Bio-ingenieurs van het Boston Children's Hospital melden de eerste demonstratie van een robot die autonoom door het lichaam kan navigeren. In een diermodel van hartklepreparatie, het team programmeerde een robotkatheter om zijn weg te vinden langs de wanden van een pak slaag, met bloed gevuld hart naar een lekkende klep - zonder begeleiding van een chirurg. Ze rapporteren hun werk vandaag in Wetenschap Robotica .

Chirurgen gebruiken al meer dan tien jaar robots die worden bediend met joysticks, en teams hebben aangetoond dat kleine robots door het lichaam kunnen worden gestuurd door externe krachten zoals magnetisme. Echter, senior onderzoeker Pierre Dupont, doctoraat, hoofd van Pediatric Cardiac Bioengineering bij Boston Children's, zegt dat, voor zover hij weet, dit is het eerste rapport van het equivalent van een zelfrijdende auto die naar een gewenste bestemming in het lichaam navigeert.

Dupont stelt zich voor dat autonome robots chirurgen helpen bij complexe operaties, het verminderen van vermoeidheid en het bevrijden van chirurgen om zich te concentreren op de moeilijkste manoeuvres, resultaten verbeteren.

"De juiste manier om hierover na te denken is door de analogie van een jachtpiloot en een jachtvliegtuig, "zegt hij. "Het gevechtsvliegtuig neemt de routinetaken op zich, zoals het vliegen met het vliegtuig, zodat de piloot zich kan concentreren op de taken op een hoger niveau van de missie."

Aanraakgestuurd zicht, geïnformeerd door AI

De robotkatheter van het team navigeerde met behulp van een optische aanraaksensor die is ontwikkeld in het laboratorium van Dupont, geïnformeerd door een kaart van de hartanatomie en preoperatieve scans. De aanraaksensor maakt gebruik van kunstmatige intelligentie (AI) en beeldverwerkingsalgoritmen om de katheter in staat te stellen te bepalen waar hij zich in het hart bevindt en waar hij heen moet.

Voor de demonstratie het team voerde een technisch veeleisende procedure uit die bekend staat als paravalvulaire aorta-leksluiting, die vervangende hartkleppen repareert die aan de randen zijn gaan lekken. (Het team bouwde zijn eigen kleppen voor de experimenten.) Zodra de robotkatheter de leklocatie had bereikt, een ervaren hartchirurg nam de controle over en bracht een plug in om het lek te dichten.

Bij herhaalde proeven, de robotkatheter navigeerde met succes naar hartkleplekken in ongeveer dezelfde tijd als de chirurg (met behulp van een handgereedschap of een joystickgestuurde robot).

Biologisch geïnspireerde navigatie

Via een navigatietechniek genaamd "muur volgen, " de optische aanraaksensor van de robotkatheter bemonsterde zijn omgeving met regelmatige tussenpozen, ongeveer zoals de antennes van insecten of de snorharen van knaagdieren hun omgeving bemonsteren om mentale kaarten te maken van onbekende, donkere omgevingen. De sensor vertelde de katheter of hij bloed aanraakte, de hartwand of een klep (door middel van beelden van een op de punt gemonteerde camera) en hoe hard hij drukte (om te voorkomen dat hij het kloppende hart beschadigt).

Gegevens van preoperatieve beeldvorming en machine learning-algoritmen hielpen de katheter om visuele kenmerken te interpreteren. Op deze manier, de robotkatheter komt vanzelf voort uit de basis van het hart, langs de wand van de linker hartkamer en rond de lekkende klep totdat deze de plaats van het lek heeft bereikt.

"De algoritmen helpen de katheter om erachter te komen welk type weefsel het aanraakt, waar het in het hart is, en hoe het zijn volgende beweging moet kiezen om te komen waar we willen dat het gaat, ' legt Dupont uit.

Hoewel de autonome robot er iets langer over deed dan de chirurg om de lekkende klep te bereiken, de muurvolgende techniek betekende dat het de langste weg volgde.

"De navigatietijd was voor iedereen statistisch gelijk, waarvan we denken dat het behoorlijk indrukwekkend is, aangezien je in het met bloed gevulde kloppende hart bent en probeert een doelwit op millimeterschaal op een specifieke klep te bereiken, ' zegt Dupont.

Hij voegt eraan toe dat het vermogen van de robot om zijn omgeving te visualiseren en te voelen, de noodzaak voor fluoroscopische beeldvorming zou kunnen elimineren, die typisch wordt gebruikt bij deze operatie en patiënten blootstelt aan ioniserende straling.

Een toekomstvisie?

Dupont zegt dat het project de meest uitdagende van zijn carrière was. Terwijl de hartchirurg, die de operaties op varkens uitvoerden, kon ontspannen terwijl de robot ontdekte dat de klep lekte, het project was belastend voor Dupont's ingenieursbureaus, die de robot soms halverwege de operatie moesten herprogrammeren omdat ze de technologie perfectioneerden.

"Ik herinner me momenten dat de technici van ons team volledig uitgeput de OK verlieten, maar we hebben het voor elkaar gekregen, ", zegt Dupont. "Nu we autonome navigatie hebben gedemonstreerd, er is veel meer mogelijk."

Sommige cardiale interventionisten die op de hoogte zijn van Duponts werk, zien het gebruik van robots voor meer dan alleen navigatie, uitvoeren van routinematige hartkarteringstaken, bijvoorbeeld. Sommigen stellen zich voor dat deze technologie begeleiding biedt bij bijzonder moeilijke of ongebruikelijke gevallen of assisteert bij operaties in delen van de wereld waar zeer ervaren chirurgen ontbreken.

Nu de Food and Drug Administration een regelgevend kader begint te ontwikkelen voor apparaten met AI, Dupont voorziet de mogelijkheid van autonome chirurgische robots over de hele wereld die hun gegevens bundelen om de prestaties in de loop van de tijd continu te verbeteren - net zoals zelfrijdende voertuigen in het veld hun gegevens terugsturen naar Tesla om zijn algoritmen te verfijnen.

"Dit zou niet alleen het speelveld egaliseren, het zou het verhogen, ", zegt Dupont. "Elke clinicus in de wereld zou op een niveau van vaardigheid en ervaring werken dat gelijkwaardig is aan de beste in hun vakgebied. Dit is altijd de belofte geweest van medische robots. Autonomie is misschien wat ons daar brengt."