Robotok diadalmenetben A sebészrobotika első 20 éve

Robotok diadalmenetben A sebészrobotika első 20 éve Haidegger Tamás Orvosi Informatika Laboratórium, BME – IIT

ROTARY CLUB BUDAPEST-BUDAVÁR 2011.05.25.

Budapest szálló

Orvosi motiváció

2

• Rossz műtéti terv végrehajtása • Nem végrehajtani a szükséges beavatkozást • Rosszul végrehajtani a megfelelő beavatkozást “A jövő sebészete nem a vérről és a zsigerekről szól, hanem a bitekről és a bájtokról.” /Richard Satava/

ROTARY CLUB BUDAPEST–BUDAVÁR

2011.05.25.

Kép: Edaya

Minél több lézió gyógyítása A műtét közbeni hibák csökkentése

Mérnöki motiváció

3

Műszaki technikák minél szélesebb körű alkalmazása • Innováció, új területek meghódítása • Az egészségügy hatékonyabbá tétele mérnöki módszerek alkalmazásával “Ha egy ötlet elsőre nem képtelenség, akkor reménytelen eset.” /Albert Einstein/


2011.05.25.

Új paradigma

4

Információ MIS/nyílt műtét Távsebészet

Pre-op tervezés

Szimuláció és bemelegítés

Intra-operatív navigáció

Szenzorfúzió Forrás: Joel Jensen, SRI International, Menlo Park, CA

Robot-asszisztencia

Leggyakoribb elnevezések • CIS: Computer-Integrated Surgery  Számítógéppel integrált sebészet

• IGS(T): Image-Guided Surgery (Therapy) • Kép által vezetett sebészet

• MIS: Minimally Invasive Surgery  Minimál invazív sebészet

• Surgical CAD/CAM  Számítógéppel támogatott tervezés és gyártás

• Surgical Total Quality Management  Teljes körű sebészeti minőségmenedzsment

• CIIM: Computer-Integrated Interventional Medicine  Számítógéppel integrált intervencionális medicína

• CAS: Computer-Assisted Surgery, Computer-Aided Surgery  Számítógéppel támogatott sebészet

6

Számítógéppel integrált sebészet [Taylor et al. 2008]

7

Sebészrobotok

8

• Közvetlen irányítású robotok • Fél-automata eszközök • Teleoperációs manipulátorok Fotó: Nanyang University

Fotó: University of Calgary Fotó: Integrated Surgical Systems Inc.


2011.05.25.

A kezdetek

A kezdetek

9

• 1985 első agyszöveti mintavétel – Memorial Medical Center – Long Beach, CA • 1988 PROBOT - prostatectomy – Imperial College – London, UK – Unimate PUMA 560 • 1989 NeuroMate (Neuromate Sarl Inc.) – Grenoble University Hospital – Stereotaxis egy átalakított AID robottal

• 1992 ROBODOC (Curexo Inc.) – Integrated Surgical Systems Inc. – Első ortopédiás robot (~IBM Scara) • 1993 RAMS (NASA) – Szemsebészethez – Komlett teleoperáció

Fotó: Integrated Surgical Systems Inc.

Ipari robotok nyomában

10

1985 első agyi biopszia – Unimate PUMA 220

Acrobot (Imperial College,UK) – Unimate PUMA 560 – teljes térdprotézis

Cyberknife (Accuray Inc.)

SIEMENS zeego – 3D rekonstrukció C-arm-mal

Credit: Accuray Inc, Imperial College, SIEMENS

– Robotizált rádiósurgery – KUKA karon LINAC forrás

A hadsereg motivációja DARPA projekt • DARPA (Defense Advanced Research Projects)


2011.05.25.

11

A da Vinci sebészeti rendszer Komplett teleoperációs sebészrobot • Sikertörténet – – – – – –

1992–95 Black Falcon, SRI Inc., IBM 1995 Intuitive Surgical Inc. 1996 “Lenny” 1997 “Mona” prototípus 1999 első 10 robot eladása 2000 FDA engedély

12

Komplett teleoperációs rendszer

master <---> slave ROTARY CLUB BUDAPEST–BUDAVÁR

2011.05.25.

13

Komplett teleoperációs rendszer 2009 da Vinci Si

14

A da Vinci sebészeti rendszer Intuitive Surgical Inc. • 1900 rendszer, 600 000 operáció, 120 beavatkozástípus

• $1.5 M bekerülési költség • $2K /eszköz (10 alkalom) • $100K éves szervízdíj

15

Pénzügyi eredmények

16

Intuitive Surgical Inc. • ISRG (Nasdaq) 2004: 15USD, 2010: 345USD

• Üzleti eredmények (2010) – – – – – –

Éves forgalom 1,413B USD Eladások növekedése (előző évhez képest) 34% Nettó árbevétel 382M USD Árbevétel növekedése (előző évhez képest) 64% Alkalmazottak száma 1729 Állomány növekedése 30%

Prostatectomia penetráció: 95%


2011.05.25.

AESOP és ZEUS AESOP & ZEUS

17

Computer Motion Inc. • 1994 AESOP-2000 • 2001 Zeus teleoperációs rnedszer • 2003 ellenséges felvásárlás (Intuitive) 148M USD

Fotó: Computer Motion Inc.

Fotó: Computer Motion Inc.

Teleoperáció – űrtávsebészet

18

Lindbergh transz-atlanti operáció • 2001.09.07. New York – Strasburg • egy órás epehólyageltávolítás (problémamentesen) NASA “zéro-G” kísérletek • DC-9 hyperbolic repülő • Szimulált műtét (2007) • Varrás az M7 robottal • Humán/ robot végrehajtás összehasonlítása

Zéro-G operációk • Első súlytalanságban végrehajtott beavatkozás (2003) • Első emberes beavatkozás (2006) o ESA Zero-G (átalakított Airbus A-300) o 20-25 s súlytalanság a parabolaívek menti repüléskor

Fotó: ESA, NASA

NASA NEEMO program • 14 misszió egy floridai vízalatti bázison • Robotsebészeti kísérletek • Távsebészet egy AESOP karral (2004) • Kísérletek egy Zeus-szal (2006) • Távsebészet a Raven és M7 robotokkal (2007)

További koncepciók További koncepciók • Carnagie-Melon: HeartLander

• Scuola Sup. St. Anna: kapszula-robot • DLR: MIROsurg rendszer • USGI Medical: SILS eszköz • neuroArm: MR kompatibilis • JHU prosztata robot

19

Költséghatékonyság

20

• Magas fejlesztési költségek (R&D) – Da Vinci esetében kb. $0,5Mrd

• Hosszú fejlesztési idő – Ötlettől termékig 8-10 év

• • • •

Univerzalitás vs. hozzáadott érték Alacsony eladási sázmok Szabályozási különbségek Orvosok hajlandósága


2011.05.25.

Biztonsági tényezők

21

Nincs rutin operáció!

A HW és SW struktúrák alapvető veszélyt jelentenek: – – – – – –

Robot mechanikája Beavatkozók Szterilitás Szoftverhiba Interferencia az eszközök között ...


2011.05.25.

Komplikációk

Komplikációk

• [Patel 2007]: 4.7% komplikáció (900 eset) • Probléma esetén gyors áttérés nyílt operációra – – – –

[Bodnera 2005]: 2% lapar., 3% konverzió (128 eset) [Olthof 2007]: 2.27% konverzió (400 eset) [Borden 2007]: 2.6% technikai gondok (350 RLRP) [Zorn 2007]: 0.4% lapar., 0.5% konverzió (850 RLRP)

• Tanulási görbe (“learning curve”) – 1 hetes tanfolyam majd továbbképzések – “Language of surgery” projekt


2011.05.25.

22

Költséghatékonyság Da Vinci meghibásodások • [Borden 2007]: Hardware hibák (24 órás szervíz) – – – – – – – –

csukló mechatronikai hiba kar mechatronikai hiba energiaellátó rendszer 2D kijelző elvesztése kamera hiba master eszköz törése slave eszköz törése software hibák

• 2002 Tampabay Hospital – veseeltávolítás közben 2 eret átvágtak

• [Koliakos 2008]: O.L.V. Clinic, Belgium – 520 esetből 5 software hiba – 1 törött EndoWrist

• 2010 Kollektív perek az USA-ban – 520


2011.05.25.

23

Hibakezelés CIS rendszereknél

26

Két alapvetően eltérő megközelítés A beavatkozás végrehajtásának pontosságát kell javítani

• ,,Human-in-the-loop” irányítás

– Emberi felügyelet mellett

Inc. ISSCUREXO Credit: Inc. Kép:

– A sebészre bízzuk a vezérlést – Fejben végzi el a regisztrációt

• Regisztráció (kép) alapú

MTA

ROTARY CLUB BUDAPEST–BUDAVÁR 2011.05.25. Műszaki Tudományok Osztálya tudományos ülés 2011.05.19.

Kép által vezetett sebészet

27

- $1,6 Mrd éves piac, számos alkalmazással, termékkel - Nagy multi-nacionális cégek is jelen vannak (GE, Philips, Siemens) • Intra-operatív navigáció kézi eszközök • Képvezérelt robotos beavatkozás

Fotó: Renishaw

Fotó: BrainLAB


2011.05.25.

Kooperatív sebészetbészet • “Hands-on” technika – A master és a slave eszköz fizikailag megegyezik – Erő-nyomaték irányítás alapján – Da Vinci legfőbb hátránya a haptikus visszacsatolás hiánya

Megvalósított rendszerek • Acrobot (Imperial College, London) – Térd műtétek [Jakopec 2003]

• PathFinder (Armstrong HealthCare, UK) – IGS [Finlay 2006]

• Steady Hand Robot (JHU, USA) – Sinus műtét [Li 2007] – Koponyaalapi sebészet

• MAKO robot (USA)

28

Agyalapi fúrást végző robot a JHU-n CISST ERC (JHU, Baltimore, MD) PI: Dr. Peter Kazanzides • NeuroMate 5DOF robot (Eredetileg biopsziára, FDA engedélyes) • StealthStation műtéti navigációs rendszer (Aktív LED-es, infrakamerás, FDA engedélyes) • 6DOF erő/nyomaték érzékelő (JR3) • Hagyományos csontfúró (Anspach eMax2) • 3D Slicer 3.0, open-source • Vizualizációs PC • Irányító PC

30

A kutatás háttere A kutatás háttere • Agyalapi sebészet (skull base surgery) “hands-on” technikával • Minimally Invasive módszer (szükség esetén endoszkópos)

• Az agyalap bonyolult és kritikus anatómiája teszi szükségessé • Hagyományos beavatkozás: – – – –

Órákig tartó kézi fúrás Kritikus képletek veszélyeztetettsége Emberi kézügyesség szabta határok Fáradtság, műhibák


2011.05.25.

31

Eltérő megoldások Eltérő megoldások Agyalapi fúrás robottal • Evolution I (Fraunhofer IPA / UKH, Germany) – IHD beültetés [Plinkert 2001]

• RONAF (Universitat Bayreuth, Germany) – IHD installáció [Stolka 2006]

• MARS (Mazor Surg. Tech., Israel) – Keyhole agysebészet [Shamir 2005]

• NIRS robot (NNI, Singapore) – Koponyaalapi aut. fúrás [Chan 2007]

Virtuális határok • RoboDoc (ISS, Robodoc Curexo) – Csípőprotézishez femur fúrás *Taylor 1993+


2011.05.25.

32

A JHU robotrendszer

33

Kiemelkedő előnyök

34

– “Hands-on” technika kooperatív erő/nyomaték irányítással – Stabilitás (robothoz rögzített fúró) – Vizualizáció (3D Slicer) – Virtuális határok (Virtual Fixture) alkalmazása (pre-op CT-n definiált)


2011.05.25.

Rendszerintegráció

35

Regisztráció, installáció

36

• Fúrófej kalibrálása – Pivot kalibráció

• CT felvétel elkészítése – VF definiálása

• CT és StealthStation regisztrálása – CT betöltése – Fiducial alapú

• Robot és StealthStation regisztráció – 6 kinematikai póz rögzítése, LS illesztés

• Beavatkozás előkészítése


2011.05.25.

A robot validálása

37

• Habszivacs tesztek Pontosság – 0.79 ± 0.82 mm Pozíconálási hiba – 0.6 ± 0.3 mm Dimenzionális hiba – 0.6 ± 0.8 mm


2011.05.25.

A robot validálása II validálása II A robot • Koponyán végzett tesztek – Acousticus neuroma szimuláció – Applikációs pontosság átlagos keresztmetszeti hiba: 1 mm – maximum túlvágás: 2,5–3 mm


2011.05.25.

38

Összefoglaló Sebészrobotika napjainkban CIS rendszerek terjedőben – Egyszerre szolgálják a beteg javát, és az orvosokét – Több száz porotípus készült már el – Csak a legkonzervatívabbak kerültek alkalmazásba – Számos területen van igény további kutatásra, mérnöki feljesztésekre – Kutatócsoportunk által célzott területek: • A kép által vezetett sebészeti rendszerek irányításának postosabbá tétele • Nem várt események automatikus kompenzálása

39

“Nem szabad elfelejteni, hogy végeredményben mi mindig csak mérnökök maradunk, és a technológia a beteg érdekeit kell, hogy szolgálja.” /Russel Taylor/

Surgical Robotics blog: http://surgrob.blogspot.com

Robotok diadalmenetben A sebészrobotika első 20 éve

Recommend Documents