Számítógéppel Integrált Sebészet Szimpózium I-II. Konferenciakiadvány Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem – Irányítástechnika és Informatika Tanszék
Szervezők: BME – IIT Orvosi Informatika Laboratórium Méréstechnikai, Automatizálási és Informatikai Tudományos Egyesületet (MATE) – Irányításelméleti Szakosztály Elnök: Társelnök:
Szerkesztők:
Dr. Somló János Dr. Benyó Zoltán
Dr. Benyó Zoltán Haidegger Tamás
ISBN-978-963-421-589-9
Tartalomjegyzék Előszó
4
Benyó Zoltán
A CIS jelene és jövője
6
Haidegger Tamás
RTG-CT-MR-PET összehasonlítása
7
Gyebnár János Norbert, Vukov Ádám
Optikai műtéti követés: lehetőségek és limitációk
9
Steiner Henriette
Mágneses navigácó az intervenciós kardiológiában
11
Pelyhe Liza, Tóth Gábor
3D vizualizációs technikák a műtőben
13
Oláh János, Steinbach Gábor
Wifi technológia a műtőben
14
Antalfi Gergely, Lukács László
Mechanikai, elektronikai eszközök sterilizásása
15
Szeleczky Zsófia, Lehotsky Ákos
Mikrosebészeti módszerek
16
Hegedűs Hajnalka, Tófalvi Dóra
Mikro- és nanorobot koncepciók
18
Horváth Gergő, Márton Gergely
Lenyelhető robotok
20
Németh Natália, Terstyánszky Anna
NOTES eszközök
22
Kereszty Márk, Rácz Ferenc
A NOTES korlátai
23
Ackermann Iván Róbert, Zsók István
ROBODOC - az ortopédiás rendszer
24
Fábry György, Kovács Levente Koppány
A CyberKnife sugárterápiás rendszer
26
Gyurity Igor, Molnár Péter
Hiperredundáns szerkezetek
30
Drexler Dániel András, György András
2
Haptikus interfészek
32
Gyulai Vencel, Portschy Ádám
CIS rendszerek pontossága
34
Haidegger Tamás
Szövetalanízis in vivo
36
Tyukodi Zita, Majoros Tamás
Automatikus légút- és vénabiztosítás
38
Harangozó Gábor, Bartus-Hunyor Mátyás
Vizuális visszacsatoláson alapuló mozgáskompenzáció a robotsebészetben
41
Kertész Zsolt László, Lenyu Petra
A sebészet nyelve
43
Zsiga Katalin, Korom Csaba
Robotok az idegsebészetben: pro/contra-indikációk
45
Szabó Anett, Wagner Zsolt
A robotizált prostatectomia és előnyei
47
Kocsis Adrienn Nikoletta, Ender Ferenc
Sebészrobotok extrém környezetben
49
Szilágyi Nikolett Erzsébet, Csanádi Tamás
A robotsebészet megtérülési rátája
50
Lenyu Petra, Mayer Viktor
A robotsebészet társadalmi elfogadottsága
52
Molnár Dávid, Vőlcsey János
3
Előszó GONDOLATOK A BIOINFORMATIKA GYAKORLATI ALKALMAZÁSÁRÓL Egyes tudósok azt állítják, hogy a XXI. század a biológia évszázada lesz, mások szerint a kémiáé, illetve a fizikáé. Ezzel ellentétben az a legvalószínűbb, hogy a XXI. század a multidiszciplináris tudományoké. Ha végiggondoljuk a XX. Századot, s annak nagy felfedezéseit, mint például az űrkutatás, szervátültetés (annak minden orvostechnikai vonatkozásával), arra a következtetésre kell jutnunk, hogy ezek nem jöhettek volna létre a multidiszciplináris tudományok kialakulása nélkül. Ez a folyamat a XXI. században még tovább fog erősödni. A bioinformatika vagy az őssejtkutatás tipikusan multidiszciplináris tudományterület, amely az élő, és élettelen tudományok szervezett együttműködésével hozhat számunkra korszakalkotó eredményeket. Ha jelenünket a bioinformatika korának tekintjük, akkor ezen időszak kezdetének a múlt század közepe tekinthető, amikor először bizonyították, hogy az átörökítésért az addig ismeretlen DNS (dezoxiribonukleinsav) biokémiai molekula a „felelős”. Az ezzel kapcsolatos meghatározó jelentőségű felfedezés 1953-ban történt, amikor J. Watson és F. Crick közzétette a DNS ún. kettős spirál („double-helix”) szerkezetének leírását. Az élettudományok a legújabb időkig dokumentáló jellegűek voltak, megismert új fajok, ökoszisztémák, biokémiai vagy idegi mechanizmusok leírásával foglalkoztak. A nyolcvanas évektől kezdve megjelentek a tömeges számítógépes adatgyűjtési eljárások, és létrejöttek például a nagy teljesítményű szekvenálási módszerek. Ezek révén lehetségessé vált egy-egy rendszer (szervezet) teljes örökítőanyagának meghatározása. Az informatika térhódítása - csakúgy, mint a tudomány számos területén – a biológiában és az orvostudományban is alapvető változásokat hozott. Az orvosi informatika egy ága csak azt vizsgálja, hogy a genom – egy sejt teljes DNS tartalma – hogyan befolyásolja a különböző betegségekre való hajlamot, illetve, hogy milyen gének vesznek részt az adott betegség kialakításában. Az orvosi informatikai módszerek alkalmazása és fejlődése e területen forradalmi változásokat hozott, és nincs messze már az idő, amikor nem a tünetekből fogunk a génhibára következtetni, hanem a génhibából következtetünk a várható betegségekre. A bioinformatika megváltoztatja a prevenció, a szűrés, a diagnosztika és a terápia folyamatait, de megváltoztatja az orvos-, bioinformatikus-, és gyógyszerész egyetemi képzésünket is, hiszen a betegségek gyógyításának genetikai megközelítése új tudományok (informatika, matematika, szabályozáselmélet, folyamatszimuláció, identifikáció, sejttan, stb.) együttes ismeretét igényli. A számítógéppel integrált sebészet Computer-Integrated Surgery) tipikusan multidiszciplináris kutatási terület; összekapcsolja az ún. élő- és élettelen tudományokat. Rohamos fejlődése következtében ma már a gyakorlati orvoslás eszközéül szolgál. Kiadványunk a jelenleg elérhető dokumentumok alapján a robotizált sebészet különböző aspektusaival, legfontosabb kérdéseivel foglalkozik. Ezek közé tartozik az optikai műtéti követés, mágneses navigáció, 3D vizualizáció, mikrosebészeti eszközök, makroszkópikus robotok, automatikus betegellátás, a szabályozáselméleten alapuló mozgáskompenzáció, robotizált prosztataeltávolítás, stb.
4
Kiadványunk szerzőinek többsége egyetemi hallgató, akik irodalomkutatást végeztek, és egy-egy témát feldolgozva, saját ötleteikkel és megoldásaikkal kiegészítve, miniszimpózium formában előadásokat tartottak. A szimpóziumra neves szakembereket hívtunk meg, akik hozzászóltak az egyes témákhoz, így élénk érdeklődés és vita alakult ki. A kötet rövid, figyelemfelkeltő bepillantást nyújt a számítógéppel integrált sebészet („robotsebészet”) témakörbe és hasznos tudnivalókat tartalmaz. Köszönetemet fejezem ki a szerzőknek, szerkesztőknek és minden közreműködőnek a szimpózium sikeres lebonyolításáért. A bioinformatika és orvostechnika ma már nem az elefántcsonttoronyban ülő specialisták kiváltságos-tudománya, hanem valamennyiünk közös ügye, mert fő feladataink elvégzése, mint a betegségek korai felismerése, a szenvedések enyhítése, a terápia helyes megválasztása multidiszciplináris ismereteket igényel, és ehhez nyújt a bioinformatika nélkülözhetetlen segítséget. Irodalom [1] Campbell, AM, Heyer, LJ: Discovering genomics, proteomics and bioinformatics. 2003 Pearson Education Inc.; Benjamin Cummings, San Francisco [2] Bronzino, JD (szerk): The Biomedical Engeneering Handbook. CRC Press, 3rd Edition; Florida, 1996, ISBN: 9780849321245
Budapest, 2010
Dr. Benyó Zoltán
5
A CIS jelene és jövője Haidegger Tamás Email:
[email protected] Összefoglaló Robotizált rendszereket az egészségügyben elsőként rehabilitációra és végtagpótlásra használtak, majd fokozatosan megjelentek az invazív beavatkozásokat segítő eszközök. A számítógéppel integrált sebészet (Copmuter-Integrated Surgery - CIS) magába foglal minden olyan informatika alapú eszközt, rendszert, alkalmazást, amely kvantitatív információt szolgáltat az orvosoknak képalkotó eljárások és szenzoros mérések alapján. Az Amerikai Egyesült Államokban 2008-ban becslések szerint a radikális prosztataeltávolítások több mint 70%-át robottal végezték, és jelentős áttörést értek el veseeltávolításoknál, gastro-intestinális és ortopédiai műtéteknél, valamint szívés gyereksebészetnél is. A test majd minden tájékát érintő beavatkozásokhoz fejlesztettek már speciális robotokat, de legnagyobb sikereket a hasi, mellkasi és idegsebészetben érték el [1]. Ugyanakkor a koponya szilárdsága és rögzíthetősége fontos szempont a műtét során, ezért a CIS beavatkozások ilyen esetben is komoly előnyökkel járnak. A stabilabb és megbízhatóbb eszközökkel lehetőség nyílik valódi mikrosebészetre, a legügyesebb orvosok kézügyességét is felülmúló pontosságra [2]. A fejlett képalkotó technikák segítségével sokkal részletesebb betekintés nyerhető a műtéti területre, valamint számos ergonómiai funkció válik elérhetővé. Az irányítójelek és a vizuális visszacsatolás együttes rögzítése módot ad az operációk későbbi elemzésére, oktatásban való felhasználására. A robotokon végezhető élethű szimuláció révén kockázat nélkül gyakorolhatnak az orvostanhallgatók.
A jelenlegi eszközök célja nem az orvosok kiváltása, hanem jobb eszközkészlet biztosítása számukra, amely lehetővé teszi újfajta beavatkozások végrehajtását, és a régiek biztonságosabbá, gyorsabbá és költséghatékonyabbá tételét. Számos robot a mára széles körben elterjedt laparoszkópiás műtéti technikára épül, a minimál invazív beavatkozások (Minimally Invasive Surgery – MIS) elvét követi. Ilyen módon lehetőség nyílik a műtéti terület lecsökkentésére, ami kisebb sokkhatást jelent a szervezetnek, így csökken a felépülési idő. Ez a kórházi ellátási időt, és az azzal járó költségeket is csökkenti. A CIS idegsebészet legfőbb előnyei [3] alapján: • Kisebb trauma, rövidebb felépülés • Beavatkozásokhoz fejlesztett speciális eszközök, nagy térbeli pontosság, az eszközök mechanikai stabilitása • Több szabadsági fok, amelyek révén kompenzálható a kézi laparoszkópia térbeli limitáltsága • Ergonómiai funkciók, 3D látás, adaptív kamerakezelés • Mozgások skálázása, mozgáskompenzáció • Lehetőség erő/nyomaték szenzorok és irányítási algoritmusok integrálására • Automatikus funkciók (pl. tűzés, varrás, anasztomózis) • Lehetőség teleoperációra, távsebészetre • A beavatkozások rögzítésének, sztandardizálásának lehetősége.
Referenciák [1] Medical Robotic Database – MeRoDa: http://meroda.uni-hd.de/ [2] Faust, RA (szerk): Robotics in Surgery: History, Current and Future Applications. Nova Science Publishers, New York, 2007 [3] Nathoo, N, Cavusoglu, MC, Vogelbaum, MA és mtsai: In Touch with Robotics: Neurosurgery for the Future. Journal of Neurosurgery, Vol.56, 421-433, 2005
6
RTG-CT-MR-PET összehasonlítása Gyebnár János Norbert — Vukov Ádám Email:
[email protected] Összefoglaló IGS (Image Guided Surgery): valamely sebészeti procedúra megvalósítása indirekt vizualizáció segítségével valós időben, amelyet fiberoszkóp, belső videokamera, flexibilis vagy merev endoszkóp, ultrahang segítségével valósítanak meg a minimál invazivitás érdekében. Tágabb értelemben IGS minden olyan képalkotó eljárás, mely a közvetlenül a műtéttervezésben, a sebészeti szimulációban, valamint intraoperatívan a műtét végrehajtásában, a műtét közben a navigációban szerepet játszik. RTG: röntgensugár elnyelődése (denzitás) alapján létrejövő egyirányú szummációs kép. Előnyök: olcsó, gyors, intraoperatívan is alkalmazható (felvétel, vagy képerősítő formájában) Hátrányok: nem készíthető 3D rekonstrukció, csak a csontrendszerről ad felvilágosítást, lágyrészekről nem (vagy kevéssé). Felhasználás: traumatológiai esetek intraoperatív helyretétele, dróttűzés, csavarozás, lemezelés kétirányú rtg kontroll mellett (feltétlenül szükséges a sebész térlátása és anatómiai ismeretei). CT (computer tomography): röntgen sugárzás alapú számított rétegfelvételek, melyek manapság legalább 512x512 pixel felbontásban, 0,5–2 mm rétegvastagsággal készülnek. Fajtái: spirál, egyszeletes, többszeletes. Bármely szövetmodalitás vizsgálható Hounsfield skála alapján, kontraszt anyaggal érrendszer is. IGS szempontjából a legfontosabb a 3D rekonstrukció lehetősége bármely biológiai rendszerre, de ezek részletgazdasága eltérő a különböző szöveteknél (pl. csontrendszer jó, idegrendszer rossz). Multimodalitás: kombinálható PET–tel (pozitron emissziós tomographia), intraoperatíve fluoroszkóppal, esetleg MR-rel. Hátrányai: sugárdózis 12-18 mSv, kontrasztanyag allergiák, anaphylaxiás shock, artefactum képzés: implantátumok, idegen testek, nem
készíthető intraoperatív felvétel, a CT felvétel és a valódi testméretek szinkronizálása nehéz és néha pontatlan. Felhasználási területek: spinalis metastasis, tumor, csigolyatörések, congenitalis koponya malformatiok, koponyaalapi neurológiai műtétek MR (mágneses magrezonanciás vizsgálat): Az MR a mágneses térben gerjesztett hidrogén-atommagok, azaz gyakorlatilag a protonok, mint elektromos töltések forgásának mágneses momentumait detektálja a gerjesztés utáni relaxáció során. A mért mágneses momentumokból kiszámítható a protonok eloszlása, valamint az, hogy a protonok milyen kémiai kötésben vannak. Így elkülöníthetőek a különböző szövetféleségek. Jól alkalmazható az MR a zsírszövet, és a víz elkülönítésében, valamint a különböző mozgások, például a véráramlás vizsgálatában. Segítségével jól vizsgálhatóak a központi idegrendszer struktúrái, az izületek nem csontos elemei, különböző lágyrészdaganatok. A gerjesztéshez alkalmazott mágnes lehet állandó mágnes, vagy szupravezető elektromágnes. Az állandó mágnessel szerelt készülékek lehetnek nyitottak is, így lehetőséget nyújtanak a felvételek közbeni, vagy két felvétel közötti manipulációra is. A nyitott rendszerű gépek lineáris felbontóképessége az állandó mágnes alacsony térereje miatt alacsony. A nagyobb térerejű, elektromágnessel szerelt berendezések felbontóképessége jobb, azonban ezekkel a berendezésekkel intraoperatív felvételek nem készíthetőek. A mágneses magrezonanciás képalkotás nagy előnye a hagyományos röntgen átvilágítással, a CT-vel, és a PET-tel szemben az, hogy nincs közvetlen, általános egészségkárosító hatása, így munkaegészségügyi szempontból korlátlan ideig használhatóak, és a vizsgálat során a vizsgálóhelységet nem kell elhagyni, és speciális védőöltözet sem szükséges, 7
viszont szükség van MR-kompatibilis, azaz nem mágnesezhető műtői eszközökre. PET: A pozitron emissziós tomográfia során radioaktív izotópokat juttatunk az emberi szervezetbe, ahol a különböző szervek, szövetek ezeket a radiofarmakonokat eltérő mennyiségben veszik fel, és ezek eloszlását szcintillációs detektorokkal mérhetjük. A PET vizsgálat műtétek közben nem alkalmazható a vizsgálat lassúsága, valamint a radioaktivitás miatt. A műtétek tervezéséhez azonban jól alkalmazható, például rosszindulatú
daganatok áttéteinek feltérképezéséhez, vagy pajzsmirigygöbök aktivitásának vizsgálatához. Összefoglalás: a 3D rekonstrukció feltétlen szükségessége miatt gyakorlatilag minden IGS technika CT-n vagy MR-en alapul, a kiegészítő képalkotók az intraoperatív képalkotást és a sterotaxiás tájékozódást segítik. Minden egyes sebészeti eljárás külön radiológiai tervezést igényel, melynek alapja a tervezett beavatkozás, a felhasznált sebészeti anyagok, a használandó eszközök, a beteg alapbetegségei, allergiái, testméretei.
Referenciák [1] Grunert, P, Darabi, K, Espinosa, J, Filippi, R: Computer-aided navigation in neurosurgery. Neurosurg Rev. Vol.26(2):73-99., 2003 [2] Kalfas, HI: Image-guided spinal navigation: application to spinal metastases. Neurosurg Focus; 11(6): Article 5, 2001 [3] Kasó G, Horváth Zs, Kövér F, Ezer E, Dóczi T: Vertebroplastica, neuronavigáció és kyphoplastica alkalmazása poroticus eredetű multiplex kompressziós csigolyatörések kezelésében. Clin Neurosci/Ideggy Szle; Vol.59(7–8):282–287, 2005 [4] Chinzei, K, Hata, N, Jolesz, FA, Kikinis, R: MR Compatible Surgical Assist Robot: System Integration and Preliminary Feasibility Study. Int Conf Med Image Comput Comput Assist Interv;Vol.3:921-930. 2000
1. ábra: Csigolya ábrázolása CT felvételen (a segédvonalak a távolságmérésben segítenek) [2].
8
Optikai követés: lehetőségek és limitációk Steiner Henriette
[email protected] Összefoglaló Az embert régóta foglalkoztatja a különböző mozgások részletes megismerése. Ezért alakult ki az optikai követés tudománya, mely a látás modellezésének segítségével gyűjt adatokat a mozgásról. Ezen eljárásokat a tudomány és a művészet számos területén használják. Az élettudományok közül az állatok mozgásának kutatása (open field, labirintus tesztek, stb.), a sport, az űrkutatás (pl asztronauták képzése), a különböző biomechanikai vizsgálatok; a mérnöki tudományok esetében az ergonómia, a szimulációs és vizualizációs technikák érdemelnek említést. Az orvostudományok köréből fontos területek a számítógéppel vezérelt terápia, a fog implantáció, az idegsebészet, az ortopédia és a gerincsebészet. Ez a széleskörű igény hívta életre tehát a mozgást optikai úton vizsgáló rendszereket, melyek közül most három különböző típusú és felépítésű, ezért felhasználásában is eltérő alkalmazást választottunk ki, azért, hogy az optikai követés széles skáláját és fejlődését is bemutathassuk. Akármelyik rendszerről is legyen azonban szó, a mérés technikája logikailag hasonló elveket követ, lépései a következők: • Kalibráció: Ez adja meg egy adott 3 dimenziós térben azon síkok halmazát, ahol az adatgyűjtés történik. • Adatbegyűjtés: (Képfájl) Több kameraállásból rögzítjük a mozgást. • Vágás: Kiválasztjuk a feldolgozni kívánt mozgásszakaszt. • Adatbevitel: MARKEREK lekövetése. A mozgó emberi testre vagy tárgyakra a követés érdekében markereket helyezünk, melyek anyaga és nagysága rendszerenként és a mérés céljától függően eltérő. Alapvetően két típusuk van: passzív, mely megvilágítást igényel és a követés a visszavert fény alapján történik és aktív, mikor a marker saját
fénnyel rendelkezik, s a követés a kibocsátott fény segítségével zajlik. • Transzformálás: 2D – 3D A nyert két dimenziós adatokat három dimenzióssá kell transzformálni. • Szűrés: Az adatsorok szűrése különböző függvényalgoritmusok segítségével • Adatok kinyerése: Ehhez a ponthoz tartozik a mozgás különböző függvényeinek (pl. elmozdulás, sebesség, gyorsulás) megjelenítése, tárolása, más adatformátumba, adatbázisba történő konvertálása. • Adatok feldolgozása: statisztika készíétés. 1. APAS Ariel Dynamics Inc. (San Diego, CA , USA) A rendszer az egyik legrégebbi optikai követésre képes alkalmazás (1. ábra), 1968 óta fejlesztik. Nagy előnye, hogy a látható fény tartományában dolgozik, ezért bármilyen normál és nagysebességű kamerát képes kezelni (50/60 Hz) Képrögzítése egyszerű AVI file formátumban történik, ezzel lehetővé teszi a nyert adatok széleskörű, rendszertől független felhasználását. Negyven aktív vagy passzív markert képes követni mérés-összeállítástól függően 0,1-1 cm-es hibával. Az adatok feldolgozásának kézi és automatikus úton egyaránt lehetőség van, ezzel biztosítva, hogy a folyamatba minden lépésnél közbe lehessen avatkozni. Nagy előnye, hogy rugalmasan a mérési feladathoz alakítható: az athéni olimpia sportcsarnokában futó atléta mozgásának elemzésétől a csótány lábmozgásának analizálásáig. 2. Vicon Motion Systems (Oxford UK) A rendszer széleskörű alkalmazásban használható, a nagy mozgások elemzésétől az animációig. Láthatóhoz közeli infravörös és infravörös fénytartományban dolgozik saját fejlesztésű IR kamerák segítségével (50/60 Hz), melyekből 2-16 db használható egyszerre (2. ábra). Százötven aktív és passzív marker 9
együttes mozgását tudja követni 0,1 cmes hibahatárral. a rendszer minden adatfeldolgozási lépése teljesen automatikus, ezáltal gyors, de kevésbé módosítható. Egy programcsaládról van szó, mely a különböző részfeladatok/mérési összeállítások elvégzéséhez különböző hardver és szoftver-összeállításokat kínál. 3. Medtronic Treon (Minneapolis, USA) Ez a cég széles körben gyárt orvosi eszközöket, a sebészeti eljárások segítésére jött létre az általunk bemutatásra kerülő Medtronic Treon nevű rendszer (3. ábra). Két darab
kamerájával az infravörös tartományban dolgozó eszköz 512 passzív markert képes követni (hat szabadsági fok esetén ez 170 szilárd testet jelent), és pontossága 0,01-0,1 cm között van. Ez a pontossági tartomány teszi lehetővé, hogy gerincműtéteknél alkalmazzák. Adat-feldolgozása természetesen teljesen automatikus, a sebész számára szinte valós idejű képet biztosít műtét közben készült röntgen segítségével. Mindhárom rendszer kitűnően segíti a mozgás követését, feladattól, lehetőségeinktől függően választhatunk tehát a különböző alkalmazások közül.
Referenciák [1] APAS Manual 2009 (http://www.arielnet.com/)) [2] FluoroNav™ System Procedure Solutions Reference Guide Part Number 9731186, Revision7 – Medtronic 2007 [3] Grunert, P, Darabi, K, Espinosa, J, Filippi, R: Computer-aided navigation in neurosurgery. Neurosurg Rev. Vol.26(2):73-99., 2003 [4] Bozovic, V (szerk.): Medical Robotics. I-tech education and Publishing, 2008 [5] All, D, Bischop, G, Welch, G: Tracking beyond 15 minutes of Thoughts. SIGGRAPH, ACM Inc. 2001
1. ábra: Az APAS rendszer (http://www.arielnet.com/)
3. ábra: Medtronic Treon (http://www.medtronicnavigation.com)
2 ábra: a VICON System kamerája és markerei (http://www.vicon.com/).
10
Mágneses navigáció az intervenciós kardiológiában Pelyhe Liza — Tóth Gábor Email:
[email protected] Összefoglaló Az aktív mágneses navigáció pár éve jelent meg az intervenciós kardiológia területén, és rögtön nagy figyelmet kapott 3D-s képalkotásával és a vezetődrót irányításának precíz vezérlésével. Kb. 50 évvel ezelőtt használtak előszőr mágneses teret katéter bevezetéséhez nyúl aortába. 1991-ben történt az első mágnes által vezérelt beavatkozás emberben. A módszer fejlődése az MRI megjelenésével indult meg, így nem meglepő, hogy először az intervenciós radiológiában, és a szív elektorfiziológiában használták, és csak utána az intervenciós kardiológiában [1]. Az intervenciós kardiológiában a beavatkozás az alsó- vagy felsővégtagi artériás behatolásból történik, és egy kb. 2mm átmérőjű cső felvezetésével érik el a szívet. A manipuláció ezt követően a csőben előretolt vezetődrót segítségével történik, melyet a culprit lézióig kell vezetni. A megfelelő pozícionálást követően a vezetődrótra felfűzve (over-the-wire technika) lehet ballont, illetve stentet a kezelni kívánt lézióhoz vezetni. Az eljárás hatalmas precizitást igényel, hiszen 2-3 mm lumenű erekben kell a vezetődróttal manőverezni. Egyszerűbb szűkületek esetén ez nem okoz problémát, azonban komplex stenosisok, krónikus teljes okklúziók, meszes, kanyargós erek, meredek oszlások esetén komoly nehézséget jelenthet. A preformált görbület lehet, hogy ideális az első kanyar ívéhez, de egyáltalán nem biztos, hogy megfelelő a további elágazások bevételéhez. Továbbá, minél hosszabban hagyta el a vezetődrót a katétert, annál inkább csökken a támasztéka, és így az irányíthatósága is egyben. Jogosan merült fel tehát az igény egy változtatható görbületű, irányítható vezetődrótra, amely képes háromdimenziós mozgások elvégzésére (mint egy miniatürizált robotkar). A megoldást jelentő ötlet a változtatható mágneses tér és a mágneses végű drót volt, amit a Stereotaxis Inc. által kifejlesztett NIOBETM rendszer valósított meg. A Niobe® Magnetic Navigation System kulcsfontoságú komponensei:
Két nagyteljesítményű mágnes a katéteres asztal két oldalán, amelyek 0,080,10 Tesla nagyságú, homogél, irányított mágneses teret hoznak létre. A stereotaxiás elven generált tér átmérője cca 20 cm, ez a páciens "szívére" pozícionálható; - Speciális, mágneses végű vezetődrót (CRONUS®, ASSERT®, TITAN®), mely, mint egy iránytű veszi fel a mágneses tér irányát; CardiodriveTM rendszer, mely szabályozható sebességgel vezeti előre, vagy húzza vissza a vezetődrótot; Navigációs szoftver (NavigantTM, Stereotaxis Inc.), melynek többféle navigációs módja elérhető. A Free-mode navigation lehetővé teszi, hogy az élő koronarográfiás kép alapján egy joystickkal vagy akár a touchscreen-en az ujjunkkal vezérelve folyamatosan irányítsuk a drótot. A True-vessel navigation pedig a fluoroscopiásan rekonstruált vagy MSCT felvétel alapján készített 3D-s ”koronária térképen” előzetesen bejelölt útvonalon képes önállóan végigvezetni a drótot; - Vezérlőfelület, ami elérhető lehet a steril műtőben, vagy lehet azon kívül integrálva, illetve akár nagy távolságokból is vezethető [1]. A rendszer előnye, hogy a komplex léziók kezelése egyszerűbb, a felhasznált eszközök száma csökken (ezáltal költésghatékony), bevatkozások ideje csökken (időtakarékos), logisztikailag könnyebb a labor munkájának szervezése, illetve nem utolsó sorban a komplikációk száma is csökken hosszútávon. Redukálható a beteg kontrasztanyag terhelése, az orvos vázrendszerének terhelése, továbbá az beteg és az orvos sugár terhelése [2-3]. Jelenleg probléma még, hogy a virtuális kép összehangolása a real-time képpel még nem tökéletes, a 3D rekonstrukciós programcsomagban az érkontúrok láthatóságának pontossága még javítható. A 3D-s eljárásoknál az útvonaltervezés még időigényes, a 2D-nél gyorsabb, de a pontossága rosszabb. A drótra csatolt mágnes akadályozza az előrehaladást az extrém görbe erekben (azonban a 3. 11
generációs guidewire-kben ez már korrigálva lett). Fontos ezen felül megemlíteni, hogy nagy esetszámú, randomizált vizsgálatok még nem történtek. Jövőbeni fejlesztések célja a fent említett problémák megoldása; a nagyobb mégneses erőtér létrehozása; különböző anyagú és flexibilitású vezető drótok fejlesztése [1]. A kedvező tapasztalatok miatt a NIOBETM rendszert eddig több mint 18000
beavatkozásban alkalmazták világszerte közel 200 centrumban, annak ellenére, hogy az ára kb. 2 millió dollár. A mágneses sztereotaxiás vezérlés mára már az invazív kardiológia szinte összes területén alkalmazott módszer éppúgy a koronária intervencióknál, mint az elektrofiziológiában, a pacemaker implantációkban, vagy akár az őssejtbeültetéseknél.
Referenciák [1] Ramcharitar S, Patterson MS, van Geuns RJ, van Meighem C, Serruys PW: Technology Insight: magnetic navigation in coronary interventions. Nat Clin Pract Cardiovasc Med.; Vol.5(3):148-156.; 2008 [2] Hertting K, Ernst S, Stahl F, Mathew S, Meulenbrug H, Reimers J, Kuck KH, Krause K: ”Use of the novel magnetic navigation system Niobe in percutaneous coronary interventions; the Hamburg experience. EuroIntervention; Vol.1(3): 336-339.; 2005 [3] Kiemeneij F, Patterson MS, Amoroso G, Laarman G, Slagboom T: Use of the Stereotaxis Niobe magnetic navigation system for percutaneous coronary intervention: results from 350 consecutive patients. Catheter Cardiovasc Interv.; Vol.71(4):510-516.; 2008 [4] http://www.stereotaxis.com/Products-Technology/Magnetic-Navigation/
1. ábra: A Stereotaxis Inc. által kifejlesztett NIOBETM rendszer [4].
12
3D vizualizációs technikák a műtőben Oláh János — Steinbach Gábor Email:
[email protected] Összefoglaló A számítógéppel támogatott sebészet (Computer Assisted Surgery – CAS) olyan informatikai technikákat jelöl, melyek segítséget nyújtanak az orvosok számára mind a műtétek tervezése, mind a műtétek kivitelezése során. Kiemelkedő része a kép által vezetett sebészet (Image Guided Surgery – IGS), mely során a páciens, illetve a műtéti terület minél pontosabb modelljének előállítása a cél. Az első lépés a műtéti terület rögzítése (szkennelése), mely a hagyományos technikák segítségével történhet (CT, MRI, röntgensugár, ultrahang). A kapott képekből ezután különféle kombinációs technikák segítségével előállítható a kívánt modell. A manapság is preferált, legpontosabb eredményre vezető megoldás CT képek használata a modell előállításához. Az egészségügyi berendezések által előállított képek saját szabvánnyal rendelkeznek (Digital Imaging and Comunications in Medicine – DICOM), mely nem csak formátumuk, de kezelésük, tárolásuk és megosztásuk követelményeit is előírja. Ezt a formátumot a legtöbb vezető gyártó támogatja, melyek mind kínálnak alkalmazásokat is háromdimenziós modellek előállításra ilyen szabványos képek alapján. Az OsiriX nyílt forráskódú képfeldolgozó alkalmazás [1] ilyen szabványos formátumú képek többdimenziós megjelenítését képes elvégezni. Támogatja a legmodernebb renderelési módokat: többsíkú rekonstrukciót, felületi renderelést, térfogati renderelést és maximum intenzitású vetítést (Maximum Intensity Projection – MIP). A háromdimenziós modell a számítógépes modellek minden előnyös tulajdonságával
rendelkezik – könnyen transzformálható, manipulálható (szövetek sűrűség szerinti megjelenítése) és megosztható szakértői csoportok között. A műtéti terület háromdimenziós modelljének előállítása lehetőséget nyújt arra is, hogy az operátor a műtét előtt, a számítógép által biztosított virtuális környezetben próbaként elvégezze a beavatkozást, felmérve ezzel a műtét során előforduló nehézségeket. Természetes, hogy a modellek műtét közben is az operátor segítségére lehetnek. Azon túl, hogy a műtét előtt előállított modellt megjelenítve megkönnyítik a döntéshozatalt a műtét alatt is, valós idejű adatok feldolgozásával képesek megjeleníteni a műtéti terület modelljén az operáció pillanatnyi állapotát [2]. Amennyiben az operátor a műtét során robotsebészeti eszközöket is használ, a számítógép által generált háromdimenziós modelleket további célokra is fel lehet használni. Felügyelt robotsebészet esetén (supervisory-controlled robotic surgery) a generált virtuális környezetben kivitelezett műtétet rögzítik, és az előre programozott mozgásokat a sebészrobot hajtja végre, az operátor felügyeletével. Amennyiben a műtétet az operátor távolról végzi, valós időben, robotkarok segítségével (telesurgery), lehetséges a műtéti területet számára háromdimenziós modell segítségével is megjeleníteni, a robotkarok pedig csak az előre definiált műtéti zónán belül mozoghatnak. Ilyenkor az operátor előre definiál pontokat a páciens anatómiáján, melyek helyzete állandó, és melyekhez viszonyítva osztályozhatóak a műtéti terület zónái (biztonságos, közeli, határ, tiltott terület).
Referenciák [1] OsiriX: www.osirix-viewer.com/index.html [2] Medtronic: www.medtronicnavigation.com/procedures/intraoperative/o-arm.jsp
13
Wifi technológia a műtőben Antalfi Gergely — Lukács László Email:
[email protected] Összefoglaló Az utóbbi évek során alapvető változások történtek a távközlési szolgáltatások területén, így a számítógép hálózatok felépítését tekintve is elmondható, hogy napjainkban a vezeték nélküli infokommunikáció sokadik virágkorát éli. A nagysebességű vezeték nélküli adatátviteli technológiák megjelenése korábban elképzelhetetlen lehetőségekkel kecsegtet a kis és közepes méretű lokális hálózatok területén. Új, korábban kivitelezhetetlennek bizonyult koncepciók valósíthatók meg, melyek közül talán a legfontosabb a mobilitás, vagyis az, hogy megszűnik (legalábbis bizonyos korlátokon belül) a helyhez kötöttség. Azonban azt sem szabad elfelednünk, hogy egy-egy új technológia általában újabb sebezhetőségeket is rejteget magában, amelyek kihasználását az előbb említett mobilitás lényegesen egyszerűbbé teszi. Ebben a rövid kis előadásban szeretnénk betekintést nyújtani abba, hogy egy kórház életében milyen új lehetőségek tárulnak fel az egyre szélesebb körben elterjedő vezeték-nélküli lokális hálózatok (WLAN) révén, valamint, a teljesség igénye nélkül, igyekszünk bemutatni néhány példát, a már megvalósult új generációs kórházi alkalmazások közül. Például kitérünk arra is, hogy milyen régi szolgáltatásokat lehet egységesíteni (RFID), hogyan válthatók ki egyes régebbi drágább megoldások (VoIP), illetve milyen egyéb adminisztrációs lehetőségek és könnyítések rejlenek az új technológiában [1].
Ezek után rátérünk arra, hogy egy műtőben milyen újításokat hozhat ez a technikai forradalom. Erre ismereteink szerint, bár egyedi szolgáltatások léteznek, nincsenek igazából kiforrott megoldások. A lehetőségek mellett kitérnénk azok hátrányaira, nevezetesen a szolgáltatás megbízhatóságának (Quality of Service QoS), a módszer biztonságának (IEEE 802.11i) kérdésére, valamint az interferencia lehetőségére [2]. Szólunk pár szót olyan területekről ahol egyéb megfontolások miatt (kritikus műveletek, nagy mágneses tér, árnyékolt szoba) feltehetően nem várható a wifi bevezetése. Bemutatjuk, hogy hol és mire célszerű alkalmazni a wifi technológiát, illetve rámutatunk annak hátrányira, és azokra az esetekre kifejezetten nem ajánlott bevezetése. Természetesen mindeközben szem előtt tartjuk azt is, hogy jelen példa nem a magyar viszonyokra vonatkozik, hanem egy szolgáltatás/kiszolgálás orientált egészségügyi rendszer. Ezeken kívül felvetjük egy esetleges szabvány létrehozását, hiszen ezen a területen az új lehetőségnek komoly gátat szab a különböző gyártók által öncélúan kidolgozott eszközök közötti interoperabilitás hiánya, vagy rosszabb esetben egymás zavarása. A felhasználási mód különleges jellege is indokolttá tenné a szabványosjtást (például prioritáskezelés, más eszközök zavarása, stb.).
Referenciák [1] Steven D. Baker, David H: Medical-Grade, Mission-Critical Wireless Networks. IEEE Eng Med Biol Mag.; Mar-Apr;Vol.27(2):86-95.; 2008 [2] Jan Olav Høgetveit, Ilangko Balasingham, Karl Øyri,Øystein Jensen: Introducting Multiple Wireless Connections To The Operating Room, Interference Or Not? The 3rd European Medical and Biological Engineering Conference, Prága, Chehország; 2005 [3] Cisco Imatis Mobile Care Solution Architecture: http://www.cisco.com/ /en/US/docs/solutions/Verticals/Mobile_Care_Imatis/mobcare_3.html
14
Mechanikai, elektronikai eszközök sterilizálása Szeleczky Zsófia — Lehotsky Ákos Email:
[email protected] Összefoglaló A beteg ember szolgálata az orvosi hivatás legfőbb évezredekkel ezelőtt írásba is foglalt törvénye. A mai technikai fejlettség mellett sem szabad elfeledkezni a „minimum feltételről” a nil nocere elvről. Tegyünk meg mindent lehetségest a beteg érdekében, de legalább semmiképp ne ártsunk. Az egészségügyi ellátó rendszerben koncentrálódnak a legveszedelmesebb, különösen fertőzőképes és a kurrens antibiotikumokkal szemben már ellenálló mikroorganizmusok. Objektív veszély a korházi fertőzés, megkerülhetetlen, súlyos felelősség ennek a veszedelemnek a kézben tartása. Nosocomialis fertőzések szoros értelemben véve azok a fertőzések, amelyeket a beteg, a személyzet vagy a látogató a kórházban szerez. A műtéti (posztoperatív) fertőzések alkotják a korházi infekciók egyik legjelentősebb és legrégebben ismeretes csoportját, gyakoriságát nézve a 3.helyen állnak, 1416%-át teszik ki az összes kórházi fertőzésnek. Kimutatható, hogy azoknál a betegeknél, akiknél műtéti fertőzés lépett fel, az ápolásuk átlagosan 7-10nappal hosszabbodik meg. A szövődmények számos kellemetlenséget okoznak a betegnek, súlyos esetben növelik a mortalitást. A fertőzési lánc (1. ábra) azoknak a tényezőknek az összessége, amelyeknek feltétlenül egymáshoz kell kapcsolódniuk ahhoz, hogy bármely fertőzés létrejöjjön: ezért beszélünk itt láncról. Ennek három „láncszeme” van: a fertőző forrás (vagy rezervoár), a fogékony szervezet, és azok a
feltételek, amelyek között a kórokozó a fertőző forrásból a fogékony szervezetbe átkerül. Az eszközök sterilizálása általánosságban arra irányul, hogy ezen „lánc” szemeit elvágja egymástól. Csíramentesítés: antimikrobiális eljárás, melynek során fizikai, kémiai eljárással, valamint ezek kombinált alkalmazásával a sterilizálásra kerülő terméken, anyagon, illetve anyagban elpusztítják, inaktiválják a mikroorganizmusokat és ezek összes nyugvó (látens, anabiotikus) formáit. CIS rendszerek esetében alkalmazható eljárások Autokláv: olyan sterilizáló készülék, amely a hatását a megfelelő fizikai paraméterek mellett a munkaterében lévő túlnyomásos, telített vízgőz segítségével fejti ki. Etilénoxidos gázsterilizátor: sterilizáló készülék, melynek légtelenített munkaterébe adagolt antimikrobiális tulajdonságú etilénoxid-gáz hatására, az előírt fizikai és kémiai jellemzők (hőmérséklet, etilénoxid gázkoncentráció, expozíciós idő, relatív páratartalom) fennállása esetén jön létre a készülék – a sterilizáló folyamat alatt negatív, vagy pozitív nyomású – munkaterébe behelyezett termékek sterilitása. Plazmasterilizátor: melynek légtelenített munkatérbe a beporlasztott hidrogénperoxid oldatnak és rádió-elekromos erőtér hatására létrejövő hideg plazmaállapot (ionok, szabad gyökök, gerjesztett atomok, stb.) fennállása esetén jön létre a készülék munkaterébe behelyezett termékek sterilitása.
Referenciák [1] Kende É: Infekciókontroll zsebkönyv. Magyar Infekciókontroll Egyesület; 2002 [2] Pecho Z, Milassin M: Tájékoztató a sterilizálásról. Orsz. Epidemiológiai Kp., Bp;. 2006 [3] Bhandari, A, Hemal, A, Menan, M: Instrumentation sterilization and preparation of a robot
Fertőzési lánc: 1.Fertőző forrás 2.Fogékony szervezet 3.Terjedési mód 1. ábra: A fertőzési lánc 15
Mikrosebészeti módszerek Hegedűs Hajnalka, Tófalvi Dóra Email:
[email protected] Összefoglaló Mivel az emberi kéz finomabb manipulációk elvégzésére képes, mint amit a szem koordinálni tud, a sebészek képesek lehetnek milliméteres vagy akár mikrométeres nagyságrendű beavatkozások elvégésére is a megfelelő segédeszközök használatával. A különböző eszközök és technológiák fejlődése egyre finomabb manipulációkat tesz lehetővé. A sebészeti klinikai gyakorlatban az 1920-as évek óta használnak mikroszkópot, a mikrosebészet eszköztárát az 1950-es évek környékén Sun Lee kezdte kidolgozni [1]. Mikrosebészeti technikákat leginkább szemészeti beavatkozásoknál, az ér- és idegsebészetben, a rekonstruktív sebészetben, illetve a plasztikai sebészetben használnak. Mivel a műtéti terület nagyon kicsi, milliméteres vagy akár mikronos nagyságrendű, a körülötte lévő területek sérülése akár végzetes is lehet, ezek a beavatkozások a sebésztől rendkívüli precizitást követelnek meg. A speciális eszközök használatának (illetve a mikroszkóp segítségével végzett műveletek) elsajátítása, nagyfokú kéz-szem koordinációt, kézügyességet és sok gyakorlást igényel. A műtét során az emberi képességek határain mozog a sebész. Nagy problémát jelent a fáradtságból adódó fiziológiás tremor, csökkenő koncentrálóképesség és a látás romlása. Sokszor megnehezíti a sebész munkáját a rosszul hozzáférhető területek elérése, illetve a műtéti terület kis mérete korlátozza az asszisztáló személyzet hozzáférését is. A beavatkozás szükségessé teheti képalkotó berendezés – műtét folyamán való – használatát. Ez esetben az orvos nem lehet közvetlenül a páciens mellett a szűkös hely, illetve a berendezés káros hatásai miatt. Ilyen alkalmakkor nagy segítséget nyújthat a modern robotsebészeti technikák alkalmazása [2-4]. A robot a műtét bizonyos fázisaiban működhet automatikusan (pl. lézeres scannelés), de általában a sebész irányítja a robotkar működését. Ez történhet kooperatív manipuláció segítségével, amikor a sebész
és a robot közvetlenül dolgozik az eszközzel. Ennek működtetése a sebész számára természetesebb, és nagy segítséget nyújthat akkor, amikor a sebész a képességeinek határán mozog. A kézremegés hatása a Johns Hopkins egyetem Steady Hand robotjának alkalmazásával akár tizedére csökkenthető. Virtual fixture-ök használatával elkerülhető a műtéti területet körülvevő érzékeny szövetek megsértése, mivel a robot az eszköz ilyen irányokba történő mozgatását korlátozza. A másik megközelítés a teleoperáció, ilyenkor az orvos egy master bemeneti eszköz segítségével irányítja a robotot. A robotkarok olyan területekhez is hozzáférhetnek, amikhez az emberi kéz méreteinél fogva nem lenne képes [6-7]. A teleoperációs rendszerek, mint például a da Vinci azt is lehetővé tehetik, hogy míg a páciens egy képalkotó berendezésben (CT, MRI) fekszik, az orvos egy master bemeneti eszköz segítségével a sebészrobotot távolról vezérelje. Azokban az esetekben, amikor az asszisztáló személyzet nem fér megfelelően a műtéti területhez, a sebész munkájához segítséget nyújthat a pedállal vagy hanggal működtethető Aesop vagy LARS rendszer. A sebészeti robotok tervezése és üzemeltetése során nagy hangsúlyt kap a sterilitás biztosítása, illetve a kis mozgástér miatt nagyon fontos az eszköz megfelelő ergonómiai tervezése. Mikrosebészeti beavatkozásoknál különösen problémás lehet, ha a különböző kijelzők megtekintéséhez el kell fordulni a műtéti terület képét mutató képernyőtől vagy mikroszkóptól, ezért fontos a kiegészítő információk valamilyen más formában (pl. hangjelzés) való biztosítása. A haptikus interfészek használata természetesebbé teheti az eszközök működtetését. A klinikai gyakorlatban a da Vinci rendszer használata terjedt el leginkább, de számos kísérleti stádiumban lévő berendezés fejlesztése is folyik.
16
Referenciák [1] Boros M, Szabó A (szerk.): Mikrosebészet. Szegedi Tudományegyetem; 2009 [2] Tsirbas, A., Mango, C., Dutson, E.: Robotic ocular surgery. British Journal of Opthalmology, Vol.91:18-21.; 2007 [3] Hager, GD, Okamura, AM, Kazanzides, P, Whitcomb, LL, Fichtinger, G, Taylor, RH: Surgical and Interventional Robotics: Part III. IEEE Robotics & Automation Magazine; pp.84-93.; 2008 [4] Hongo, K, Kobayashi S, Kakizawa, Y, Koyama, J, Goto, T, Okudera, H, Kan, K, Fujie, MG, Iseki, H, Takakura, K: NeuRobot: Telecontrolled micromanipulator system for minimally invasive microsurgery- preliminary results. Neurosurgery; Vol.51; pp.985-988.; 2002 [5] Iordachita, I, Kapoor, A, Mitchell, B, Kazanzides, P, Hager, G, Handa, J, Taylor, J: Steady-hand manipulator for retinal surgery [6] Knight, CG, Cao, A, Lorincz, A, Gidell, K, Langenburg, SE, Klein, MD: Application of a surgical robot to open microsurgery: The equipment. Pediatric Endosurgery & Innovative Techiques; Vol.7(3):227-232.; 2003, [7] Le Roux, PD, Das, H, Esquenazi S, Kelly, PJ: Robot-assiseted microsurgery: A feasibility study in the rat. Neurosurgery; Vol.48:584-589.; 2001 [8] Saraf, S: Role of robot assisted microsurgery in Plastic Surgery, Indian Journal of Plastic Surgery, 39:57-61, 2006, [9] Sutherland, GR, Motkoski, JW, Sutherland, CO, Greer, AD: A new view of robotic surgery. BioOptics World; March 2009
1. ábra: Mikrocsipeszes robotkarok varrat eltávolítás közben [2].
17
Mikro- és nanorobot koncepciók Horváth Gergő — Márton Gergely Email:
[email protected] Összefoglaló Mikro- és nanorobot koncepciókkal egyelőre csak kutatólaborokban, publikációkban találkozhatunk, alkalmazható piaci termékek még nem készültek. Részmegoldásokból, átütő kutatási eredményekből és futurisztikus elképzelésekből azonban nincs hiány. A lehetséges alkalmazások főként az emberi szervezetbe juttatható robotok felé irányulnak, hiszen hasznuk felbecsülhetetlen lehet olyan betegségeknél, ahol a kór ugyan lokálisan jelen van a testben, azonban nehezen elérhető, megközelíthető helyen - legyen szó akár tumorról, vérrögről, vesekőről vagy érszűkületről. A nanorobotok például képesek lehetnek egy penge segítségével lehasítani a plakkokat az érfalról, vagy specifikusan daganatos szövetek közelébe juttatni a kemoterápiában használatos sejtmérgeket. Egy nagyon fejlett eszköz pedig akár alkalmas lehet „sejtjavításra”, azaz a rákos sejtek DNS-ének helyrehozására [1]. Tervek készültek továbbá mesterséges vörösvérsejt előállítására, mely térfogategységre vonatkoztatva 236-szor több oxigént képes szállítani, mint a természetes - hemoglobin tartalmú – sejt [2]. Azonban sok megoldásra váró, vagy csupán részben megoldott probléma akad: a nanorobotok egymással való kommunikálása, szervezetbe történő be - és kijuttatása, mozgatása, érzékelőkkel és beavatkozókkal való felszerelése, vezérlése, energiaellátása. Mindemellett nagy hangsúlyt kell fektetni az eszközök biokompatibilitásra. A nanorobotok megvalósítási kísérletei két fő irányra oszthatók. Az egyik a
MEMS (mikroelektromechanikus rendszerek) méretcsökkentése és komplexitásnövelése révén történő megvalósítás (felülről lefelé tervezés). A zürichi ETH (Műszaki Főiskola) kutatói például hordozóanyagra felgőzölt indium, gallium, arzén és króm ultravékony rétegekből, különböző litográfiai és metszetkészítési eljárással hoztak létre mikrorobotokat, melyek egy apró feji részből és az ahhoz kapcsolódó, a baktériumok ostorát utánzó spirálból állnak. Mágneses erő hatására úgy haladnak előre a folyadékban, mint egy pörgő dugóhúzó (2. ábra). A megvalósítás másik iránya, az „alulrólfelfelé” tervezés (bottom-up design) az utóbbi időben szintén egy rendkívül érdekfeszítő témává vált a nanotechnológiában [3] Ennek lényege, hogy egy komplex rendszert molekuláris komponensekből állítanak össze, mely képes lesz meghatározott feladatok elvégzésére. A komponensek különkülön egyszerűbb funkciókat látnak el, azonban az ezekből felépülő szupramolekuláris összeállítás már bonyolultabb tevékenységeket tud végezni. Például egy ilyen rendszer alegységeként képzelhető el az a molekulagyűrű, mely egy molekularúdon képes mozogni, fény hatására. A gyűrű mozgatásához szükséges energiát a rúd egyik végén elhelyezett fotoszintetizáló modul biztosítja. [3] A számtalan elképzelés ellenére a nanorobotok jövőbeli szerepe egyelőre tisztázatlan. Az viszont nyilvánvaló, hogy a technológia fejlődése olyan irányba mutat, hogy képesek leszünk ezen remélhetőleg igen hasznos - eszközök előállítására.
18
Referenciák [1] http://index.hu/tudomany/nano0621/ 2004 [2] Bogunia-Kubik, K, Sugisaka, M: From molecular biology to nanotechnology and nanomedicine. Biosystems; Vol.65, pp. 123-138.; 2002 [3] Balzani, V, Credi, A, Venturi, M: Molecular devices and machines. NanoToday; Vol.2:2, pp.18-25.; April, 2007 [4] Ummat A, Sharma G, Mavroidis C, Dubey A: Bio-Nanorobotics: State of the Art and Future Challenges. Chapter 19. The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press, 2005
1. ábra: Nanorobot grafikai modellje [1].
2. ábra: MR meghajtású nanorobot koncepció [4].
19
Lenyelhető robotok Németh Natália — Terstyánszky Anna Email:
[email protected] Összefoglaló Az újkori orvostudomány már a kezdetektől törekedett arra, hogy minimálisan invazív diagnosztikai és terápiás eljárásokat fejlesszen ki. Ennek eredményeként dolgozták ki a múlt században a különböző endoszkópiás eljárásokat. Ezeket ma már számos területen alkalmazzák (pl. laparoszkópia, arthroszkópia, gasztroszkópia, kolonoszkópia, stb.), azonban felmerült az igény korszerűbb és kevesebb szövődménnyel és kényelmetlenséggel járó módszerekre. A jelenlegi tudományos háttér mellett lehetővé vált olyan új technikák megvalósítása, amelyek még kevésbé invazívak. Az átmenetet az endoszkópia és a lenyelhető kapszulás robotok között a kábelhez erősített kamerarobotok (tethered capsule endoscope) képviselik. A kamera kapszulája egy vékony kábelhez csatlakozik, ami biztosítja az energiaellátást és a digitális adatátvitelt. A kapszulák átmérője lényegesen kisebb, mint a hagyományos endoszkópos eszközé (1,4 mm, szemben a 9 mm-rel), ezért sokkal könnyebben lenyelhetők és használatuk nem igényel altatást. A vezeték nélküli lenyelhető eszközökkel szemben előnyük, hogy újrahasznosíthatóak, hátrányuk azonban, hogy csak a felső gasztrointesztinális traktus vizsgálatára alkalmasak [1]. A vezeték nélküli lenyelhető robotok közül elsőként a kapszulakamerákat fejlesztették ki. Ezek nagyjából 25×10 mm-es, gyomorsavnak ellenálló burokban lévő kamerák. Működési elvükből adódóan önálló áramforrással kell rendelkezniük – éppen ez limitálja a méretük minimalizálását. Fényforrásként gyártótól függően különböző számú LEDet tartalmaznak; a megvilágítás
mértékét a körülményeknek megfelelően szabályozza a kapszulába épített visszacsatoló rendszer. Az adatokat WIFI kapcsolaton keresztül továbbítja egy külső tárolóegységnek, amelyet a beteg testére erősítenek. A rendszer előnye, hogy az egész gyomor-bél rendszer vizsgálatára alkalmas minimális invazivitással. Hátránya azonban, hogy az eszközök egyszer használatosak és mozgásuk nem szabályozható [2-5]. Ez utóbbi problémára jelenthetnek megoldást az egyelőre kísérleti fázisban lévő, lábakkal rendelkező kapszularobotok. A felszínükön rovarlábhoz hasonló szerkezetű egységek találhatóak, amelyekkel képesek a bélrendszer adott pontjához dokkolni magukat. A dokkolás folyamata kívülről szabályozott, így a vizsgálni kívánt területről részletesebb információ nyerhető [6]. Az eddig említett eszközök csak diagnosztizálásra alkalmasak. Jelenleg intenzíven foglalkoznak olyan lenyelhető robotok kifejlesztésével, amelyek alkalmasak terápiás beavatkozásokra is. A létrehozásuk legnagyobb korlátja az, hogy a beépítendő eszközök és az ezekhez szükséges energiaforrások helyigényesek. Erre találtak ki a zürichi ETH Műszaki Egyetem Robotika és Intelligens Rendszerek Tanszékén egy lehetséges megoldást. A technológia lényege, hogy az eszközt kisebb, lenyelhető egységekben juttatják a szervezetbe, ahol az egyes alkotóelemek önállóan összekapcsolódva alakítják ki a működő szerkezetet. Ez az új eljárás szolgálhat megoldásul a fentebb felsorolt problémák egy részére [7].
20
Referenciák [1] M. E. Rentschler, J. Dumpert, S. R. Platt, S. M. Farritor, D. Oleynikov, “Natural orifice surgery with an endoluminal mobile robot”. Surg Endosc; Vol. 21, pp. 1212– 1215; 2007 [2] http://www.givenimaging.com/en-us/HealthcareProfessionals/Pages/ /CapsuleEndoscopy.aspx [3] http://intromedic.com/en/product/productInfo.asp [4] http://www.rfamerica.com/sayaka/index.html [5] http://www.olympus-europa.com/endoscopy/2001_5496.htm [6] M. Quirini, R. J. Webster III, A. Menciassi,, P. Dario, "Design of a Pill-Sized 12legged Endoscopic Capsule Robot". Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation; pp.1856-1862; Rome, 2007 [7] Z. Nagy, R. Oung, J. J. Abbott, B. J. Nelson, “Experimental Investigation of Magnetic Self-Assembly for Swallowable Modular Robots”. Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems; Nice, 2008
1.
ábra: Egy kapszularobot belső felépítése – kis helyen is elférnek a felvételkészítéshez szükséges alkatrészek [4].
21
NOTES (Természetes Testnyílásokon Keresztül Végzett Sebészeti) Eszközök Kereszty Márk — Rácz Ferenc Email:
[email protected] Összefoglaló A N.O.T.E.S. (Natural Orifice Translumenal Endoscopic Surgery) emberi testen lévő természetes nyílásokon keresztül (száj, végbél, hüvely, húgycső), a bőrfelszínen való vágás nélkül végezhető sebészeti beavatkozásokat jelenti. A gyomortükrözéshez (gastroscopia), vastagbéltükrözéshez (colonoscopia) használt hosszú, hajlékony eszközökkel nem a testfelszínen, hanem belső üreges szervek (gyomor, vastagbél, hüvely, húgyhólyag) falán ejtenek vágást, és azon keresztül végzik a műtétet. Ezek a metszések kívülről nem hagynak nyomot, ránézésre nem lehet megmondani, hogy a betegen bármilyen műtétet végeztek. A módszerrel bármelyik hasüregi szerv elérhető, és azon műtét végezhető. A N.O.T.E.S. technikákhoz speciális felszerelés kell, ennek fejlesztése még folyamatban van. Kísérleti körülmények között a világ néhány területén operáltak már ilyen módon, például epehólyag eltávolítást és vakbél eltávolítást is végeztek. A N.O.T.E.S. műtéteken átesett betegek kisebb fájdalomról számolnak be, mint akár a laparoscopia sebészet azonos célú műtétjei után [1]. Az első tudományos cikkek a természetes szájadékokon keresztül végzett endoszkópos sebészeti beavatkozásról 2004-ben jelentek meg. Kísérleteikhez bioszintetikus modellt használtak, mivel akkoriban elsődleges céluk az volt, hogy kipróbálják, vajon a hagyományos, a mindennapi gyakorlatban használt műszerekkel képesek-e elvégezni ezeket a beavatkozásokat.
Az Intelligent Surgical Instruments™, azaz az „Intelligens Sebészeti Eszközök” az első olyan számítógép-vezérlésű, nagyobb erőkifejtésre képes endomechanikus műszerek, melyeket vágásra, tűzésre és szövetminta-vételre használnak. Alkalmazhatóak a hagyományos, nyitott műtéti beavatkozásoknál, minimál invazív műtéteknél és az újabban előtérbe kerülő N.O.T.E.S. eljárásoknál is. Ezek az eszközök a digitális technológiának köszönhetően jóval precízebbek, stabilabbak és nagyobb erőkifejtésre képesek valamint kényelmesebben kezelhetőek, mint a hagyományos társaik [2]. Ez az ígéretes eljárás szélesebb körben teszi lehetővé az orvostudomány és a műszertechnika egyesülését. Számtalan előnnyel jár, mint például a gyorsabb gyógyulás, kevesebb fájdalom, kisebb fertőzésveszély és egyéb, kozmetikai előnyök. Legnagyobb előnye azonban az, hogy nincs szükség steril környezetre a beavatkozás során, csupán steril eszközökre. A legtöbb N.O.T.E.S. technológiai újítás célja, hogy az eszközök minél univerzálisabbak legyenek, és minél inkább automatizált legyen az eljárás, csekélyebb mértékű emberi beavatkozás igénybevételével. Egyik ilyen alkalmazás például a Szingapúrból származó, nagyobb méretű endoszkópos csőbe vezetett kétkarú manipulátor, illetve a hasonló elven működő, UGSI által kifejlesztett eszköz. Másik példa az úgynevezett MUSTOF (Multi-Sensor-Time-Of-Flight) endoszkóp, ahol háromdimenziós élőképes megjelenítéssel ötvözik a manipulátorokat [3].
Referenciák [1] Magyar Invazív Flexibilis Endoszkópos Egyesület (www.notesweb.extra.hu) [2] http://www.pmi2.com/ [3] http://surgrob.blogspot.com/2008/08/notes-technique.html
22
A NOTES korlátai Zsók István — Ackermann Iván Email:
[email protected] Összefoglaló Az egyszerű betekintő endoszkópos vizsgálatoktól az elmúl 15-20 évben a technikai fejlődésnek köszönhetően eljutottunk az endoszkópos műtétekig. Ennek köszönhetően a betegen nem szükséges nagy, a régió feltárását lehetővé tevő, bemetszéseket ejteni, hanem néhány, pár centis bemetszés is elegendő. A minimál invazív terápia új iránya lehet a természetes testnyílásokon keresztül történő műtét, a N.O.T.E.S. Az eljárás nagy előnye a hagyományos endoszkópos műtétekkel szemben, hogy a beteg bőrének a felsértésére egyáltalán nincs szükség, mivel a belső hámon keresztül hatolunk be a műtéti területre. Ugyan még csak kísérleti fázisban van az eljárás, de az eddigi tapasztalatok azt mutatják, hogy könnyebben gyógyulnak a belső felületen ejtett sebek, mint a bőr integritását megsértők. Ez a könnyebb gyógyulás nemcsak gyorsabb felépülést, de kevesebb fájdalmat is jelenthetnek a betegek számára.
A műtét technikai kivitelezése természetesen nehezebb, mivel korlátozott a behatolások iránya és száma is. Amíg egy hasfalon keresztül történő laparoszkópiás beavatkozás során 3-4 helyen is bejutathatunk különböző eszközöket, addig például a gyomron keresztül végzett hasi műtéthez általában egy sebet ejthetünk a gyomor falán. Az endoszkópos műtétek nagy hátránya, hogy az operációt végző sebész elveszíti a 3 dimenziós látást. A N.O.T.E.S. során a mozgástere is jelentősen bekorlátozódhat a nem megfelelő eszközök alkalmazásával. Összefoglalva ez egy olyan kísérleti fázisban levő lehetőség, ami számos hátránya mellett előnyökkel is járhat. A mindennapi gyakorlatba helyezése elképzelhető, hogy nemcsak a betegek gyorsabb gyógyulása, kisebb utókezelési ideje és költségei miatt, hanem egyszerűen a kozmetikai hegek nélkülisége miatt fog bekövetkezni.
Referenciák [1] Health Matters 2008/10. Intejú Dr. Mark Talamini-vel; [Show ID: 14193] [2] Daniel DeNoon, 2007.szeptember 18. CBS News, „Surgery Without Scars?”
23
ROBODOC - az ortopédiás rendszer Fábry György — Kovács Levente Koppány Email:
[email protected] Összefoglaló A csípő degeneratív ízületi elváltozásai a csont- és porcrészek deformálódásához, kopásához vezetnek. Ezen kórképek legmeghatározóbb tünete a fájdalom, mely a folyamat előrehaladtával egyre elviselhetetlenebbé válik. Következménye, hogy a beteg mozgása beszűkül, illetve az állandó fájdalom miatt képtelenné válik mindennapi feladatainak ellátására. Érthető tehát, hogy a megoldás régóta foglalkoztatja az orvostudományt. A különböző konzervatív (gyógyszeres, fürdő-, fizió-, stb.) terápiák nem hoztak átütő eredményt. Ellenben a műtéti kezelések megfelelő terápiát jelentnek. Ezek során mind a combcsont fejét, mind a csípőcsont által alkotott vápát kicserélik fém és műanyag kombinációjából álló protézisre (Total hip arthroplasty - THA). Kezdetben ezen protéziseket csontcemettel rögzítették. A technika fejlődésével azonban kialakult a cement nélküli rögzítés is. Ezen módszer kulcspontja pedig, hogy a csontban kiképzett üreg és a protézis a lehető legpontosabban illeszkedjen. A műtét nem megfelelő kimenetele a (fertőzések mellett) az illeszkedés pontatlansága, a protézis ”lötyögése” miatt adódik. Ez később újabb, visszatérő fájdalomhoz vezet, ami újbóli műtétet tehet szükségessé [1]. A lehető legpontosabb illesztés vágya vezette az University of California Davis egyetem és az IBM mérnökeit a ROBODOC rendszer kifejlesztésére az 1990-es évek elején [2]. Ekkor a hardware egy ipari robot, illetve egy sebészeti igényeket kielégítő fúró ötvözete volt. Mára azonban kinőtte kereteit, és speciálisan, a műtét bizonyos szakaszait önállóan végző (aktív) sebészrobotként tekinthetünk rá. Maga a műtét egy 3D-CT-vizsgálattal kezdődik. Az kinyert kép alapján tervezi meg a sebész a fúrás pontos útvonalát.
Ezután a műtőben feltárják a műtéti területet, és a csontot elérve kap szerepet a ROBODOC. A fúrás után a sebész behelyezi a protézist, zárja a sebet. A beteg statikailag azonnal, de a lágyrészek fájdalma miatt általában csak a 3 nap múlva lesz járóképes. Ahhoz azonban, hogy a rendszert használni lehessen, ki kellett dolgozni a navigáció metódusát. Ez hívta életre a „kiegészítő” szoftvert az ORTHODOC–ot. A problémát az jelentette, hogy a CT által meghatározott koordinátákat és a robot által használt koordinátákat regisztrálni kellet. Erre először az un. pin-registration-t használták. Enne lényege, hogy a CT vizsgálat előtt sebészileg a csont meghatározott pontjaiba csavarokat ültettek, melyek mind a CT-képeken mind a robot számára egyértelműen észlelhetők. A technika hátrányai közé tartozik az extra sebészi beavatkozás (idő, komplikációk), illetve néhány beteg a térdbe sugárzó fájdalomról számolt be. A következő technikai lépcső a Pin-less technika megjelenése. Itt a CT kép alapján szoftveresen képezik le a csont felszínét, melyet aztán a sebész módosít és véglegesít. Intraoperatíve pedig egy kézi műszerrel közvetlenül a csontról vesznek mintát. A két felszín egymásra vetítéséből alakul ki a közös koordinátarendszer [3]. A rendszer tehát csak egy, de a kimenetel szempontjából a legfontosabb munkafolyamatban vesz részt. Indikációs területe folyamatosan bővül. Jelenleg rutinszerűen használják teljes térd arthroplastikához (TKA), illetve a csípő arthroplastika reviziójára. Bár eredetileg amerikai fejlesztés, első példányait mégis Németországban állították hadrendbe. Ezután a Japánban, Koreában, Svájcban, Ausztriában és Franciaországban került forgalomba, az INtegrated Surgical Systems Inc. nagyjából 60 darabot értékesített. 2008-
24
ban az amerikai FDA engedélyezte az USA-ban a használatát (ROBODOC – a Curexo Tech Co. cég neve alatt), ami új lendületet adhat az eladásoknak. A rendszer ára hozzávetőleg 350.000 dollár, azaz 80.000.000 Ft körül mozog,
de Magyarországon nem hozzáférhető. Legközelebb Bécsben az AKH Ortopédiai Klinikáján és Linz-ben a Római Katolikus Kórházban használják.
Referenciák [1] Szendrői M: Ortopédia; Semmelweis Kiadó; 2005 [2] Bargar WL: Robots in Orthopaedic Surgery: Past, Present, and Future. Clinical Orthopaedics And Related Research; No.463, pp. 31–36.; 2007 [3] P. Kazanzides: Development of the ROBODOC® System for Image-Directed Surgery (előadás), 2008
1. ábra: Műtéti preparátumok: Balra: kézi módszerrel kiképzett femur-nyak, Jobbra: ROBODOC által végzett fúrás, középen: a rendszer robotkarja [3].
25
A CyberKnife sugárterápiás rendszer Gyurity Igor — Molnár Péter Email:
[email protected] Összefoglaló A fejlett világban a vezető halálozási okok közt tartják számon a különféle daganatos megbetegedéseket. Angol statisztikák szerint minden negyedik elhalálozás rákhoz köthető [1]. Az öt éves túlélési arányok, a tumor típusától függően, széles skálán mozoghatnak. A legrosszabbak a pajzsmirigy-, tüdő-, gyomor-, nyelőcső- és agydaganatok e szempontból (2-16%), míg a két leggyakoribb típusoknál (1. ábra) ez az arány sokkal kedvezőbb (prosztata- és mellrák; 70-80%). A tumorok elleni harc legfontosabb eszköze továbbra is a korai diagnózis, de emellett a kezeléseknek egyre fejlettebb változatai jelennek meg. A három legközismertebb eszköz kialakult tumorok eltávolítására: a műtéti beavatkozás, a kemoterápia és a sugárterápia. A továbbiakban sugárterápiás kezelésekről lesz szó. A sugárterápia (radiotheraphy) a 20. század elején indult fejlődésnek. Kezdetben rádium és polónium sugárforrásokkal kísérleteztek, majd a század közepétől kobalt és cézium izotópokat, illetve részecskegyorsítókat kezdtek használni (külső sugárforrásnak). A következő fejlődési szakaszt a CT-képalkotás megjelenése jelentette, mely lehetővé tette a „háromdimenziós beavatkozás tervezést”. Napjainkban a CT-vezérelt műtétek korát éljük, egy ilyen sugárterápiás rendszer – a CyberKnife – képezi előadásunk tárgyát. A sugárterápiás kezelések elsődleges célja a célsejt DNS-ének tönkretétele direkt vagy indirekt ionizáló (pl. szabadgyökök keletkezését segítő) sugárzással. A terápia során több nehézséggel szembesülünk, ilyen a tumorsejtek tipikusan jó regenerációs képessége, a nagyobb tumorok belsejében tapasztalható oxigénhiány (ellenálló képesség 2-3X-os indirekt ionizálónál), illetve a környező ép szövetek pusztulása. Megfelelő eredmények eléréséhez a tumorsejtek
DNS-ének mindkét szálát el kell törni, letális dózist szükséges juttatni az ép szövetekkel körülvett célterületre. A sugárzás célba juttatására három fő módszer létezik. Az első módszer egy apró, sugárzó test beültetése (brachytherapy) az elpusztítandó szövet középpontjába, így a természetes elnyelődés, illetve a gömbsugárzó sugárral csökkenő intenzitása biztosítja a roncsoló hatás lokalitását. Radioaktív izotópos kezelés (systemic radioisotope therapy) esetén olyan anyagot juttatunk a keringésbe, mely radioaktív (izotópokat is tartalmaz) és csak a célsejtekben koncentrálódik, így biztosítva a lokalitást. Tipikus példa a jódizotópos pajzsmirigy-kezelés. A harmadik módszer a külső sugárforrással történő célzott besugárzás (teletherapy). E módszernél a különböző irányokból többször megismételt besugárzás biztosítja az ép szövetekben az összdózis (Gray, Gy) alacsonyan tartását. Hagyományos esetben a 2080 Gy összdózist 2-3 Gy-es, kis intenzitású kezelések sorozataként kapja meg a beteg, viszonylag pontatlan (kézi) célzással, a környező szövetek magas terhelésével. A különböző képalkotási eljárások lehetővé tették nagyintenzitású, sztereotaktikus pontosságú kezelések kivitelezését, melyek 1-5 kezelés alatt juttatják célba a kívánt dózist, milliméteres pontossággal. A legismertebb ilyen rendszer a sztereotaktikus rögzítőkeretet használó, a területen etalonnak számító Gamma Knife (Leskell Inc.). A CyberKnife (Accuray Inc.) egy sztereotatktikus pontosságú, rögzítőkeretet nem használó, noninvazív sugárterápiás megoldás [2,3]. A multimodális kezeléstervező felületen a PET, CT és MRI felvételek alapján kijelölt célterületre automatikusan létrejön a beavatkozási terv (2. ábra). Az újítások a kezelési fázist érintik leginkább. 26
A 6 MV-os lineáris gyorsító sugárforrást egy robotkaron helyezték el, és a betegágy is tág határok közt mozgatható, így összesen 1600 különböző irányból lehetséges 1-1 pont besugárzása (3. ábra). A robotkar irányítását röntgen kamerák (CT) képe alapján végzi. A plafonon látható röntgenforrások két, merőleges vetületet képeznek a padlóba süllyesztett detektorokon. A robotkar új irányba állásai előtt történik egy-egy felvétel, az esetleges elmozdulásokat korrigálandó, ez teszi lehetővé a merev rögzítés elhagyását. A keretnélküliségnek az az előnye is megvan, hogy a tervezés és a kezelés időben és térben is elkülönülhet (4. ábra). A fent említett CT+robotkar kombináció elérhetővé teszi, hogy bármely – CT alapján jól beazonosítható és 1-1 felvétel között jelentősen el nem mozduló – terület kezelhető legyen, így nem csak cranialis területekre korlátozódik az alkalmazhatóság. Apró, beültetett markerek segítségével a test bármely pontja kezelhető, de csak felismerő szoftver kérdése a teljesen noninvazív, markermentes beavatkozás. Jelenleg – a cranialis részeken kívül – a gerinc- és tüdőtáji területekre van hivatalosan elfogadott szoftver a CyberKnife-hoz, Xsight Spine és Xsight Lung néven. Az Xsight egyedülálló megoldás, mely anatómiai csontváz- és szövetmodell alapján határozza meg a kezelendő tumor aktuális helyét és alakját (a tervezéskori és kezeléskori testhelyzet, így a tumor alakja is eltérő lehet). A CT-felvétel a robotkarok újrapozícionálásakor készül. A törzs nagy részére, így a tüdőre is igaz, hogy a két felvétel közti fiziológiás mozgás (légzés)
nem elhanyagolható, így e területek kezelésénél ezzel is számolni kell. Mivel a kb. 1 órás kezelés alatt nem lehetséges a beteg folyamatos röntgenezése (nagy dózis), a Synchrony alrendszer oldja meg a problémát. Ez a beteg mellkasára erősített infravörös LED-ekből és a plafonra erősített infravörös detektorból áll (3. ábra). A Synchrony a LED-ek pozíciójából és a CT-felvételek sorozatából épít modellt a célterület helyzetének predikálása két röntgenfelvétel között, ezáltal a kezelés folyamatos lehet, nem korlátozódik egyegy légzési szakaszra. A CyberKnife kezelési pontossága a mechanikai pontosságból (0.49 mm) és a követési pontosságból (0.61 mm) tevődik össze, összesen 1.1 mm [2,4], mely majdnem olyan jó, mint a merev rögzítéses, etalonnak számító Gamma Knife (0.71 mm) [2]. Ugyanakkor a Gamma Knife források szerint a CyberKnife a célterület környékét 2-6X nagyobb sugárzásnak teszi ki [5]. A rendszer fiatalsága miatt nem állnak rendelkezésre hosszú távú statisztikák, de vizsgálatok azt mutatják, hogy agydaganatos betegek esetén a CyberKnife és Gamma Knife csoport túlélési statisztikái nem mutatnak szignifikáns eltérést [6]. Látóideg-menti daganatok esetén az 4 éves látásmegmaradás 97%, hallóidegnél 3 évre 76%, a gerincpanaszok csökkenése 86% 5 évre. További pozitívum, hogy az áttétek kialakulása viszonylag ritka a kezelteknél [2]. Elterjedés: nagyjából 100 darab az USAban, 150 világszerte. Ára: >3M €/db, >10.000 € / kezelés.
Referenciák [1] http://www.statistics.gov.uk/cci/nugget.asp?id=915 [2] Hara, W, Soltys, SG, Gibbs, IC: CyberKnife Robotic Radiosurgery system for tumour treatment. Expert Review of Anticancer Therapy, Vol.7:11, pp.1507-1515;Nov 2007 [3] Muacevic, A, Wowra, B, Schweikard, A: CyberKnife radiosurgery. Report - European Cyberknife Center Munich; 2001 [4] Chang SD, Main W, Martin DP, Gibbs IC, Heilbrun MP: An analysis of the accuracy of the CyberKnife: a robotic frameless stereotactic radiosurgical system. Neurosurgery; Vol.52(1); pp.140-146; Jan 2003 [5] http://www.healthsystem.virginia.edu/internet/gammaknife/compare.cfm [6] Wowra B, Muacevic A, Tonn JC: Quality of radiosurgery for single brain metastases with respect to treatment technology: a matched-pair analysis. Journal of Neurooncol.; Vol.94(1); pp.69-77; Aug 2009 [7] http://www.thepituitary.com/ [8] http://www.accuray.com/virtual-press-kit.aspx [9] http://whi.wts.edu/blogs/groves/?p=78 27
1. ábra: A különböző daganat-típusok gyakorisága (UK) [1]. 2. ábra:
Kezelési terv [7].
2. ábra: A CyberKnife rendszer felépítése [8].
4. ábra: Merev rözítőkeretes (Gamma Knife) és keret nélküli kezelés (CyberKnife) [9].
28
Hiperredundáns szerkezetek Drexler Dániel András — György András Email:
[email protected] Összefoglaló Az elmúlt néhány évtizedben a sebészet forradalmi változáson ment keresztül. Megjelentek a robotikai alkalmazások a műtőben, és ezek az eszközök minőségileg újfajta gyógyítást tettnek lehetővé. Jelen dolgozat néhány innovatív és hasznos alkalmazást mutat be mind műszaki, mind orvosi szemszögből. (Tanulságos és mérnöki szempontból érdekes az [1] Ph.D. disszertáció.) Az alapfogalmak ismertetése után a matematikai háttér kerül bemutatása röviden [2],[3]. Kitérünk a „folytonos robot”-modellre, a természetes paraméter bevezetésére, valamint a bázisfüggvényes leírás lehetőségére. Megfogalmazzuk a két legfontosabb feladatot, a direkt és az inverz geometriai problémát matematikai alakban. Az elméleti háttér bemutatása után mind tradicionális, azaz jól bevált és széles körben elterjedt alkalmazásokat, mind újszerű, jelenleg kísérleti stádiumban levő fejlesztéseket ismertetünk. A hagyományos robotsebészeti alkalmazások tipikus példája a laparoszkópiás műtét. Ez a minimál invazív sebészeti megoldás lehetővé teszi, hogy a teljes has felvágása nélkül, csupán néhány mm-es lyukakon hiperredundáns manipulátorok segítségével a műtét sikeresen elvégezhető legyen. Az ilyen beavatkozás során master-slave viszony definiálható, hiszen az orvos távolról vezeti, utasítja a robotot a feladat végrehajtására.
Ennek kapcsán bemutatásra kerül a Hyper-Finger [4] rendszer alapgondolata, a csuklók felépítése, valamint a megfogó. A hagyományos hiperredundáns robotok mechanikai felépítéséről és megtervezéséről átfogó képet ad [5]. Új kutatási iránynak számít az úgynevezett soft hiperredundáns robotok alkalmazása. Ezen robotok sokkal több, mint 6 szabadságfokkal rendelkeznek, így még nagyobb flexibilitást tesznek lehetővé, mint a hagyományos megoldások. Ennek a fejlesztési irányvonalnak emblematikus példája az „elefántormány” [6], mely tipikusan több tucat, de akár több száz szabadságfokkal is rendelkezhet. A soft robotika elnevezés arra utal, hogy a hagyományos diszkrét (hard) robotikához képest itt már nem is igazán vannak szegmensek és csuklók, hanem az egész robot gyakorlatilag csuklók összessége. Ennek megfelelően új szemléletet igényel irányításuk, valamint alkalmazásuk eddig nem látott lehetőségeket rejt magában. A konvencionális robotikától a legtávolabbi irányzat minden bizonnyal az elektroaktív polimerek (EAP) alkalmazása, melyek rendkívül könnyűek, puhák, és jól bírják a deformálódást. Ebből adódóan tökéletes alapanyagként szolgálnak a soft robotikának, természetesen sebészeti alkalmazásuk még várat magára, hiszen előbb a technikai és technológiai akadályokat kell leküzdeni.
29
Referenciák [1] Webster III, RJ: Design and mechanics of continuum robots for surgery. Ph.D. thesis, The Johns Hopkins University, 2007. [2] Chirikjian, GS, Burdick, JW: A Modal Approach to Hyper-Redundant kinematics. IEEE Trans. on Robotics and Automation; Vol.10(3), June 1994 [3] Chirikjian, GS, Burdick, JW: A Hyper-Redundant Manipulator. IEEE Robotics and Automation Magazine, December 1994 [4] Ikuta, K, Hasegawa, T, Daifu, S: Hyper Redundant Miniature Manipulator ”Hyper Finger” for Remote Minimally Invasive Surgery in Deep Area. Proc. of the 2003 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation Taipei, Taiwan, September 14-19, 2003 [5] E. Shammas, A. Wolf, H. Choset. Three-degrees-of-freedom joint for spatial hyperredundant robots. Mechanism and Machine Theory, 41(2006):170-190, 2005. [6] D. Trivedi, C.D. Rahn, W.M. Kier, I.D. Walker. Soft robotics: Biological inspiration, state of the art, and future research. Applied Bionics and Biomechanics 5(3):99117, September 2008
1. ábra: A CardioArm robot, a Carnegie Mellon University fejlesztése [CMU].
30
Haptikus interfészek Gyulai Vencel — Portschy Ádám Email:
[email protected] Összefoglaló A haptikus elnevezés a görög haptikos szóból ered, érintést jelent, de vannak akik a haptein (erősítés) szóból származtatják. Mindkét eredet indokolt lehet, hiszen a haptikus interfészen keresztül tulajdonképpen manuális vezérlést adunk egy robotgépnek, ami aztán adott esetben erősítheti, illetve csillapíthatja a bemenetre kapott impulzust. Haptikus érzékelésről, illetve interfészről már az 1960-as évektől fogva beszélhetünk. A módszert a radioaktív anyagok kezelésének kapcsán kezdték el alkalmazni, hogy az irányítható legyen [1]. Az interfész alapja nem más, mint egy erő-nyomaték érzékelésen alapuló master-slave kapcsolat. A master oldalon alkalmazott különféle szenzorok segítségével a humán interakció képezi a slave oldali robot bemenetét. Az egészségügyben terjedő robotizálás a haptikus interfész megjelenését is magával hozta. Számos előnyével tud hozzájárulni az orvoslás mindennapjaihoz, többek között a mozdulatok pontosságával, precizitásával. A lépték skálázásának köszönhetően a slave eszközön nagyobb mozdulatok akár nagyságrendekkel kisebb elmozdulássá is alakíthatóak. A gépi viselkedésből következően egyes mozdulatsorok taníthatóak, ezáltal pontosan ismételhetőek. Az eljárás nem követeli meg, hogy a master, illetve slave egység közvetlenül egymás mellett helyezkedjen el. A hálózati technológiáknak köszönhetően a két rész akár kilométeres távolságból is kommunikálhat egymással. A virtualizációnak köszönhetően a gyakorlati oktatásban is alkalmazható a haptikus interfész. Alapműveletektől teljes operációig szinte minden eset szimulálható és haptikus input/output eszközök segítségével virtuális környezetben gyakorolható.
A tudomány fejlődésével folyamatosan jelentek meg a a különböző haptikus interfészek, egyre több funkcióval, egyre nagyobb pontossággal. 1990 körül kezdtek megjelenni a ma használatos eszközök előfutárai. Az elsők között különböző joystick megoldások születtek, de ekkorra datálható az első exoskeleton kesztyű megjelenése is. Használhatóság szempontjából fontos mutatója az ilyen eszközöknek a szabadsági foka. A funkciótól függően választható meg ez a szám, hiszen egy egyszerűbb feladatra nincs feltétlenül szükség teljes körű mozgáslehetőségre. 1992-ben egy egyszerű, de annál fontosabb apparátust sikerült megalkotni egy két szabadsági fokú, két ujjas fogást szimuláló interfészt készítettek, ami azóta is alapja a sebészrobotok fogóeffektorának. 1993-tól indultak az összetett, pointing mozgást leíró eszközök fejlesztései. ezek közül a legjelentősebb talán a SenSable cég által forgalomba hozott, PHANToM névre keresztelt berendezés (1. ábra). Különlegessége a hozzá fejlesztett SDK, amin keresztül a felhasználók által is programozhatóvá vált az interfész. Ezen keresztül lehetőség nyílt saját alkalmazások használatára, ami az egyedi tervezésű robotalkalmazások szaporulatát eredményezte [2]. Az eszközök munkájának minőségét jelentősen befolyásolja a működés alapját szolgáló szenzorrendszer, illetve a beavatkozó alkatrészek. Az évről-évre megjelenő technikai újításoknak köszönhetően pontosabb, fejlettebb megoldások készülnek. A master oldali irányítás számára szükségesek különféle visszacsatolások a slave oldalról. A vizuális visszacsatolás szinte elengedhetetlen, viszont a virtuális kapcsolat tökéletesítéséhez szükség van az erőhatás visszacsatolására is. A force feedback nem luxus, ennek ellenére jelentős mértékben növeli a haptikus interfész használhatóságát. A slave 31
oldalról kapott eredmények nem csupán a humán vezérlés döntését segítik, hanem értékei alapján szabályozót is létrehozhatunk. (például a mozgástér korlátozására) A modern orvostudomány folyamatosan halad a gépek által kezelt beavatkozások
felé, viszont a vezérlés mégis megmarad emberi felügyelet alatt. A haptikus interfész is ezen keretek között marad, viszont alkalmazásával jelentős mértékben könnyíthetünk és pontosíthatunk az emberi munkán.
Referenciák [1] Potts A: Phantom-based Haptic Interaction. Thesis, University of Minnesota, 2000 [2] Hayward, Astley, Cruz, Hernandez, Grant, Robles, de la Torre: Haptic Interfaces and Devices. Sensor Review; Vol.24:1; pp.16–29; 2004 [3] T. Haidegger: Taktilis érzékelés, haptic érzékelés. Riport, BME-VIK; 2005
1. ábra:
A SensAble cég univerzális Phantom Omni haptikus interfésze [SensAble].
32
CIS rendszerek pontossága Haidegger Tamás Email:
[email protected] Összefoglaló A CIS, és ezen belül a kép által vezetett sebészet (Image Guided Surgery) az elmúlt 30 évben forradalmasította az intervenciós beavatkozásokat. Különösen nagy hatással volt például az idegsebészetre és ortopédiára [1]. Ugyanakkor a robotizált laparoszkópiás technikáknak hála a hasi beavatkozások is minimálisan invazívek lettek, kevesebb károsodást és mellékhatást eredményezve. A CIS elterjedésével nagymértékben növekedhet a műtéti beavatkozások pontossága, hatékonysága, köszönhetően az orvosi képalkotó berendezések, intelligens sebészeti eszközök és összetett mechatronikai komponensek alkalmazásának. A robotok technikai pontossága lehetővé teszi a tizedmilliméteres mozgások végrehajtását is, azonban az orvosi intervenciós eszközök tipikus hibája néhány milliméter [2]. Az applikációs pontosság az egyes eszközök saját hibáinak, a regisztrációs algoritmusok maradó hibájának és a műtéti környezet ki nem számítható változásainak összetett eredménye. Különböző rendszerek hibájának hatékony meghatározására pontossági teszteket és metrikákat vezettek be, úgy mint a Fiducial Localization Error (FLE), Fiducial Registration Error (FRE) és Target Registration Error (TRE). Ezek helyes alkalmazása megkönnyíti egyes eszközök használhatóságának objektív felmérését. Az applikációs pontosság kérdése egy konkrét integrált képvezérelt rendszer példáján kerül bemutatásra. Az amerikai egyesült államokbeli Johns Hopkins University CISST–ERC kutatólaboratóriumában fejlesztett robot célja,
hogy közvetlen segítséget nyújtson agyalapi csont-fúrással járó műtétek esetében. A rendszer három kiemelkedő előnye, hogy kiváló műtéti vizualizációt tesz lehetővé, azaz képes pontosan megjeleníteni a sebészeti eszközt a beteg 3D preoperatív modelljén; ezen túlmenően, mivel a csontfúró egy robothoz van rögzítve, az egész szerkezet stabil és robosztus, teljesen kiküszöbölve a kézremegést. Végezetül a rendszer legfontosabb jellemzője és egyben igazi újdonsága, hogy lehetővé teszi virtuális határok (virtual fixture VF) definiálását [3]. Meghatározásra kerültek az egyes eszközök és a komplett rendszer alkalmazási pontossága is, valamint új algoritmusokat fejlesztettünk az esetleges betegmozgások és más zavaró műtéti események által okozott hibák kiküszöbölésére. Az alkalmazott elméleti megfontolások és gyakorlati példák részletesen is bemutatásra kerülnek. Az elmúlt húsz évben a robotizált eszközök a gyártásautomatizálás mellett az egészségügyben is egyre komolyabb szerepet kaptak. A sebészrobotika az orvostechnika egyik legdinamikusabban fejlődő területévé vált, és már több százezer sikeres beavatkozást hajtottak végre világszerte. A robottechnika legfontosabb előnye a nagy pontosság, amely révén csökkenthető a beavatkozások hossza, súlyossága és a felépülési idő is. Azonban mindig körültekintően kell eljárni a rendszerek hibáinak meghatározásánál és értelmezésénél, objektív metrikát használva.
33
Referenciák [1] Kazanzides, P, Fichtinger, G, Hager, GD, Okamura, AM, Whitcomb, LL, Taylor, RH: Surgical and Interventional Robotics; Core Concepts, Technology, and Design. IEEE Robotics and Automation Magazine; Vol.15:2, pp.122-130; 2008 [2] Kwartowitz, DM, Herrell, D, Galloway, RL: Toward image-guided robotic surgery: determining intrinsic accuracy of the da Vinci robot. Int. J. of Computer Assisted Radiology and Surgery; Vol.1(3) pp.157-165; Nov. 2006 [3] Haidegger, T Xia, T, Kazanzides, P: Accuracy Improvement of a Neurosurgical Robot System. 2nd IEEE/RAS-EMBS Int. Conf. on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob2008); Scottsdale, Arizona; 2008
1. ábra: A JHU műtéti navigációs rendszerrel integrált NeuroMate robot agyalapi sebészeti beavatkozásokhoz. A nyilak az egyes eszközök közötti homogén koordinátatranszformációkat jelzik, a hozzájuk tartozó tipikus RMS hibával [3].
34
Szövetanalízis in vivo Majoros Tamás – Tyukodi Zita Email:
[email protected] Összefoglaló In-vivo szövetalanízis eszközei különös tekintettel a biolumineszencia és a fluoreszerncia segítségével történő képalkotásra: Az in vivo szövetanalízis noninvazív diagnosztikai eljárás, melynek során olyan folyamatok vizsgálhatók, melyek a hagyományos klinikai eszköztárral nem, vagy csak igen mérsékelt módon. A rohamosan fejlődő képalkotási rendszerek külön-külön is, még inkább együttesen alkalmazva olyan jelenségek megfigyelését teszik lehetővé, melyekből messzemenő következtetéseket lehet levonni mind kutatási, mind terápiás céllal. Jelen összefoglalóban két kevésbé ismert eljárást mutatunk be, a biolumineszenciát és a fluoreszenciát kihasználó képalkotást. A biolumineszencia során adott sejteket génmanipuláció segítségével fénykibocsátásra képessé tesznek. Alacsonyabb rendű élőlényeknél gyakran előfordul ez a képesség, rendszerint szentjánosbogárból vagy mélytengeri halakból nyert géneket használnak. A fényhatás kiváltásához szubsztrát és oxigén szükséges. A fluoreszcens eljárás során fluoreszkáló festékkel jelölnek meg sejteket, vagy GM módszerrel ilyen festékmolekulák előállításásra tesznek alkalmassá. A fényhatás kiváltásához gerjesztő fényre van szükség. Mindkét módszer széles körben használatos. Előnyeik közé tartoznak az alacsony költség, a jó biokompatibilitás, az egyszerű képalkotó berendezés, többnyire egy CCD kamera a hozzá tartozó szoftverrel. Mindkét módszer hátránya, hogy látható vagy közeli infravörös tartományba eső fényt használ, a szövetek átlátszósága ebben a tartományban kicsi, a szóródás pedig jelentős. Megfelelő számítástechnikai háttérrel és több szögből készített felvételsorozatokkal mégis érdemileg használható képek készülhetnek. A feloldóképesség
azonban nem éri el a már ismert berendezésekét, valamint erősen függ a közbeeső szövet vastagságától. Tipikus alkalmazásakor módosított vírus, baktérium vagy rákos tenyészetet követnek nyomon az élő szervezetben; ennek inverzeként pedig jelölt immunsejteket használnak. A módszer könnyen kombinálható a már ismert képalkotó eljárásokkal, PET, CT, SPECT, MRI, UH, vagyis a meglévő berendezések könnyen kiegészíthetők. Az eljárás kiegészíthető endoszkópos segítséggel, így csökkentve a vastag szövetrétegek okozta nehézségeket. Képalkotó eljárások alkalmazása a regeneratív medicina és az őssejtkutatás területén: Az őssejtkutatás sokat magába foglal a biológiai rendszerek tanulmányozásának nagy kihívásai közül, köztük a sejtek differenciálódási és szabályozó folyamatait, amik alapvetően változtatják meg a fenotípust és funkciókat, a test különböző részei közötti anyagforgalmat, kapcsolatokat más sejtekkel és szövetekkel. Az őssejtek normális differenciálódási folyamata csupán az arra alkalmas környezetben megy végbe, ezért ezek a kutatások általában élő szervezeteket igényelnek. Sőt, ellentétben a fejlődésbiológiai kutatások által használt egyszerűbb modellszervezetekkel, amelyek ezekben a tulajdonságaikban relatíve átláthatóbbak, a regeneratív medicinában ezeknek a folyamatoknak a nagyobb, relatíve bonyolultabb szervezetekben, valamint az emberi szervezetben lejátszódó a megértésére törekszünk. A haematopoetikus őssejtek jól leírt funkciójú, könnyen izolálható, multipotens sejtek. Egyetlen sejt képes regenerálni a teljes vörösvértestszintézist, ezért az őssejtkutatás és a helyreállító medicina homlokterébe került használatuk. Az átültetés során a transzgén egyéb markergéneket tartalmaz, amelyek 35
jelölik a recipiens szervezetben az idegen gén jelenlétét és működését és fizikai képalkotó módszerekkel detektálhatók. A haematopoiezis helyreállása kisszámú haematopoetikus őssejtekből: A haematopoetikus őssejtek bevitele során kisszámú sejtet jelöletlen csontvelővel együtt transzplantáltak. Az átültetés hatékonysága mintegy 20% volt. Az átültetett sejtek a csontvelőben és lépben voltak kimutathatók. A jelölt sejtek szintje a bevitt sejtek számával korrelált. A különbség minden esetben az őssejtektől eredt, mivel a csontvelő mennyisége azonos volt.
Az optikai képalkotó eljárás átvitele a klinikai gyakorlatba Az optikai képalkotás forradalmasítja az állati modellkísérletek átvitelét a humán biológiába és gyógyításba. Az eljárás ugyanakkor komoly kihívással néz szembe a preklinikai kísérletekben, a felhasználható markerek kis száma miatt. A gyógyító eljárás során nem alkalmazható toxikus és sugárveszélyes eljárás. Az élő szervezet patológiás elváltozásainak feltárása a molekuláris diagnosztika, biomedicina integrált felhasználását igényli a molekuláris képalkotással, amelynek a forradalma épp csak elkezdődött.
Referenciák [1] Crawford JM, Tykocinski ML: Pathology as the enabler of human research. Lab. Invest. Vol.85; pp.1058–1064; 2005 [2] Contag PR, Olomu IN, Stevenson DK, Contag CH: Bioluminescent indicators in living mammals. Nat. Med. Vol.4:245–247; 1997 [3] Contag CH, Spilman SD, Contag PR, Oshiro M, Eames B, et al.: Visualizing gene expression in living mammals using a bioluminescent reporter. Photochem. Photobiol; 1997 [4] Contag CH: In vivo Pathology: Seeing with Molecular Specificity and Cellular Resolution int he Living Body” in Annu. Rev. Pathol. Mech. Dis. Vol..2; pp.277305.; 2007
36
Automatikus légút- és vénabiztosítás Bartus-Hunyor Mátyás — Harangozó Gábor Email:
[email protected] Összefoglaló A címben említett teljesen autonóm rendszer megvalósulásáig még hosszú út vezet, azonban látható, hogy részeredmények már napjainkban is vannak, létjogosultságuk is egyre inkább megalapozottnak tekintett [1]. A vénabiztosítás az egyik legalapvetőbb beavatkozás a sürgősségiés katasztrófa-medicinában; így válik lehetővé az életmentő folyadék, ill. fájdalomcsillapító, keringéstámogató és egyéb gyógyszerek biztos, gyors és hatásos bevitele. Akár perifériás, akár centrális utat választunk, mindkét módszer jelentős rutint és „ravasz ügyességet” követel, bizonyos esetekben pedig még a jól képzett szakember is belefuthat 5-10 perceket rabló egyedi esetekbe – a teljesség igénye nélkül: mélyen futó „anatómiai variáns”, hajszálvékony, összeesett, gyenge falú, speciális korosztályokra ill. testalkatokra jellemző, bőr alatt „elugráló”, szteroidhatás miatt igen keményfalú stb. vénák okozhatnak beavatkozónak és segítségre szorulónak egyaránt nehéz perceket. Mindezt gyakran olyankor, amikor az időveszteség jóvátehetetlen károsodást, esetleg az élet elvesztését jelentheti (magas időfaktorú folyamatok). Ezen problémákra részben gyógyírt jelentenek a napjainkban soha nem látott mértékben fejlesztett és terjedő alternatív intraosszeális megoldások – ezek alkalmazása egyszerű, gyors és megbízható, biztos eredménnyel jár. Ezek közül kiemelendő az ún. bone injection gun [2] és az amerikai hadseregben kipróbálásra kerülő F.A.S.T.-1 (the First Access for Shock and Trauma sternal intraosseus system [3]) – mindkét eszköz elsősorban a gyorsaságával hódit, a pozicionálás időveszteség nélkül végezhető, a siker pedig garantált. Utóbbi eszköz külön előnye, hogy egészségügyileg viszonylag képzetlenebb személy kezébe is adható,
robosztus és zord körülmények között is biztonságos az alkalmazása. Ezen tulajdonságai azok, amik egy magasabb fokú gépesített alkalmazást is lehetővé tesznek. Vizualizáción alapuló helyzetmeghatározó eljárások jelentik az utat az automatizáláshoz [4]; a fontosabb és kurrens technikák között említhetjük a hajlékony endoszkóp alkalmazását, az ultrahang-vezérelt tűbevezetést [5], a felületesebb lefutású erek láthatóvá tételét infrakamerával, és az intervenciós radiológia fluoreszcens orientációs képalkotását [6]. Ide tartozik még a 3D lézeres testfelület modell a hozzátartozó CT-MRI adatbázissal, csatolt koordináta rendszerként [7-9]. Joggal merülhet fel a kérdés, hogy akkor mi értelme van egy ilyen, viszonylag költséges és bonyolult robotrendszer kiépítésének? Bizonyos körülmények között, háborús övezetben, katasztrófák helyszínen [10], zord időjárási körülmények között, illetve kivételesen nagy távolságok esetén (ld. űrutazások, űrállomás) előfordul, hogy megfelelően képzett szakszemélyzet nem biztosítható kellő számban, illetve nem vállalható kockázatot jelentene odaküldésük. Ilyen esetekben a sérülteknek, illetve akut ellátásra szorulóknak ezek a szofisztikált, csúcstechnológiát képviselő gépek jelenthetik az utolsó reményt, lehetőséget az életbenmaradásra. Mint az ezzel foglalkozó szakirodalomban számtalanszor megteszik, jelen előadásunkban mi is kitérünk az ember-gép viszonyra; érdekes kérdéseket és megoldandó problémákat vet fel a sérült pszichés viszonyulása, esetleges szorongása az őt ellátó robottal szemben, illetve a köztes lépcsőt jelentő, ember és az általa a távolból felügyelt beavatkozó egység kapcsolata, a beteggel való közvetített kommunikáció szempontjából is. Sokan leírták azt az ismert mondatot, miszerint „errare humanum est”, hibázni
37
emberi dolog. Lényegében ez (is) adja az emberi élet szépséget, de vannak helyzetek és az életnek olyan területei, ahol lehetőleg minden hiba elkerülendő. A robotoknak, akár még ember végzi az irányítást, és „csak” kivitelező ill. kivitelezést támogató szerepük van (ld. pl. a finomkoordinációnál az operátor kézremegésének szűrését, vagy a „pillanatállj” funkciót, mikoris az eszközök megőrzik a pillanatnyi pozíciójukat szükség eseten), akár már teljesen autonóm módon hoznak döntéseket és kivitelezik az egyes sürgős orvosi beavatkozásokat (általában stabilizáló, életfunkciókat támogató, az angol terminus: Advanced Life Support), megfelelő redundáns tervezés, kiépítés és tanítás esetén; kétségkívül előnyük a megbízhatóság, a kiterjesztett rendelkezésreállás (nem fáradnak el, bonyolult-veszélyes helyszínen nem zavarodnak össze), a nagyságrendekkel kisebb hibás döntések száma, és az életmentő gyorsaság. Lévén az információ is véges sebességgel terjed, a teleoperációnak megvannak a maga fizikai, térbeli korlátai, háborús ill. katasztrófaövezetben pedig akadályozott lehet a nagy sávszélességű, biztonságos adatátvitel. Ilyenkor jutnak kiemelt szerephez a teljesen automatizált rendszerek. Az újraélesztésben, eszméletlen sérült első ellátásában a legalapvetőbb dolog az átjárható légutak biztosítása, illetve kielégítő sajátlégzés hiányában annak támogatása, pótlása. Hasonlóan a vénabiztosításnál megfogalmazottakhoz,
itt is számos speciális körülmény nehezítheti, lehetetlenítheti el ezt az életmentő beavatkozást[1]. A sok, napjainkban már széles körben elérhető alternatíva (kombitubus, sürgősségi gégemetsző gyorsszett) mellett az automatizálás szempontjából kiemelkednek a laringiális maszkkal ötvözött endotracheális tubus, illetve a fiberoptikát és Seldinger-technikát ötvöző megoldások. Előadásunkban kitérünk az ismertetett eljárások oktatásban való felhasználására is [11]. Bár a feldolgozott irodalom jelentős nagyságú, az általunk vizsgált jövőbeli alkalmazásokat közvetetten érintik, tárgyalják, jó okkal feltételezzük, hogy a témában előrehaladott kutatások zajlanak, de ezeknek nem minden eredménye publikus, egyenlőre. A légútbiztosítással párhuzamosan kell gondoskodni a sérült megfelelő keringés-támogatásáról (szükség esetén defibrillálás, pacemaker-terápia, folyadék-reszuszcitáció, vénabiztosítás!), vérzéscsillapításról, és mindezen folyamatok monitorizálásáról. Az adatatok kinyerése nem csak a gépek visszacsatolt működése miatt szükséges, hanem így értékes oktatási anyaghoz, későbbi esetleges hibaanalízishez és egyfajta minőségbiztosításhoz is felhasználható információhoz jutunk. Mindezen összetett funkciók egy kompakt, robosztus egységben való megvalósítása óriási kihívás, egyes kutatócsoportok máris rendkívül impozáns eredményeket értek el hasonló rendszerek kifejlesztése terén [12].
Referenciák [1] Ubelacker, S: Canadian researchers develop automated anesthesia system dubbed McSleepy. The Canadian Press; May. 2, 2008 [2] David J et al.: Intraosseous infusion using the bone injection gun in the prehospital setting. Resuscitation, Vol.80:3, pp.384-385; 2008 [3] Fndlaiy, J et al.„Paramedic evaluation of adult Intraosseous Infusion System”, Prehosp. and disaster med., pp 329-341, Sep-Oct 2006 [4] Betrouni, N et al.: Volume quantification by fuzzy logic modelling in freehand ultrasound imaging. Ultrasonics (2009), [5] Oguzkurt L et al.: US-guided placement of temporary internal jugular vein catheters: immediate technical success and complications in normal and high-risk patients. European Journal of Radiology, Vol.55:1, pp.125-129.;2001 [6] Dede, D, Akmangit, I, Yildirim, NZ, Sanverdi, E, Sayin, B: Ultrasonography and fluoroscopy-guided insertion of chest ports. The Journal of Cancer Surgery, EJSO 34; pp.1340-1343.; 2008 [7] Burschka, D et al.: Navigating inner space: 3-D assistance for minimally invasive surgery. Advances in Robot Vision, Robotics and Autonomous Systems; Vol.52:1, pp.5-26.; July 2005
38
[8] Mukhija, V et al.: Transoral robotic free flap reconstruction. Otolaryngology-Head and Neck Surgery; Vol.140, pp.124-125; 2009 [9] Shah, S, Kapoor, A et al.: Robotically assisted needle driver: evaluation of safety release, force profiles, and needle spin in a swine model. Surgical Robotics, Instrumentation and Navigation; Vol.3:1, Springer; 2008 [10] Chang, C, Murphy, RR: Towards Robot-Assisted Mass-Casualty Triage. IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control; pp.267-272.; 2007 [11] Biro P, Pasch T: A Nehéz Intubálás avagy A Nehezen Biztosítható Szabad Légút. Golden Book Kiadó Kft., 1998 [12] Garcia, P et al.: Trauma Pod: a semi-automated telerobotic surgical system. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2009
39
Vizuális visszacsatoláson alapuló mozgáskompenzáció a robotsebészetben Kertész Zsolt — Lenyu Petra Email:
[email protected] Összefoglaló Az elmúlt évtizedekben a sebészetben fokozódott a beavatkozások radikalizálódása, ezzel együtt nőtt a műtéti trauma csökkentésének igénye. A nyitott sebészeti módszerek helyettesítésére fejlesztették ki a minimál invazív sebészetet [1]. Mivel ennél az eljárásnál kisebb a szöveti trauma, alacsonyabb a posztoperatív fájdalom és rövidebb a gyógyulási idő, így a beteget érő stressz és a kórházi költségek jelentősen csökkennek. Számtalan előnye mellett az új műtéti eljárás új kihívásokat jelent az orvosok és a fejlesztőmérnökök számára. Napjainkban az intelligens manipulátorok és a speciális képalkotó/megjelenítő rendszerek fokozzák az eljárás pontosságát és megbízhatóságát. Ugyanakkor a műtéti technikák standardizálódása a minőségbiztosítás alapjául szolgál. A legújabb megközelítések célja az akaratlan „emberi tényező” – remegő kéz, szem-kéz koordinációs problémák – kikapcsolása, és a milliméter alatti pontosság elérése. Az önkéntelen kvázi-periodikus biológiai mozgás gyakran zavaró faktor az orvosi és sebészeti eljárások során [2]. A respiratórikus (légzési eredetű) mozgás elsősorban a mellkas és has laparoszkópiás eljárásaiban, a szívet és a májat érintő, illetve urológiai beavatkozásokban, valamint a radioterápia közben okozza a legtöbb nehézséget. Bár a szívverés hatása némileg lokálisabb, mint a légzésé, ez még mindig jelentős a mellkas és felső hasi rész beavatkozásainál, továbbá a kardioballisztikus effektus (mikor a szív pumpálja a vért az artériában) a test távolabbi részeibe is eljut. A problémák gyakran együtt jelentkeznek, például a szív műtéte során a különböző típusú (légzésből, szívverésből adódó) kváziperiodikus mozgások együtt lépnek fel. Ezeknek a hatásoknak a csökkentéséhez
bevett módszere a szívműködés lassítása illetve ideiglenes leállítása, de a főleg időseket érintő eljárásnál ez jelentősen növelte a műtét kockázatát, és a beavatkozás sikerességének ellenőrzésére is csak túl későn adott lehetőséget [3, 4]. Egy további, speciális példája a kontrollálatlan lokális kvázi-periodikus mozgásnak a szemremegés (tremor), amivel a lézeres szemészeti eljárásoknál számolni kell. A mikrosebészet során hasonló tényező a sebész kézremegése, ahol a kéz akaratlan mozgása (fiziológiás tremor) adott esetben megközelíti az emberi teljesítőképesség határát és a szükséges pontosságot. Ez korlátozza az eszköz pozíciójának bizonytalanságát, így a manipulálható objektumok méretét. A probléma kiküszöbölésére az utóbbi években számos klasszikus irányításelméleti eljárást vetettek be [5]. Az erőirányítás segít elkerülni a szövet-károsodásokat, így jelentősége főleg a teleoperáció területén nőtt meg. Hátránya, hogy az adott betegnél a szövet „keménysége” előre nem ismert, és nagy változatosságot mutat, így annak online becslésére van szükség [6, 7]. Mivel az orvos a beavatkozásokat általában képi adatok alapján végzi, kézenfekvő a vizuális információ felhasználása az akaratlan mozgás kompenzálásához is. A feladat teljesítéséhez az optikai követés, állapotbecslés és irányítás feladatait kell megoldani. Fontos megemlíteni, hogy a probléma rendkívül komplex, a változó és kedvezőtlen látási viszonyok, a flexibilis szervek, a szűk mozgástér mind-mind igen megnehezítik az automatizálás lehetőségét. Feltehetően az egyes eljárások valamilyen fúziója adja majd a jövőben a megfelelő pontosságot. Részleteiben nem térünk ki az olyan akaratlan, gyakran
40
nagymértékű mozgásokra (görcs, roham), amikor a sebészeti eszközöknek a beteg számára biztonságos állapotba vitelére, esetleg eltávolítására és a gépi műtéti eljárás megszakítására van szükség. Munkánk során áttekintjük a minimál invazív sebészeti eljárásokban a
mozgáskompenzációra jelenleg alkalmazott módszereket, és törekszünk szemléletes képet adni a megoldásokról a képzés többi hallgatója számára. Igyekszünk utalni megoldatlan problémákra, illetve a téma feldolgozása során nyitva maradt kérdésekre.
Referenciák [1] Groeger, M, Arbter, K, Hirzinger, G: Motion Tracking for Minimally Invasive Robotic Surgery. Bozovic, V. 8szerk.): Medical Robotics, I-Tech Education and Publishing, Vienna, Austria, pp.117-148; 2008 [2] Riviere CN, Gangloff J, De Mathelin M: Robotic compensation of biological motion to enhance surgical accuracy. Proc IEEE. Vol.(9); pp.1705-1716.; 2006 [3] Ortmaier, T, Groger, M, Boehm, DH, Falk, V, Hirzinger G. Motion estimation in beating heart surgery. IEEE Trans. on Biomedical Engineering; Vol.52(10), pp.1729-1740.; 2005 [4] Ginhoux, R, Gangloff, JA, de Mathelin, MF, Soler, L, Sanchez, MMA, Marescaux, J: Beating heart tracking in robotic surgery using 500 hz visual servoing, model predictive control and an adaptive observer. In Proceedings of the 2004 IEEE Int’l Conference on Robotics and Automation (ICRA 2004), May 2004. [5] Ortmaier, TJ: Motion Compensation in Minimally Invasive Robotic Surgery. PhD tesis, TU Munich; 2002 [6] Cagneau, B, Zemiti, N, Bellot, D et Morel, G: Physiological motion compensation in robotized surgery using force feedback control” Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA’07), pp.1881–1886, Roma, Italy, 2007 [7] Ginhoux, R, Gangloff, JA, de Mathelin, MF, Soler, L, Sanchez, MMA, Marescaux, J: Active filtering of physiological motion in robotized surgery using predictive control; IEEE Transactions in Robotics, 2004.
41
A sebészet nyelve Zsiga Katalin — Korom Csaba Email:
[email protected] Összefoglaló Manapság a sebészet fejlődése egyértelműen a minimál invazivitás (Minimally Invasive Surgery – MIS) felé tart. A sebészi beavatkozás és az emberi nyelv között párhuzamot vonva a kutatók arra jutottak, hogy a bonyolult sebészi feladatokat elemi lépésekre bonthatják ahhoz hasonlóan, ahogy az emberi nyelv is különböző nagyságú egységekre, mondatokra, szavakra, hangokra tagolható. A sebészet megfelelő jártasságot, tapasztalatot igénylő tevékenység, melynek struktúrája tanítható és elsajátítható. Ez a struktúra a sebészet nyelve. Annak érdekében, hogy ehhez a nyelvhez ki tudjanak fejleszteni egy matematikai modellt, a Johns Hopkins Egyetem dolgozói ötleteket merítettek a beszédfelismeréssel kapcsolatos kutatásokból, és a mozgásfelismerés, valamint orvosi tevékenység értékelésénél alkalmazták azokat. Az a cél,, hogy a sebészeti beavatkozásokat a legbiztonságosabban és leghatásosabban végezhessék el. A beszédfelismerésben a beszédet alapvető hangokra, úgynevezett fonémákra bontják. Ezt a példát követve a sebészeti procedúrákat, mint varrás, bemetszés, szövetegyesítés, a legegyszerűbb mozdulatokra próbálják felbontani, amelyeket „surgeme”-eknek neveztek el, majd ezeket matematikai módon reprezentálják számítógépes szoftver segítségével [1]. A sebészi műveletek felbontásának módszere egy véges állapotú (30 állapot) Markov-modellen alapszik, ahol a bal és a jobb kezet 15-15 állapot reprezentálja [2]. A mozdulatok rögzítésével lehetőség nyílik az adatok későbbi elemzésére. A tudósok abban bíznak, hogy ennek az információnak a birtokában képesek
lesznek felismerni, hogy egy sebészeti beavatkozás jól sikerült-e, továbbá azonosítják azokat a mozdulatokat, amelyek komplikációhoz vezethetnek a műtét során. Ahogy a beszédfelismerő szoftver figyelmeztet a rossz kiejtésre vagy nyelvhelyességre, úgy ez a program is azonosíthat egy pontatlan vagy időben túl sokáig elhúzódó mozdulatsort. Ahhoz, hogy ez lehetővé váljon, a számítógépeknek először folyékonyan kell beszélniük a sebészet nyelvén. Ehhez szükség van az adatok lehető legjobb módon történő feldolgozására. Ennek első lépése az adatgyűjtés, ehhez nyújtott segítséget a da Vinci sebészeti rendszere. Ez a robotrendszer lehetővé teszi egy sebész számára, hogy minimál invazív beavatkozásokat végezzen egy számítógépes munkaállomásnál ülve. 2005-ben Hager és munkatársai kifejlesztettek egy módszert arra, hogy a da Vinci adatai segítségével elkészítsék a szuturálás matematikai modelljét. Ez volt az első és legfontosabb lépés a sebészet nyelvének kutatásában. Hager szerint manapság a szavak már mondatokká alakultak, és az elkövetkezendő évek legfőbb feladata egy óriási adatbank létrehozása, mely a sebészeti feladatok mozdulatait tartalmazza. A hosszú távú célok közé tartozik többek között a sebészek munkájának objektív módon történő kiértékelése, az orvosok képességienek javítása, a sebészi mozdulatsorok lehető legpontosabb leírása, és a műtétek precizitásának növelése [1, 3].
42
Referenciák [1] Lin, HC, Shafran, I, Yuh, D, Hager, DG: Towards autommatic skill evaluation: Detection and segmentation of robot-assisted surgical motions. Computer Aided Surgery; Vol.11(5), pp.220-230; 2006 [2] Rosen, J, Chang, L, Brown, JD, Hannaford, B, Sinanan, M, Satava, R: Minimally Invasive Surgery Task Decomposition – Etymology of Endoscopic Suturing. Studies in Health Technology and Informatics – Medicine Meets Virtual Reality, Newport Beach, CA; 2003 [3] Richards, C, Rosen, J, Hannaford, B, Pellegrini, C, Sinanan, M: Skills evaluation in minimally invasive surgery using force/torque signatures. Surgical Endoscopy; Vol.14; pp.791-798; 2000
1. ábra: 8 alapvető sebészi mozdulat, azaz „surgeme”: 1) A tű megragadása; 2) A tű pozicionálása; 3) Áthatolás a szöveteken; 4) Középrehúzás bal kézzel; 5) Középrehúzás jobb kézzel; 6) Varratkészítés bal kézzel; 7) Varratkészítés jobb kézzel; 8) A tű eligazítása mindkét kézzel [1].
43
Robotok az idegsebészetben: pro/contra-indikációk Szabó Anett — Wagner Zsolt
Összefoglaló Az idegrendszeri képalkotás és sztereotaktikus technológiák fejlődése lehetővé tette a minimál invazív beavatkozással járó sebészet oly mértékű fejlődését, melynek következtében az idegsebészeti eljárások elméleti lehetőségei hamarosan meghaladhatják a legképzettebb és legtehetségesebb sebészek képességeit is. A műtéti terület nagyításának és az eszközök miniatürizálásának egyesítése felülmúlja az emberi kéz nyújtotta lehetőségeket. A kézügyesség és a durva mozdulatok elkerülése alapvető követelmények az idegsebészetben. A sebészrobotok bevonása tehát érdekes dilemma és nagyszerű lehetőség is egyben. A robotok előnyei az emberrel szemben, hogy nagyon percízek, képesek apró, remegésmentes mozgásokra, nagy geometriai pontosságra, stabilak és fáradhatatlanok a gyakran ismétlődő mozgássorozatokra nézve is, valamint nagyon megbízhatóak. A fő előnyük abból származik, hogy képesek nagy mennyiségű, részletes, kvantitatív információ felhasználásával pontos, ismétlődő mozdulatokat elvégzni, és képesek extrém környezetben dolgozni, mint például a telerobotika esetén. Hátrány azonban a korlátozott kéz-szem koordináció és kvalitatív döntéshozatalra való képesség, a csupán viszonylag egyszerű feladatokra való alkalmazhatóság, a műtőben nagy térigény és a magas ár. Az ember felülmúlja a robotot a különböző forrásokból származó információk egyesítésében valamint különlegesen a tapintásban. A robotok jelenlegi feladata ezen kritikus különbségekből következően tehát nem az, hogy a sebészt helyettesítsék, hanem hogy a sebész felügyelete alatt asszisztáljanak. Alkalmazásukkal minimalizálni lehet a szöveti károsodást.
1985-ben használtak először robotot idegsebészeti beavatkozásnál (agybiopszia). Azóta az agysebészet és gerincsebészet területén is megnőtt az érdeklődés a robotizálás iránt , melynek következtében több rendszert is kifejlesztettek. Nathoo ezeket a sebész-robot interakció alapján három osztályba sorolja [1]. Az első egy olyan, sebész által felügyelt rendszer, amelyben a robot által végzett műveleteket előre megtervezik, beprogramozzák, majd a sebész felügyeli elvégzésüket (1. ábra). A második egy tele-robotikai rendszer, amelyben a robotot a sebész valós időben irányítja, erő alapú visszacsatolással (kooperatív sebészet). A harmadik rendszerben a sebész egy konzol segítségével irányítja a robotot, amely révén fokozódik a pontosság, csökken a kézremegés okozta trauma (valódi távsebészet). A legszélesebb körben elterjedt és legegyszerűbb példa a robotok agysebészeti alkalmazásásra a Leksell Gamma Knife Radiosurgical rendszerének legújabb modellje [2]. Az első FDA (Food and Drug Administration) által jóváhagyott rendszer a NeuroMate volt. További rendszerek a Minerva, Evolution 1 (2. ábra) robotic system és a NeuRobot. Növekszik az érdeklődés a gerincsebészet területén is a robotkar és képvezérlés egysítése iránt. Számos rendszer létezik, többek között a Cyberknife, RoboCouch Patient Positioning System, SpineAssist és a da Vinci Surgical System. A sebészrobotok egyértelmű hatással vannak az idegsebészeti gyakorlatra. Világos, hogy miközben a sebészeti robotika területe fejlődik, tekintettel kell lenni az agyés gerincsebészet sajátosságaira, sebészeti anatómiájára is, így a legújabb technológiák könnyebben adaptálhatóak a már erősen specializált műtéti környezetbe. 44
Referenciák [1] Nathoo N, Cavusoglu MC, Vogelbaum MA, Barnett GH, „In touch with robotics: neurosurgery for the future”., Neurosurgery, Vol.56(3), pp.421-33; Mar 2005 [2] Karas, C, Baig, M: Robotic Neurosurgery. In Medical Robotics, Viena, Austria: Advanced Robotic Systems, 2007 [3] Burckhardt, CV, Flury, P, Glauser, D: Stereotactic Brain Surgery. IEEE Engineering in Medicine and Biology magazine; Vol.14(3), p.314-317, 1995
1. ábra:
A jelenlegi sebészrobotok felosztása három csoportba az alkalmazott irányítási koncepció alapján [1].
2. ábra:
A Minerva MR alapú, szterotaxiás robotrendszer [3].
45
A robotizált prostatectomia és előnyei Ender Ferenc — Kocsis Adrienn Nikoletta Email:
[email protected] Összefoglaló Az orvosi gyakorlatban húsz éve jelentek meg a minimál invazív sebészeti technológiák, mint különböző sebészeti eljárások alternativái. A laparoszkópos illetve endoszkópos eljárások után 1998ban jelent meg klinikai alkalmazásban a da Vinci robotsebészeti rendszer. Jelenleg a világon közel 1350 rendszer üzemel 2156 szakorvos közreműködésével, főként az USA-ban illetve Európában, tavaly óta pedig Ázsiában is [10]. Az Intuitive Inc. által kifejlesztett da Vinci rendszer FDA (U.S. Food and Drug Administration) engedéllyel rendelkezik mellkas-sebészeti, kardiológiai, általános laparoszkópiai, nőgyógyászati és urológiai beavatkozások végzéséhez. Magyarországon 2007-ben a telki magánkórházban egy magyar-amerikai orvoscsapat végezte az első robotos beavatkozást, majd 2009 őszén a következőt [1-2, 10] Az Intuitive Inc. 2008-as évi előrejelzésében 135.000 robotsebészeti beavatkozás szerepel: 75.000 prostatectomia, 33.000 hysterectomia illetve 27.000 egyéb beavatkozás. Az elmúlt három év során az USA-ban végzett laparoszkópos műtétek aránya 1%-ra esett, míg a robotos prosztataeltávolítások aránya 10%-ról 71%-ra nőtt. Így ma ez a prosztata rosszindulatú daganatos megbetegedéseinek elsőrendű terápiája. [12],[13],[15] Létjogosultságát a prostatectómia terápiájában két dolognak köszönheti: egyrészt a prosztata daganatos betegségeinek gyakoriságának, másrészt ezen anatómiai lokalizációban lévő sérülékeny és egyben fontos funkciókkal rendelkező érés idegképleteknek. [2], [3] Ez egy nagyon komplex, ugyanakkor drága eljárás, mely fontos előnyökkel bír mind a sebész, a kórház, mind pedig a páciens szempontjából. Lehetővé teszi a műtéti terület nagyított, három dimenziós
vizualizációját, illetve a sebészi munka rendkívül precíz kivitelezését a rendelkezésre álló limitált számú robotsebészeti eszközzel, miközben az orvos számára kényelmes pozíciót biztosít. Lerövidül mind a sebészi technika elsajátításának, mind az operáció kivitelezésének időtartama [3]. További szempont lehet a laikus betegek esetleges bizalmatlansága vagy épp lelkesedése az őket operáló „robotdoktorok” iránt. Az ún. retropubicus radicalis prostatectomia – amely a legelterjedtebb műtéti feltárással végzett prostatectomia – 24.000 dolláros műtéti költségéhez képest – a da Vinci rendszer 1000-1700 dollárral drágább műtétenként. Ez az extra költség azonban megtérül, hiszen az eljárásnak köszönhetően gyorsabb és hatékonyabb a rehabilitáció, lecsökken a kórházban töltött idő, illetve a posztoperativ gyógyszeres terápia és a szövődmények előfordulása. Mindezek ellenére ma még kevés kórház engedheti meg magának a rendszer 1.750.000 dolláros költségét [3], nem beszélve annak évenkénti 135.000 dolláros karbantartási költségéről, a hozzá tartozó, egyenként összesen 10szer használható sebészi eszközökről, illetve a szakorvos és a sebészi asszisztencia speciális felkészítésének költségéről. Előadasunkban bemutatjuk a robotizált prostatectomia műttéttanát képekben [5],[6],[7] és animáción [10, 11]. Az irodalomban közölt forrásmunkák alapján a retropubicus (RRP), a laparaszkópos (LRP), és a robottal végzett laparaszkópos (RARP) műtéti technikák perioperatív és posztoperatív paramétereit hasonlítottuk össze. Az összehasonlítás alapját képező szempontok közül a legfontosabbak a műtéti idő, a műtét alatti vérveszteség, a posztoperatív transzfúzió szükségessége, a posztoperatív fájdalom, komplikációk fellépte, 46
reoperáció illetve utólagos nyitott hasi műtéttel való korrekció szükségessége. A rehabilitáció követésében a legfontosabb szempontok voltak a kórházi kezelési idő, a kontinencia képesség illetve az erektilis funkció visszatérésének ideje. Az összehasonlító elemzések alapján a laparaszkópos műtéti eljárás a nyitott retropubicus prostatectómiához képest ugyan hosszabb műtéti időt eredményez, azonban jelentősen lerövidíti az utókezelés és a rehabilitáció idejét, emellett a komplikációk száma is csökken. Ahol a laparaszkópos eljárást
robot asszisztenciával is kiegészítik, a mutatók további javulását találtuk [4]. Ugyanakkor a összehasonlító vizsgálatok elmezésénél figyelembe kell vennünk a da Vinci rendszer által képviselt ezidáig egyedülálló technológiai, módszertani és szemléletbeli újszerűséget. Kérdéses, hogy a készülék bevetését a mindennapi sebészeti gyakorlatban annak valódi szükségessége, vagy az általa képviselt megkerülhetetlen technológiai érték indukálja-e. Vajon pár év múlva a klasszikus sebészi szakértelem háttérbe szorul a robotkarok generációs újitásai mögött?
Referenciák [1] Bodner J, Augustin F, Wykypiel H, Fish J, Muehlmann G, Wetscher G, Schmid T.: “The da Vinci robotic system for general surgical applications: a critical interim appraisal.” Swiss Med Weekly; Issue 135, Pages 674–678, 2005. [2] Da Vinci Surgery; http://www.davincisurgery.com; 2009. 04. 27. [3] A. Descazeaud, M. Peyromaure, M. Zerbib; “Will Robotic Surgery Become the Gold Standard for Radical Prostatectomy?”; European Urology, Volume 51, Issue 1, Pages 9-11; 2007. [4] Vincenzo Ficarra, Giacomo Novara, Walter Artibani, Andrea Cestari, Antonio Galfano, Markus Graefen, Giorgio Guazzoni, Bertrand Guillonneau, Mani Menon, Francesco Montorsi, Vipul Patel, Jens Rassweiler, Hendrik Van Poppel. “Retropubic, Laparoscopic, and Robot-Assisted Radical Prostatectomy: A Systematic Review and Cumulative Analysis of Comparative Studies”. Journal or Urology; Volume 55; Issue 5; Pages 1037-1063; 2009. [5] D. Murphy, M. Kerger, H. Crowe, J. Peters, A. Costello: „Operative Details and Oncological and Functional Outcome of Robotic-Assisted Laparoscopic Radical Prostatectomy: 400 Cases with a Minimum of 12 Months Follow-up”; European Urology, Volume 55, Issue 6, Pages 1358-1367; 2009. [6] N. Shah, S. Kaul, M. Menon: „Surgical Robotics in Urology: Robotic Assisted Radical Prostatectomy”; Operative Techniques in General Surgery, Volume 7, Issue 4, Pages 201-208; 2005. [7] Tewari A, Peabody J, Sarle R, Balakrishnan G, Hemal A, Shrivastava A, Menon M: „Technique of da Vinci robot-assisted anatomic radical prostatectomy”. Urology. Volume 60, Issue 4, Pages 569-572; 2002. [8] V. Patel, A. Tully, R. Holmes, J. Lindsay: “Robotic radical prostatectomy in the community setting- the learning curve and beyond : Initial 200 cases”. Journal of Urology; Volume 174, Issue 1, Pages 269-272, 2005. [9] H. Lepor: „Open versus robotic radical prostatectomy”; Urologic Oncology: Seminars and Original Investigations, Volume 24, Issue 2, Pages 91-93; 2006. [10] Intuitive Surgical Inc.; www.intuitivesurgical.com; 2009.04.28. [11] Da Vinci Surgery; http://www.davinciprostatectomy.com/davinci_prostatectomy/ /procedure_multimedia/index.aspx; 2009.04.28. [12] Prokar Dasgupta, Roger S. Kirby: “The current status of robot-assisted radical prostatectomy”; Asian Journal of Andrology; Issue 11, Pages 90–93, 2009. [13] Bill Alpert: “Robot Dreams - Prostate cancer put our man up close and personal with a surgical robot made by Intuitive. But does a terrific technology justify the stock's valuation?”; Barron's Cover; July 28, 2008. [14] Zorn KC, Gofrit ON, Orvieto MA, Mikhail AA, Galocy RM, Shalhav AL, Zagaja GP: “Da Vinci Robot Error and Failure Rates: Single Institution Experience on a Single Three-Arm Robot Unit of More than 700 Consecutive Robot-Assisted Laparoscopic Radical Prostatectomies ”; Journal of Endurology; Volume 21, Issue 11, 2007. [15] Gary Guthart (President, Intuitive Surgical): “Medical Robotics: Where we have been, where we are, and what are some of the key challenges for the future?”; CISST ERC Graduation Event, Jan. 2009.
47
Sebészrobotok extrém környezetben Csanádi Tamás — Szilágyi Nikolett Email:
[email protected]
Összefoglaló A robotok egyre inkább részesei mindennapi életünknek. Ami nemrég science-fiction volt, ma már valóság. Rengeteg területen használunk robotokat, például a gyártástechnológiában vagy az egészségügyben. Eleinte főleg laboratóriumokban alkalmazták őket, de használatuk gyorsan terjed a mindennapi orvoslásban. A kutatási irányok közül a sebészrobotok fejlesztésében tapasztalható a legnagyobb előrelépés. Nagy beruházási költségük miatt elterjedésük lassú. Egyik legnagyobb előnyük, hogy orvos és beteg között a beépített távvezérlő segítségével több száz, akár több ezer kilométer is lehet. Előfordul, a technológiai feltételek adottak, de egy-egy ritka betegséget kezelni, műteni tudó orvos-specialista nem tud a helyszínre utazni. Ezek a nagyszerű robotok segíthetnek a probléma leküzdésében. Az egyre hosszabb idejű űrutazások során körülményes és drága a beteget nem a helyszínen ellátni, sebészrobot segítségével azonban megoldható az orvos biztosítása. Mivel a robotokkal a műtéteket a bőrfelszín teljes megnyitása nélkül lehet végezni, a beavatkozás kisebb fájdalommal jár, a gyógyulási idő rövidebb. A robot rendkívül nagy pontosságot igénylő műtétek esetében egy precíz, megbízható munkatárs, aki képes a kézremegést is kiküszöbölni.
Sugárveszély, háború vagy katasztrófa sújtotta övezetekben, amikor hirtelen sok beteget kell a helyszínen ellátni, és az orvos többnyire kevés, a műtétet végezheti egy távolabbi helyen lévő szakorvos is. Ilyen és ehhez hasonló extrém helyzetekben a körülmények különböznek a megszokottól, de az ember nem ismer lehetetlent. A robotokkal végzett beavatkozások esetében még mindig gond a beteg és orvos közötti távolság. Nehezen megoldható a vezetékes adatátvitel, a helyette alkalmazott vezeték nélküli módszerek jelenleg nem kellően stabilak, könnyen megszakadhat a kapcsolat az orvos és a műtétet végző robot között. Ez a probléma redundáns rendszer alkalmazásával kiküszöbölhető. A távolságból következően késedelem jelentkezik az adatátvitelben – megengedhető időkésés kb. 700msmelynek túllépése az orvos és a robot közötti kommunikációban már jelentős veszélyt rejthet. A sávszélesség növelésével ez a kockázat részben csökkenthető. A következő években a sebészrobotok fejlesztése várhatóan még nagyobb lendületet vesz, hisz az ipar nagymértékű robotizálása mellett egyre jelentősebb számban jelennek meg az orvostudományban is használható robotok.
Referenciák [1] http://www.nasa.gov/mission_pages/NEEMO/index.html [2] http://www.darpa.mil/dso/thrusts/bio/tactbio_med/traumapod/index.htm [3] Ervant V. Nishanian, Berend Matts „Anaesthesia for Robotic Surgery”
48
A robotsebészet megtérülési rátája Lenyu Petra — Mayer Viktor E-mail:
[email protected] Összefoglaló A da Vinci sebészrobot használatát 2000-ben hagyta jóvá az amerikai gyógyszerfelügyelet, a Food and Drug Administration (FDA). A rendszer bevált, és a robotsebészet napjainkra a digitális sebészet élvonalában multi-millió dolláros üzletté nőtte ki magát (1.ábra). Szeretnénk képet adni arról, hogy egy ilyen orvosi rendszernek milyen gazdasági háttere van. Az egészségügy szereplői három csoportra oszthatók. A beteg, az egészségügyi intézmény és a tulajdonos, valamint finanszírozó tartoznak egy-egy körbe. A fennálló érdekviszonyokat írjuk le költség– haszon elemzés alapján. A költség– haszon elemzés leggyakrabban használt módszere az úgynevezett belső megtérülési ráta elemzése. A belső megtérülési ráta az a diszkontráta, amely a költség- és a hozamáramlást egyenlővé teszi. A költség–haszon elemzés alkalmazásának az a feltétele, hogy mind a költségek, mind pedig a haszon pénzben mérhető legyen. Látni kell, hogy az egészségnek, mint nem tárgyi jószágnak, haszonélvezője az egyén, valamint a társadalom is. Ebből ered, hogy az egészséget kváziközjószágnak tekintjük. Az egyéni megtérülés számításához figyelembe kellene venni a nem pénzbeli előnyöket, a társadalmi megtérülés számításakor, pedig az externális hozamokat. A fogalmi és mérési nehézségek miatt azonban általában csak a pénzbeli hasznokat vesszük számításba [1]. A teljes elemzést a tulajdonos szemszögéből kezdjük bemutatni. A tulajdonosnak már a beruházáskor látni kell, hogy a robotsebészeti beavatkozások kapcsán felmerülő költségek elszámolása a jövőben hogyan fog alakulni. A tőke tulajdonos részéről ugyanis természetes a kockázatkerülő magatartás. Az egészség kváziközjószág jellegéből adódóan elvárható, hogy az állam minden olyan beavatkozást támogasson, mely megfelelő ár-érték arány mellett az egyének gyógyulását
elősegíti. Fontos kérdés az is, hogy a beavatkozás bekerül-e az egészségbiztosító által finanszírozottak körébe. A da Vinci rendszer alkalmazása során felmerülő költségek a következők: az eszköz beszerzése 1,3–1,7 millió euróba kerül, az éves szervizköltség 100-130 ezer euró. Egy-egy beavatkozás során a felhasznált eszközök 1500-2300 dollárba kerülnek. A robotsebészet számos előnye közvetve, vagy közvetlenül, költségcsökkenés formájában, anyagi hasznot jelent. A páciens számára előnyös, hogy gyorsabb a felépülés, kevesebb fájdalom éri, kisebb a műtét utáni heg, csökken a műhibák bekövetkezésének valószínűsége. A kórházak, valamint a finanszírozó számára előny, hogy rövidebb a kórházban eltöltött idő beavatkozásonként, kisebb létszámú műtéti csapat elegendő, olcsóbb a posztoperatív ellátás (megtakarítás az intenzív gondozás, a nővéri erőforrások tekintetében) [2]. Mivel a da Vinci rendszer alkalmazása jelenleg az Egyesült Államokban a legelterjedtebb, az elérhető adatok, statisztikák is főként onnan származnak. Bemutatunk néhány esettanulmányt, melyek jól illusztrálják milyen mértékben képes egy ilyen jellegű beruházás költségcsökkenést eredményezni. Napjainkban, az USA-ban egy új kórház építésének ára ágyanként 1 - 2 millió dollár között van. Átlagosan 1.3 millió dollárral lehet számolni. A működési költség 750 dollár naponta, páciensenként. 90%-os kihasználtságot feltételezve, éves szinten 250.000 laparoszkópiás, valamint 350.000 nyílt sebészeti beavatkozást figyelembe véve, 8.2 milliárd dollárt lehetne a kórházfejlesztésben, valamint 1.5 milliárd dollárt a működési költségek tekintetében megspórolni [3]. Sebészek az East Carolina University-n kilenc személyen végeztek mitrális billentyű operációt. A beszámoló szerint az átlagos kórházban töltött idő 4.5 nap 49
volt, jelentősebb komplikáció nem lépett fel. A konvencionális mitrális billentyű helyreállítás kb. 9 napos kórházi kezelést igényel. Ezzel a kórház 33%-os költségcsökkenést ért el [4]. A lenti táblázat három különböző kapacitású kórház esetén mutatja be a da Vinci rendszer belső megtérülési rátáját. [5]
Ágyak száma
Műtők száma
100 453 903
4 11 28
Belső megtérülési ráta 22% 23% 38%
Megtérülés ideje 4 év 4 év 3 év
Referenciák [1] Varga J: Oktatás-gazdaságtan. Közgazdasági Szemle AlapítványBudapest 1998 [2] Gerhardus, D: Robot – assisted surgery: The future is here [3] INTUITIVE Surgical: Annual Report, 2008 [4] USA Today Health 2000 [5] http://www.intuitivesurgical.com/hospitalresources/successstories/index.aspx,:
1. ábra:
2. ábra:
A da Vinci-vel végrehajtott beavatkozások éves száma világszerte [Intuitive Surgical Inc.].
A da Vinci rendszer elterjedtsége Európában 2009 első negyedévéig [Intuitive Surgical Inc.].
50
Robotsebészet társadalmi elfogadottsága Vőlcsey János —Molnár Dávid Email:
[email protected] Összefoglaló A robotsebészet elterjedését és mindennapossá válását nemcsak a technikai fejlődés vagy az egészségügyre fordított kiadások befolyásolják hanem az is, hogy a társadalom tagjai mennyire bíznak meg a módszer sikerében, illetve mennyire ismerik magát az eljárást. Ahhoz hogy egyáltalán eljussunk az előző mondatban említettekig további problémákat kell megvizsgálni: a technológia vélt és valós veszélyei, az-orvostársadalomban való elfogadottságát. Eddigi tapasztalatok: A robotsebészet még csak gyerekcipőben jár, de mindezek ellenére komoly tapasztalat áll mögötte. Elég csak azokat az orvosi szakágakat említeni ahova már betette a lábát: minimál invazív sebészet, gyerekgyógyászat, urológia, nőgyógyászat, szív- és mellkas-sebészet, fül-orrgégészet, ortopédiai műtétek, ideggyógyászati sebészet, valamint röntgensebészet és a jövőben akár a gyógyászat minden területén elterjedhet. Robotsebészeti eszközöket napjainkban közel 1000 korház használja és több tízezer sikeres műtéten vannak túl, melyek közt szerepel az első emberi beavatkozás nélküli automata operáció. Félelmek és problémák: Ezek két fő csoportra bonthatók: az első a robotizált rendszer használata, a másik pedig az általános sebészeti komplikációk. A sebészeti problémák egyike lehet a nem kívánt szervsérülés, míg az első csoportba az elektromos és mechanikus eszköz hibáját sorolhatjuk, Azonban új hiba források is megjelentek, az új technológiával a sebészet területén „telesurgery” esetében a hálózat által bekövetkező hibák (akadozó adatátvitel). Sokan félnek az új technológiától, azonban félelmek egyenlőre nem igazolódtak be az eddigi tapasztalatok azt mutatják, hogy nem történt több
komplikáció , mint laparoszkopiás vagy nyitott műtétek során. Robot vagy ember: A szó szoros értelmében még nem beszélhetünk robotsebészetről, hiszen egy gépezet nem tud emberként gondolkodni, csak számok alapján képes dönteni, ezért inkább csak ember által irányított robotkarok sebészetéről beszélhetünk, irányított sebészet: remote surgery. Gazdasági kérdések: A robotsebészeti eszközök megvételén túl további fejlesztésekre és beruházásokra van szükség, pl.: oktatások (orvosok és asszisztensek), kiszolgáló rendszerek telepítése, valamint komoly összeget jelent a berendezések karbantartása is. Tendenciák, trendek: Ha az orvostársadalom és a társadalom további érdekeltjei is teljes mértékben elfogadják a robotsebészetet, akkor egy két évtizeden belül már csak a feltalálók gyorsasága illetve az orvosok tanulási sebessége tud majd határt szabni a robotok elterjedésének az egészségügyben és így a sebészetben is. Addig is a robotok egyre nagyobb szerepet fognak betölteni mind az életünkben mind a gyógyászatban. Orvostársadalmi elfogadottság: Társadalmi elfogadottságról addig nehezen beszélhetünk, amíg maga az orvos-társadalom nem fogadta el teljesen az innovációt. Korábbi tapasztalatok alapján sok (kb. 6) évbe telt hogy a ma már hétköznapinak tekinthető, úgymond elsődleges műtétéi módszer - az endoszkópos epehólyageltávolítás - a sebészek között elfogadott legyen. Az ilyen jellegű eredmények eléréséhez szükség van sok, új technikák irányt nyitott „pioneer” sebészre, valamint megszámlálhatatlan elméleti tovább-képzésre és gyakorlati oktatásra. Mi kell a társadalmi elfogadáshoz? Az első a robotok minden napossá válása 51
(háztartásban való segítség, biztonsági robotok stb) , hogy az emberek el tudják fogadni azt a tényt, hogy egy személytelen, érzelmektől mentes gépezet legyen a környezetükben, szolgálja ki őket. Ami a legfontosabb: bízzanak egy berendezésben, ha ez teljesül, akkor a gyógyítás teljes területén is egyre nagyobb teret fog hódítani ez a technológia, úgy mint ápoló robotok, mozgáskorlátozottakat segítő robotok. Ide sorolhatók még a robotok általi távfelügyelet stb. A sebészeti robotok egyre nagyobb szerepet játszanak a műtétek során precizitásuk miatt. Annak
1. ábra:
ellenére hogy a technológia előnyei nyilvánvalóak, leginkább a pszichológiai okok szabnak gátat az elterjedésének, így hosszú lesz az út. Viszont a gazdaság és a társadalom együttes nyomásának hatására, hogy használjuk ezeket az új eszközöket, óriási fejlődés érhető el az elkövetkező években. Kell még egy nem elhanyagolható lépés, melyre szükség van a gyorsabb elfogadtatás érdekében: a társadalmi igényeknek megfelelő tájékoztatás, a megfelelő csatornákon keresztül (pl.: hivatalos szórólapok, plakátok a korházakban, ingyenes információs telefonvonal valamint internetes honlappal).
Robotsebészet otthon [Joshua Davis].
52
