Роботизиран катетър, използващ нов сензор, информиран от AI и обработка на изображения, прави свой собствен път до течаща сърдечна клапа

Биоинженерите от детската болница в Бостън съобщават за първата демонстрация на робот, способен да се движи автономно в тялото. В животински модел на поправка на сърдечна клапа, екипът програмира роботизиран катетър, за да намери пътя си по стените на биещо, изпълнено с кръв сърце до течаща клапа - без ръководството на хирурга. Те отчитат работата си днес в Science Robotics.

медицинската

Хирурзите са използвали роботи, управлявани от джойстици повече от десетилетие, а екипите са показали, че мънички роботи могат да бъдат насочвани през тялото от външни сили като магнетизъм. Старшият изследовател, д-р Пиер Дюпон, ръководител на педиатричната кардиологична биоинженерия в Boston Children's, казва, че доколкото му е известно, това е първият доклад за еквивалента на самоуправляваща се кола, навигираща до желаната дестинация в тялото.

Dupont предвижда автономни роботи да помагат на хирурзите в сложни операции, намалявайки умората и освобождавайки хирурзите да се фокусират върху най-трудните маневри, подобрявайки резултатите.

„Правилният начин да мислим за това е чрез аналогията на боен пилот и боен самолет“, казва той. „Изтребителният самолет поема рутинните задачи като летене на самолета, така че пилотът може да се съсредоточи върху задачите от по-високо ниво на мисията.“

Виждане с докосване, информирано от AI

Роботизираният катетър на екипа се придвижва с помощта на оптичен сензорен сензор, разработен в лабораторията на Dupont, информиран от карта на сърдечната анатомия и предоперативни сканирания. Сензорът за докосване използва изкуствен интелект (AI) и алгоритми за обработка на изображения, за да позволи на катетъра да разбере къде се намира в сърцето и къде трябва да отиде.

За демонстрацията екипът извърши изключително технически взискателна процедура, известна като затваряне на паравалвуларен аортен теч, която ремонтира заместващи сърдечни клапи, които започнаха да изтичат около краищата. (Екипът конструира свои собствени клапани за експериментите.) След като роботизираният катетър достигна мястото на теча, опитен кардиохирург пое контрола и постави щепсел, за да затвори теча.

При многократни опити роботизираният катетър успешно се придвижва до изтичане на сърдечна клапа за приблизително същия период от време като хирурга (използвайки ръчен инструмент или робот, контролиран с джойстик).

Биологично вдъхновена навигация

Чрез навигационна техника, наречена „следване на стената“, оптичният сензор за докосване на роботизирания катетър взема проби от околната среда на редовни интервали, по начина, по който антените на насекомите или мустаците на гризачите вземат проби от заобикалящата ги среда, за да изградят ментални карти на непозната, тъмна среда. Сензорът каза на катетъра дали докосва кръв, сърдечна стена или клапан (чрез изображения от монтирана на върха камера) и колко силно се натиска (за да не увреди биещото сърце).

Данните от предоперативните алгоритми за изображения и машинно обучение помогнаха на катетъра да интерпретира визуалните характеристики. По този начин роботизираният катетър напредва сам от основата на сърцето, по стената на лявата камера и около течащия клапан, докато достигне мястото на теча.

„Алгоритмите помагат на катетъра да разбере какъв тип тъкан се докосва, къде се намира в сърцето и как трябва да избере следващото си движение, за да стигне там, където искаме да отиде“, обяснява Дюпон.

Въпреки че на автономния робот му трябваше малко повече време от хирурга, за да достигне до течащия клапан, техниката му за проследяване на стената означаваше, че той е поел по най-дългия път.

„Времето за навигация беше статистически еквивалентно за всички, което според нас е доста впечатляващо, като се има предвид, че сте в кръвоносното биещо сърце и се опитвате да достигнете целта от милиметров мащаб на определен клапан“, казва Дюпон.

Той добавя, че способността на робота да визуализира и усеща околната среда може да елиминира необходимостта от флуороскопско изобразяване, което обикновено се използва при тази операция и излага пациентите на йонизиращо лъчение.

Визия за бъдещето?

Дюпон казва, че проектът е бил най-предизвикателният в кариерата му. Докато сърдечно-хирургичният сътрудник, извършил операциите върху свинете, успя да се отпусне, докато роботът установи, че клапанът изтича, проектът облагаше инженерните сътрудници на Дюпон, които понякога трябваше да препрограмират робота в средата на работа, тъй като усъвършенстваха технологията.

„Спомням си моменти, когато инженерите от нашия екип излязоха от ИЛИ напълно изтощени, но успяхме да го направим“, казва Дюпон. „Сега, след като демонстрирахме автономна навигация, е възможно много повече.“

Някои сърдечни интервенционалисти, които са запознати с работата на Дюпон, използват роботи за повече от навигация, като изпълняват рутинни задачи за картографиране на сърцето например. Някои предвиждат тази технология да предоставя насоки по време на особено трудни или необичайни случаи или да помага при операции в части на света, в които липсват висококвалифицирани хирурзи.

Тъй като Администрацията по храните и лекарствата започва да разработва регулаторна рамка за устройства с AI, Dupont предвижда възможността автономни хирургически роботи по целия свят да обединяват своите данни, за да подобряват непрекъснато производителността във времето - подобно на самоуправляващите се превозни средства в полето изпращат данните си обратно на Tesla, за да усъвършенстват своите алгоритми.

„Това не само ще изравни игралното поле, но и ще го повиши“, казва Дюпон. "Всеки клиницист в света ще работи на ниво умения и опит, еквивалентни на най-доброто в своята област. Това винаги е било обещанието на медицинските роботи. Автономията може би е това, което ни отвежда там."