrodku opiekuńczym.
Są w stanie samodzielnie zajmować się chorym?
– Wyposażenie robotów w sztuczną inteligencję zwiększa możliwość komunikowania się z nimi. Można będzie na przykład polecić maszynie, aby znalazła na podłodze śmieci i je usunęła. I nie trzeba będzie wyjaśniać, jak to zrobić – maszyna sama dojdzie w wniosku, iż do tego przeznaczony jest kosz znajdujący się w określonym miejscu.
W jaki sposób?
– Takie roboty, podobnie jak ludzie, coraz więcej wiedzą o środowisku, w którym przebywają. Bo to nie są roboty przemysłowe, zaprogramowane jedynie do wykonywania określonej czynności, ale urządzenia potrafiące naśladować zachowanie człowieka, czyli potrafiące zarówno się przemieszczać w pewnej przestrzeni, jak też oceniać otoczenie i podejmować odpowiednie decyzje.
A inteligentne roboty operacyjne?
– W tych aparatach głównym kłopotem są zmysły. Nie będzie inteligentnego robota bez czujników, sensorów i możliwości przesyłania odbieranych informacji do ośrodka nadzorującego wykonywanie konkretnych zadań. Jeszcze kilka lat temu roboty były głównie manipulatorami, a o wszystkim podczas operacji decydował operator, głównie o tym, jakie ruchy mają być wykonywane. Takie roboty nie mają jednak czucia, nie potrafią odróżnić miękkiej tkanki od twardej.
Jak można nauczyć roboty „czucia”?
– Są dwa główne sposoby samodzielnego, aktywnego podejścia do chirurgii. Jednym z nich jest wykorzystanie przez wyposażonego w sztuczną inteligencję robota obrazów wideo – z wcześniej zarejestrowanych operacji. Jedno z takich urządzeń, opracowane przez specjalistów amerykańskich, w ten sposób nauczyło się, jakie tkanki ma ominąć, a jakie naciąć, a także – jak wykonać szycie rany pooperacyjnej.
Tak po prostu? To nie jest jedynie nauka gry w szachy.
– Tak, to prawda, analiza obrazu jest okupiona sporym zajęciem pamięci komputera. I dla komputera sterującego robotem jest to niemal zabójcze. Te same trudności mamy w przypadku naszego robota operacyjnego Robin Heart.
Jak jest z sensorami czucia?
– Są niezbędne podczas autonomicznej operacji robotowej. jeżeli mamy poczucie siły nacisku podczas sterowania joystickiem narzędzi chirurgicznych, to lepiej wyczuwamy, iż styka się ono z tkanką miękką lub znajdującą się pod nią kością. I nie uszkodzimy naczynia krwionośnego.
Z tym jest jednak problem?
– Tak. Przestrzeń, w jakiej operuje chirurg, jest wypełniona różnymi płynami i związkami chemicznymi, na które narażone są czujniki oraz ich elektronika. A przecież muszą być też sterylne. Poza tym oddziałują na nie różne siły – od jednego do dziesięciu niutonów albo choćby większe – jeden niuton to siła, z jaką trzeba działać na ciało o masie 1 kg, by nadać mu przyśpieszenie równe 1 m/s2. Czujnik musi zatem zmierzyć zarówno siły nacisku kilku zaledwie gramów, jak i kilograma – 1 kg to 9,8 niutona. A to duże wyzwanie technologiczne.
Do opanowania?
– Z pewnością jednym z rozwiązań jest zastosowanie różnego typu czujników, rejestrujących większe i mniejsze siły nacisku. Takie czujniki muszą być jeszcze odpowiednio izolowane podczas operacji kardiochirurgicznej, żeby nie zakłóciły pracy mięśnia sercowego. Czujnik musi być też odpowiednio zminiaturyzowany, gdy używane są narzędzia o rozmiarach zaledwie 5–6 mm. W laboratoriach wykorzystujemy urządzenia pomiarowe o należytej dokładności i zakresie działania, ale są one duże i ciężkie. Brak ich odpowiedników, które mogłyby być zastosowane w warunkach klinicznych w narzędziach.
Roboty operacyjne stają się już coraz bardziej autonomiczne i bardziej wszechstronne, przystosowane do różnego typu zabiegów. Nie pracujemy nad robotami po to, by z założenia były bardziej autonomiczne, ale żeby osiągnąć jakiś cel ich funkcjonalności. Pewien zakres samodzielności robotów jest potrzebny na przykład podczas operowania na odległość, kiedy chirurg znajduje się przy konsoli i steruje narzędziami w większym oddaleniu od operowanego pacjenta – w innym mieście, na drugim kontynencie.
Chodzi o opóźnienie sygnału i ewentualne zakłócenia w komunikacji między chirurgiem i maszyną?
– Tak. Obraz pola operacyjnego dociera wtedy z opóźnieniem, a w jakimś momencie może nie być odpowiednio wysokiej jakości. Albo pojawiają się opóźnienia w przekazywaniu komunikatów do robota, co też zakłóca wykonanie zabiegu. Poza tym możliwa jest utrata sygnału. To najbardziej dramatyczna sytuacja. Trzeba wtedy pozwolić robotowi na podejmowanie samodzielnych decyzji, w jakimś oczywiście zakresie. Najpierw jednak musi on wiedzieć, iż wystąpiła sytuacja awaryjna i jakiego jest ona rodzaju. Następnie powinien on ustalić, jakie zadania może kontynuować, a jakich musi zaprzestać.
To mogą być sytuacje, w których decyduje się życie pacjenta.
– Tak, to prawda, dlatego trzeba ściśle określić zakres autonomii robota operacyjnego w sytuacji awaryjnej. Takie prace badawcze prowadzimy nad naszym robotem Robin Heart. W razie utraty komunikacji powinien on przede wszystkim określić, czy występuje krwawienie, a jeżeli tak, to musi potrafić je zatrzymać przy użyciu elektrycznej koagulacji. A do tego niezbędna jest sztuczna inteligencja.
Dlaczego?
– Nie potrafimy precyzyjnie określić, jak robot ma to wykonać przy użyciu klasycznych algorytmów postępowania, krok po kroku. Musi podjąć wiele czynności, których nie da się obliczyć. Sam zatem musi nauczyć się wykonać taki zabieg adekwatnie i bezpiecznie, przy użyciu sztucznej inteligencji.
Robin Heart się nauczył?
– Nauczył się, potrafi choćby wykonać elektryczną koagulację znacznie lepiej niż człowiek. Bez maszynowego uczenia się, nazywanego sztuczną inteligencją, nie byłoby to możliwe. W sytuacjach krytycznych, do jakich może dojść w operacjach zdalnie sterowanych, takie umiejętności robota operacyjnego są wręcz niezbędne. Nasze podejście jest oryginalne, ale na to wyzwanie związane z usamodzielnieniem robota próbują również odpowiedzieć w innych ośrodkach na świecie.
Roboty operacyjne, poza zdalnymi operacjami, również mogłyby niektóre zabiegi lub czynności wykonywać autonomicznie.
– Jak najbardziej. Można nauczyć robota automatycznego zszywania rany pooperacyjnej albo jakiego prądu najlepiej użyć podczas elektrycznej koagulacji i to odpowiednio dobranej do danej tkanki.
Robin Heart wykonywał już operacje na pacjentach?
– Nie, był jedynie testowany na zwierzętach. Brakuje nam środków na badania nad naszym robotem. Ostatni grant naukowy na prace nad nim otrzymaliśmy przed 10 laty. W ciągu 20 lat wydaliśmy w sumie zaledwie 5 mln zł. Aby otrzymać więcej środków, niezbędny jest partner, na przykład firma produkująca roboty zainteresowana wdrożeniem go do produkcji.
Jaka zatem będzie przyszłość robotów operacyjnych?
– Na pewno będą rozwijane w kierunku większej automatyzacji niektórych czynności wykonywanych podczas operacji, a choćby niektórych zabiegów. Dzięki temu będzie można je wykorzystać na przykład w czasie wojny w szpitalu polowym, a w przyszłości – na statku kosmicznym. Ale najważniejszym wyzwaniem jest standaryzacja zabiegów, czyli optymalizacja wykonywanych operacji. Każdy przecież pacjent zasługuje na wykonanie operacji najlepiej, jak to jest w ogóle możliwe – niezależnie od tego, kto operuje i gdzie. Tego nie da się zrobić bez robotów z AI.
Z dr. hab. Zbigniewem Nawratem z Instytutu Protez Serca Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii i Zakładu Biofizyki SUM Wydziału Nauk Medycznych w Zabrzu, współtwórcą polskiego robota Robin Heart, rozmawia Zbigniew Wojtasiński.
