Будущее медицинской робототехники на основе десяти лет исследований в области медицинской робототехники с 2010 по 2020 год

 

Будущее медицинской робототехники

Робототехника-перспективная дисциплина. Внимание сосредоточено на выявлении следующих грандиозных проблем. Однако в такой прикладной области, как медицинская робототехника, важно планировать будущее, основываясь на четком понимании того, чего недавно достигло исследовательское сообщество и где эта работа находится в отношении клинических потребностей и коммерциализации. В этой обзорной статье определены и проанализированы восемь ключевых тем исследований в области медицинской робототехники за последнее десятилетие. Эти тематические области были определены с использованием критериев поиска, которые определили наиболее цитируемые статьи десятилетия. Наша цель

для этой обзорной статьи-предоставить читателям доступный способ быстро оценить некоторые из самых захватывающих достижений в области медицинской робототехники за последнее десятилетие; по этой причине мы сосредоточились только на небольшом количестве основополагающих работ в каждой тематической области. Мы надеемся, что эта статья послужит развитию предпринимательского духа у исследователей, чтобы сократить расширяющийся разрыв между исследованиями и переводом.

Чуть более трех десятилетий назад первые робототехники начали изучать использование манипуляторов роботов для выполнения хирургических процедур. Два десятилетия назад первые коммерческие системы были установлены в больницах. За последнее десятилетие область медицинской робототехники набрала обороты, и в настоящее время тысячи роботизированных хирургических систем установлены в клиниках по всему миру, и были выполнены многие миллионы процедур. Поскольку принятие хирургических роботов нашими системами здравоохранения стало очевидным, исследователи робототехники все больше сосредотачивают свое внимание на том, как может выглядеть следующее поколение медицинских роботов. Их внимание не ограничивается хирургическими роботами, а также исследуются другие области медицины, в том числе роботы для выполнения физической реабилитации, роботы телеприсутствия для взаимодействия пациента с внешними медицинскими работниками, автоматизация аптек, роботы для дезинфекции клиник и многое другое.

Медицинские роботы были впервые разработаны, чтобы позволить хирургам работать удаленно и/или с повышенной точностью на своих пациентах, и история этой области хорошо документирована в литературе (1-3). Самые ранние усилия можно проследить до применения в нейрохирургии (4) и ортопедической хирургии (5). Первой по-настоящему дистанционной телехирургией была трансатлантическая холецистэктомия, выполненная 20 лет назад (6). Хотя ранний прогресс в этой области был несколько неустойчивым, как и следовало ожидать с внедрением любой радикально новой технологии, медицинская робототехника достигла уровня зрелости, который побудил отрасль здравоохранения сделать значительные инвестиции в деятельность по развитию.

Однако исследователи, как правило, смотрят дальше в будущее и выходят за рамки коммерческой деятельности по разработке. Рассматривая некоторые ключевые исследовательские мероприятия за последнее десятилетие, мы получаем представление о том, куда медицинская робототехника направится в ближайшие десятилетия. Эта статья посвящена последним 10 годам и дает ретроспективную оценку основных достижений в области медицинской робототехники. Мы используем инклюзивное определение того, что представляет собой медицинский робот, который предназначен для охвата всего материала, который был бы уместен для включения в крупный исследовательский журнал или конференцию по робототехнике. Это включает в себя моторизованные системы с одной и несколькими степенями свободы (DOF) с движениями, которые могут быть запрограммированы, предписаны джойстиком, автономны или некоторой комбинацией из трех. Мы определяем исследования медицинской робототехники как создание новых роботов и роботизированных технологий для медицинских вмешательств. За последнее десятилетие также было опубликовано большое количество статей в медицинских журналах, посвященных оценке существующих медицинских роботов. Поскольку эти роботы в значительной степени представляют технологии, разработанные в предыдущие десятилетия, они здесь не обсуждаются. Здесь наша цель состояла в том, чтобы определить основные темы исследований или “горячие темы” в медицинской робототехнике за десятилетие и обобщить основополагающие исследовательские работы, которые кратко освещают эти темы.

ГОРЯЧИЕ ТЕМЫ ДЕСЯТИЛЕТИЯ

Мы определили восемь горячих тем, выполнив поиск наиболее цитируемых работ по медицинской робототехнике, опубликованных в 2010-2020 годах (таблица 1 и рис. 1). Эти горячие темы могут быть связаны с конкретными клиническими приложениями (например, тема 1, роботизированная лапароскопия) или с технологиями, которые находят широкое применение в медицине (например, тема 7, мягкая робототехника).

РИС. 1. Пример клинических приложений для восьми горячих тем десятилетия. Начиная с 8 часов и по часовой стрелке: лапароскопические роботы-это история успеха медицинской робототехники с приложениями, включая радикальную простатэктомию, радикальную цистэктомию при раке мочевого пузыря, резекцию рака прямой кишки и гистерэктомию. Роботы Continuum-это роботизированные версии ручных медицинских инструментов, включая катетеры, бронхоскопы, маточные и колоноскопы. Нелапароскопические роботы были разработаны для различных применений, включая имплантацию электродов в мозг и микрохирургию внутри глаза. Мягкие роботы использовались, например, для создания мягких рукавов для содействия сокращению сердца и для реабилитации рук при выполнении повседневных жизненных задач. Вспомогательные носимые роботы используются для увеличения или замены движения рук и ног в случаях нарушения движения или ампутации. Капсульные роботы-это устройства размером с таблетку, которые проглатываются для эндоскопической диагностики и лечения желудочно-кишечного тракта. Терапевтические реабилитационные роботы помогают пациентам с неврологическими травмами выполнять повторяющиеся движения для повторного обучения таким задачам, как ходьба и хватание. Магнитное возбуждение позволяет беспроводной генерации сил и крутящих моментов внутри тела приводить в действие отвязанного робота или ориентировать кончик катетера.

Чтобы проиллюстрировать, как количество публикаций в области медицинской робототехники развивалось с течением времени, общее количество публикаций в инженерных и медицинских журналах представлено на рис. 2. Общее количество публикаций по всем, кроме одной из горячих тем, также представлено на фиг. 2 и 3 (общее количество публикаций по нелапароскопическим роботам для малоинвазивной хирургии не сообщается, поскольку не удалось определить удовлетворительные критерии поиска.). Обратите внимание, что вертикальные шкалы для фиг. 2 и 3 отличаются на порядок.

РИС. 2. Статьи по медицинской робототехнике, опубликованные в инженерных и медицинских журналах с 1990 по 2020 год. Кривые сообщают об общих числах вместе с подмножествами, соответствующими горячим темам лапароскопических роботов, терапевтических реабилитационных роботов и вспомогательных носимых роботов. Обратите внимание, что публикации 2020 года потенциально сократились из-за отключения коронавирусной болезни 2019 (COVID-19).

РИС. 3. Статьи по медицинской робототехнике, опубликованные в инженерных и медицинских журналах с 1990 по 2020 год.Кривые сообщают номера статей по горячим темам мягкой робототехники, магнитного возбуждения, капсул роботов и континуумных роботов. Обратите внимание, что публикации 2020 года потенциально сократились из-за отключения COVID-19 (данные Web of Science; см. Материалы и методы).

 

Из рис. 2видно, что количество публикаций по медицинской робототехнике в инженерных и медицинских журналах выросло в геометрической прогрессии с 6 в 1990 году до более чем 3500 в 2020 году. В медицинских журналах преобладают публикации о лапароскопических роботах (от 60 до 70% от общего числа), причем в 2020 году было опубликовано более 1300 публикаций благодаря успеху робота da Vinci Intuitive Surgical. В соответствии со зрелостью этой технологии инженерные работы по лапароскопии, напротив, достигают пика в 126 в 2019 году.

В инженерных работах преобладают терапевтическая реабилитация и вспомогательные носимые роботы. Эта пара горячих тем составляет около 80% статей, опубликованных в журнале medical robotics за последнее десятилетие. Хотя эти две темы вошли в десятилетие с равным количеством работ, терапевтическая реабилитация впоследствии заметно опередила вспомогательных носимых роботов. Однако интересно отметить, что количество медицинских работ по этим темам составляет менее 25% от числа инженерных работ. Вероятно, это связано с тем, что в медицинских журналах часто публикуются результаты клинических испытаний, которые намного дороже и отнимают много времени, чем инженерные исследования.

Технологии, представленные на рис. 3, менее зрелые, чем на рис. 2, и, следовательно, являются предметом меньшего количества статей в инженерных и медицинских журналах. Из них магнитное приведение в действие является наиболее зрелым, и можно наблюдать экспоненциальный рост как инженерных, так и медицинских работ, при этом медицинские работы отстают от инженерных работ. Дальнейший рост этой темы в некоторой степени зависит от того, могут ли быть разработаны клинически жизнеспособные приложения микророботов.

Сюжеты работ по мягкой робототехнике показывают, что эта тема находится на ранней стадии своего цикла развития. Однако следует отметить, что мы исключили большое количество фундаментальных статей о мягких приводах и датчиках, появляющихся в журналах материалов, которые предлагают медицинскую робототехнику в качестве потенциального приложения. Отображение этих широко применимых технологий в медицинских роботах в течение следующего десятилетия, вероятно, приведет к экспоненциальному росту, предложенному кривыми на рис. 3.

Технология Continuum robot необычна тем, что медицинские инструменты в стиле continuum с ручным приводом существовали задолго до 1990 года. В то время как в последние десятилетия были разработаны новые архитектуры роботов континуума, критический прогресс в роботизации этих устройств заключался не в механическом проектировании, а в математическом моделировании. Эта работа в значительной степени завершена, как описано в разделе "Горячая тема" ниже, и будущий рост инженерных работ, вероятно, будет описывать конструкции клинических роботов, включающие компоненты континуума. Медицинские статьи на эту тему появляются медленно, потому что коммерческие усилия, например, сердечные абляционные катетеры Hansen Medical, оказались безуспешными. Новые клинические системы, такие как ионный робот Intuitive Surgical и платформа Auris Healthcare Monarch (последняя основана на технологии роботизированных катетеров Hansen Medical) для выполнения дистальной биопсии легких, приведут к увеличению числа медицинских работ в ближайшее десятилетие.

Капсульные роботы являются наименее зрелыми и, возможно, наиболее специализированными из актуальных технологий. Их возможности, как сообщается в публикациях рис. 3, значительно улучшились за последнее десятилетие. Эта технология может быть в точке перегиба. Если возможности этих роботов будут доказаны достаточными для вытеснения современных клинических подходов, то интерес к этой теме ускорится, что позволит ее дальнейшему развитию. Есть некоторые доказательства того, что это относится к роботам с мягкими капсулами под магнитным приводом, подходу, который имеет потенциал для неинвазивной диагностики и терапии внутри пищеварительного тракта.

Следующие разделы описывают каждую горячую тему, дают краткое изложение наиболее важных достижений за десятилетие и включают информацию о текущих и будущих направлениях исследований. Как показано на фиг. 2 и 3По каждой теме было опубликовано много работ. С целью выделения целенаправленного списка чтения для читателей, которые хотят наиболее быстро разобраться в теме, в качестве ссылок приводятся только несколько высоко цитируемых статей. Аннотированная версия библиографии включена в качестве дополнительных материалов, которая организована по горячей теме и включает количество цитирований статьи другими работами (Web of Science) и патентами (Lens.org) в то время эта статья поступила в печать.

Роботизированная лапароскопия

Лапароскопическая робототехника, пожалуй, является наиболее зрелой и, безусловно, наиболее коммерчески успешной областью медицинской робототехники. За последнее десятилетие прогресс был достигнут на трех фронтах: клиническом, коммерческом и академическом. Быстро растущее большинство исследований в области лапароскопических роботов было клиническим. Многие исследования направлены на сравнение эффективности робота со стандартными (обычно ручными лапароскопическими) методами для различных хирургических процедур. Примеры включают исследования по радикальной простатэктомии, радикальной цистэктомии при раке мочевого пузыря, резекции рака прямой кишки и гистерэктомии.

Коммерчески десятилетие ознаменовалось продолжающимся эволюционным развитием робота da Vinci, сделанного Intuitive Surgical. Эта система теперь предлагает возможность установки эндоскопических и лапароскопических инструментов на любую руку (более ранние модели имели специализированную руку эндоскопа), полуавтоматическое позиционирование руки и тележки пациента, а также улучшения в соединении инструментов. За последнее десятилетие для da Vinci было выпущено не менее 50 различных инструментов. Кроме того, использование da Vinci быстро росло, и, согласно их ежегодному отчету, в 2019 году было завершено более 1,2 миллиона процедур. В то же время первоначальные патенты, которые дали Intuitive Surgical монопольное положение в роботизированной лапароскопической хирургии, начали истекать в течение последнего десятилетия, в результате чего несколько крупных компаний по производству медицинского оборудования начали инициативы по разработке собственных роботов, которые в настоящее время внедряются.

Академические исследования развивались на двух фронтах в течение десятилетия. Первый использовал лапароскопических роботов в качестве платформы для разработки расширенных возможностей. Основные подтемы на этом фронте включают внедрение роботов с открытой платформой для исследовательского использования, первоначальные усилия по разработке хирургической автоматизации и продолжающуюся работу по интеграции силового зондирования в лапароскопические инструменты. Второе направление исследований в лапароскопической хирургии рассматривает новые архитектуры роботов, которые могут снизить процедурную инвазивность. Однопортовые системы получили наибольшее внимание, в том числе недавно представленная коммерческая система от Intuitive, da Vinci SP. Также были проведены некоторые исследования роботов, которые вставляются в тело, а затем отсоединяются механически, приводимые в действие привязями или внешними полями. Каждая из этих тем описана ниже.

Лапароскопические роботы с открытой платформой

Новые возможности роботов обычно не могут быть разработаны и протестированы изолированно. Чтобы результаты были воспроизводимыми и сопоставимыми, важно, чтобы такие исследования проводились на высокопроизводительных тестовых платформах, которые хорошо характеризуются. Разработка собственной лапароскопической роботизированной системы-это огромное и дублирующее предприятие для отдельной исследовательской группы. Признавая эту необходимость, две группы представили платформы роботов с открытым исходным кодом для исследовательского сообщества. Первой была Raven II, неклиническая исследовательская платформа роботизированной хирургии, которая компактно поддерживает от двух до четырех лапароскопических инструментов (включая da Vinci Si instruments) в объеме работы, типичном для абдоминальной лапароскопической хирургии (7). Intuitive Surgical сотрудничала с несколькими академическими исследователями, чтобы затем представить исследовательскую платформу, состоящую из отремонтированных механизмов пациента и хирурга da Vinci Si, стереоскопического дисплея с пользовательской электроникой и пакета управления—da Vinci Research Kit или dVRK (8). Ни одна из систем не сертифицирована для использования человеком, но обе выполнили процедуры для животных с одобрением Комитета по уходу за животными и использованию.

Хирургическая автоматизация

Лапароскопические роботизированные системы используются для выполнения широкого спектра стандартных хирургических задач. Они также по своей сути обеспечивают полное приведение в действие движения инструмента, а также высококачественное видео и богатые наборы данных, описывающие движение инструмента. Поскольку коммерческие предложения, такие как da Vinci, достигли превосходного уровня прозрачности пользовательского интерфейса, фокус исследований переключился на случаи использования, которые могут потребовать дополнения телеоперативной роботизированной хирургии автоматизированной помощью. Потенциальные преимущества безопасной и эффективной автоматизации подзадач операции включают повышенную точность, слияние невизуальной или тактильной сенсорной информации, соблюдение точных предоперационных планов и улучшение повторяющихся стрессовых травм и других эргономических опасностей для хирургов. Барьеры на пути безопасной и эффективной автоматизации отдельных хирургических задач ярко выражены и включают точную трехмерную (3D) реконструкцию (изменение) операционного поля, повторяемый и точный контроль удлиненных и гибких эндоскопических механизмов, точную ситуационную осведомленность агента об общем состоянии операции, устойчивость планов задач к сенсорным воздействиям.ошибки, необычные свойства тканей и чрезвычайные события. Работа по этой теме простирается от разработки методов компьютерного зрения 2D и 3D для обнаружения и локализации роботизированных инструментов (9) до обучения на основе наблюдения за хирургическими подзадачами (10). Он также включает полуавтоматическое наложение швов in vivo (11), хотя технологии в этих исследованиях требовали упрощенной визуальной среды. Развитие автономии остается очень активным исследовательским фронтом.

Навигация, интраоперационная визуализация и визуализация

Хотя хирургическая автоматизация часто рассматривается как новинка, некоторые из самых ранних медицинских роботов, например, для фрезерования полостей в кости при замене суставов, предлагали уровень автоматизации, сравнимый со станками (5). Предоперационная компьютерная томография или магнитно-резонансные изображения использовались для формирования оперативных планов, которые выполнялись под компьютерным контролем, в то время как клиницист обеспечивал общее наблюдение. По мере того как поле стало фокусироваться на хирургии мягких тканей, запрограммированные движения уступили место управляемому клиницистом телеоперативному контролю. Несмотря на изменение парадигмы управления, включение наведения изображений с использованием интраоперационных или предоперационных данных становится все более важным для всех видов роботизированной хирургии, а не только для лапароскопии. Эти методы позволяют оценить перфузию тканей и визуализировать анатомические детали под поверхностью ткани, сводя к минимуму риск повреждения основных жизненно важных структур, таких как нервы и кровеносные сосуды. Например, Intuitive Surgical интегрировала ближнюю инфракрасную визуализацию с индоцианиновым зеленым (ICG), что позволяет оценивать микроциркуляцию в реальном времени in vivo. ICG-это трикарбоцианиновое соединение, которое растворимо в воде и может вводиться внутривенно. Эта технология “светлячок” поглощает ближний инфракрасный свет и при введении остается внутрисосудистой и может быть использована для оценки перфузии крови, позволяя, например, обнаружить снижение перфузии крови при кишечном анастомозе, что может привести к расхождению анастомоза (12).

Контактное силовое зондирование и управление

Как ручные, так и лапароскопические инструменты удаляют руку хирурга из манипулируемых тканей и, таким образом, искажают или полностью подавляют силу и тактильные ощущения. Чтобы сохранить безопасное обращение с тканями в таких задачах, как ретракция, силы взаимодействия должны ощущаться и контролироваться. Кроме того, тактильное зондирование позволит воссоздать пальпацию тканей манипулятора во время роботизированной хирургии. Технические барьеры для такого зондирования включают небольшой (от 5 до 10 мм в диаметре) размер лапароскопических инструментов, тепло-и коррозионную активность мер стерилизации в многоразовых инструментах и стоимость одноразовых инструментов, а также механику, налагаемую между точкой зондирования и точкой или областью контакта инструмент-ткань. Прогресс в устранении этого ограничения был достигнут за счет использования умных механических конструкций для разделения тянущих и захватных сил (13) и внедрения новых сенсорных технологий, таких как емкостные совместимые полимерные тензодатчики (14).

Однопортовые лапароскопические роботы

Поскольку лапароскопические хирургические подходы снижают инвазивность по сравнению со стандартными открытыми процедурами, типичная ручная или роботизированная процедура требует трех или четырех разрезов для отдельных инструментов и эндоскопа визуализации. Объединение нескольких инструментов управления, приводов и эндоскопической визуализации в один порт доступа требует повышенной механической сложности и плотности. Известные инновационные прототипы с одним портом включают (15, 16).

Отдельные хирургические роботы

Классическая лапароскопическая парадигма включает удлиненные инструменты, каждый из которых вставляется в точку поворота брюшной стенки через порт/троакар. Эта геометрия принципиально ограничивает движение, с помощью которого хирург может приблизиться к хирургической задаче. Исследования, направленные на преодоление этого ограничения, сталкиваются с проблемами реализации всех механизмов приведения в действие и зондирования внутри самого тела, обеспечения соответствующей мощности и связи, а также обеспечения безопасного развертывания и извлечения независимо развернутого робота с места операции. Прототипы, демонстрирующие удаление ограничения троакара-шарнира, включают эндоскопы и роботизированные инструменты, вставленные через порт и затем прикрепленные к брюшной стенке с использованием либо магнитных сил (17), либо прокола размером с иглу, который также используется для передачи энергии (18).

Роботы, поддерживающие лапароскопическую хирургию, являются наиболее передовыми с точки зрения применения в медицине, где лечится более 5 миллионов человек, что говорит о стремительном движении в следующем десятилетии. Этот объем позволяет внедрять медицинские инновации и распространять новые инструменты, которые, как ожидается, продолжатся. Новые датчики и улучшенные данные и алгоритмы оценки и моделирования позволят точно контролировать силу. Постепенное внедрение автоматизации для поддержки лапароскопических и других роботизированных хирургов позволит беспрепятственно интегрировать новые режимы визуализации и лечения, повышая роль хирурга в качестве руководителя и монитора передовых хирургических инструментов. Наиболее важными достижениями в лапароскопической робототехнике будут те, которые принесут наибольшую непосредственную пользу пациентам, включая лучшее лечение краев опухоли с меньшей необходимостью резекции здоровой ткани, обнаружение и сокращение редких хирургических ошибок, а также снижение травматизма и риска инфекции в результате хирургических процедур.

Роботы, специфичные для нелапароскопических процедур

Вдохновленный успехом робота da Vinci для лапароскопических процедур, в последнее десятилетие хирурги и инженеры также изучали новые роботизированные решения для нелапароскопических процедур. Ключевые области внимания включали эндолюминальные и естественные вмешательства с отверстиями и роботов для микрохирургии.

Эндолюминальная и естественная хирургия отверстий

Из зарождающихся применений хирургических роботов, исследованных в последнее десятилетие, мы отмечаем работы по эндолюминальным и эндоскопическим роботам, направленные на дальнейшее снижение заболеваемости за счет устранения необходимости разрезов кожи для доступа к внутренней анатомии и предложения решений, позволяющих обеспечить более глубокий доступ по извилистым анатомическим проходам. Shang et al. (19) представили высоко артикулированную эндоскопическую платформу для эндолюминальной хирургии и продемонстрировали перитонеальную полость и трансвагинальный доступ. Burgner et al. (20) исследовал потенциальное использование концентрических трубчатых роботов для трансназальной хирургии гипофиза. Rivera-Serrano et al. (21) представили использование высокочлененного роботизированного зонда для трансорального доступа и доставки ручных инструментов.

Недавно также были запущены новые коммерческие системы, ориентированные на управляемые катетеры для минимально инвазивной биопсии с естественным отверстием. Пожалуй, наиболее заметными из этих систем являются Ion system от Intuitive Surgical и Monarch system от Auris Healthcare. Системы Ion и Monarch используют ловкую артикуляцию катетера, чтобы обеспечить периферическую биопсию легких, которую в противном случае было бы очень трудно достичь безопасно. Эти системы используют ранее разработанные технологии моделирования и проектирования сухожильных континуальных роботов.

Микрохирургия

Микрохирургия сетчатки ставит уникальные задачи, которые превосходят возможности существующих ручных хирургических систем. Исследователи использовали три подхода к решению этих проблем: (i) ручные роботы с фильтрацией тремора, (ii) ручные (кооперативные) роботы и (iii) телеманипулированные роботы с удаленным центром движения. Ручные роботы с активным подавлением тремора были усовершенствованы для хирургии сетчатки, как в (22). При этом подходе ощущается тремор, вызванный хирургом в ручном инструменте, и робот на кончике инструмента движется, чтобы противостоять ему, так что большая часть тремора отменяется.

Кооперативные роботы обеспечивают альтернативный подход к подавлению тремора, а также предлагают дополнительные возможности. Эти роботы удерживают хирургический инструмент вместе с хирургом и работают под контролем допуска, производя движения, основанные на силах, приложенных хирургом к инструменту. Движения робота могут быть более точными, чем то, что клиницист может выполнить от руки, а также без тремора. Кроме того, законы вспомогательного управления, основанные на активных ограничениях/виртуальных приспособлениях, могут быть реализованы, чтобы помочь хирургу следовать желаемому пути, избежать опасных экскурсий инструмента и обеспечить физиологическое облегчение от необходимости держать хирургический инструмент в течение длительных периодов времени. Этот подход был применен к витреоретинальной микрохирургии (23). Он также коммерциализируется для стабилизации инструмента в верхних дыхательных путях, где длина драйверов игл и захватов из-за трансорального доступа затрудняет точную манипуляцию (Galen Robotics Inc.). Система также была протестирована для применений, связанных с использованием виртуальных барьерных приспособлений с изображением для безопасного удаления заусенцев с костей во время мастоидэктомии, где риск повреждения лицевого нерва смягчается роботизированной системой с изображением.

A third approach to robotic microsurgery is to use teleoperation. In this approach, the clinician does not need to hold the tool at all but rather controls the robotic tool through an input device. This technology provides all of the advantages of cooperative robots with the addition of motion scaling and the potential for reduced inertial and frictional effects. Such a system for intraocular surgery has undergone first-in-human testing (24).

Что ждет нас в будущем

Есть несколько интересных разработок, которые позволят создать новую волну инноваций в роботизированных платформах, специфичных для процедур. В последнее десятилетие мы видели некоторые работы в области управления электродной решеткой и вставки кохлеарных имплантатов. Эти примеры указывают на потенциал использования мягкой робототехники и, возможно, магнитного возбуждения для создания новых платформ для глубокой навигации. Мы также видели захватывающую работу, сочетающую манипуляцию и диагностическое зондирование. Мы считаем, что все еще существует потребность в решениях, позволяющих использовать зондирование in vivo для улучшения работы хирургов. Системы, которые могут использовать интраоперационное зондирование с адаптивным вспомогательным поведением (виртуальные приспособления или общий контроль), также позволят хирургам достичь быстрой клинической развертываемости и улучшения восприятия и производительности.

Вспомогательная носимая робототехника

Вспомогательная носимая робототехника фокусируется на разработке и управлении носимыми роботизированными устройствами, предназначенными для улучшения мобильности или функциональности людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата или нервно-мышечного аппарата. Области вклада в этой области включают разработку роботизированных конечностей (также называемых силовыми протезами) для людей с ампутацией верхних и нижних конечностей и разработку экзоскелетов (также называемых силовыми ортезами) для людей с нервно-мышечными нарушениями, такими как травмы спинного мозга, инсульт, рассеянный склероз или церебральный паралич. Хотя эта область имеет исторические корни, восходящие, по крайней мере, к началу 1960-х годов (см., Например, Труды Международного симпозиума по внешнему контролю конечностей человека, 1963), десятилетие между 2010 и 2020 годами ознаменовалось ее полным появлением.

Хотя перечисление исследований в этой области выходит за рамки этого краткого резюме, три основные категории исследований включают (i) протезы нижних конечностей с питанием, (ii) протезы верхних конечностей с нейроуправлением и (iii) экзоскелеты нижних конечностей (LLES). В области протезирования нижних конечностей современное состояние до (около) 2010 года было энергетически пассивными устройствами. В последнее десятилетие было введено питание в протезы коленных и голеностопных суставов. Поскольку устройства с питанием имеют волю, требуются новые методы управления, обеспечивающие координацию между человеком и устройством. Подходы к этому включают кусочно-пассивное управление импедансом, например, описанное в (25), которое обеспечивает гарантии локально пассивного поведения, и управление фазовой переменной, например, описанное в (26), которая вытесняет конечностные структуры с единой политикой управления. Кроме того, поскольку устройства с питанием существенно увеличили диапазон специфического для деятельности поведения таких устройств, методы распознавания активности необходимы для определения текущего состояния активности и намерения изменить состояние активности. Были созданы структуры распознавания образов, состоящие из методов сокращения данных и классификации, в которых данная двигательная активность выводится в режиме реального времени на основе паттернов движения, таких как методы, описанные в (27).

В отличие от устройств нижних конечностей, состояние техники до 2010 года в протезировании верхних конечностей было приведено в действие (т. Е. миоэлектрические протезы). Однако эти устройства обычно использовали руки с одним DOF и последовательное миоэлектрическое управление. В последнее десятилетие появилось несколько мультиграсп-рук и разработка соответствующих мультиграсп-и/или мульти-ДОФ-методов управления руками и руками. Такие методы управления включают подходы распознавания образов на основе электромиографии (ЭМГ), в которых многоканальная ЭМГ используется в качестве входных данных для классификатора шаблонов, который, в свою очередь, выбирает соответствующую желаемую позу захвата или движение руки и впоследствии выполняет соответствующее скоординированное движение руки и/или руки (28). В течение десятилетия также использовались имплантированные электроды для эфферентного моторного управления протезом руки с мультиграспом (29) и для обеспечения значимой нейронной сенсорной обратной связи, соответствующей протезу руки, такой как впечатляющая работа, о которой сообщают (30) и (31).

Научные исследования и разработки в области LLEs за десятилетие заметно выросли, особенно исследования, связанные с разработкой передовой практики проектирования и управления такими системами, которая варьируется в зависимости от нарушения и цели. Усилия, описывающие экзоскелетные конструкции, появились в начале десятилетия, включая методы намерения и контроля движения. Метод намерения пользователя, получивший широкую популярность, - это использование положения тела, измеряемого с помощью инерциальных единиц измерения (IMUS), для вывода о намерении ходить (или выполнять другую деятельность) (32). В дополнение к экзоскелетам в течение десятилетия были введены мягкие “экзоскелеты” (33) (см. Также Раздел “Мягкая робототехника для медицины”). По сравнению с экзоскелетами, использующими жесткие связи, мягкие экзоскелеты используют низкомодульные материалы, часто вместе с приводом сухожилий, для передачи помощи в движении без наложения существенного ограничения движения вдоль неактуальных DoFs. Хотя в течение десятилетия были созданы методы контроля ЛЛЕ для неамбулирующих лиц, например (32), поле еще не полностью установило соответствующие лучшие практики для оказания помощи в походке для плохо амбулаторных лиц. В случае неамбулирующих людей не требуется совместного управления на уровне человека и машины, тогда как помощь пользователю, способному двигаться, обычно влечет за собой высокую степень координации на уровне суставов между устройством и человеком. Предположительно, в ближайшее десятилетие в этой области будут разработаны методы оказания помощи плохо амбулаторным лицам, не ставя под угрозу агентство пользователя или способность поддерживать равновесие, особенно в отсутствие помощи стабильности, с желательной целью также улучшить баланс.

Терапевтические реабилитационные роботы

В то время как вспомогательные экзоскелеты и протезы конечностей предназначены для замены утраченной функции, реабилитационные роботы предназначены для доставки повторяющейся двигательной терапии конечностям после неврологических травм, чаще всего инсульта и травмы спинного мозга, чтобы восстановить возможности человека. Эти роботизированные устройства позволяют выполнять движения при достижении, захвате, ходьбе и лодыжке таким образом, чтобы вызывать или облегчать нейропластичность, что может привести к восстановлению диапазона движений и координации движений. Когда эти достижения реализуются, пациент испытывает восстановленную функцию конечностей и, в некоторых случаях, способен обеспечивать самообслуживание, жить самостоятельно и даже возвращаться к рабочей силе после травмы без поддержки роботизированного устройства.

Некоторые реабилитационные роботы принимают форму экзоскелетов, которые надеваются на ногу, руку или кисть, в то время как другие являются роботами конечного эффекторного типа, которые взаимодействуют с человеческим телом через ручку или платформу для ног. Устройства нацелены либо на нижние конечности, основной целью которых является восстановление подвижности, либо на верхнюю конечность, целью которой является восстановление ловкости. Робот становится надежным инструментом для физиотерапевта, обеспечивая пациенту точную и повторяемую поддержку движений с уровнем интенсивности, который можно модулировать либо с помощью переменного сопротивления, помощи, либо количества повторений. Интеграция роботизированных устройств в режим реабилитации может снизить затраты на персонал, свести к минимуму травмы, связанные с работой, и улучшить последовательность обучения. Роботы для реабилитации могут служить как средством доставки терапии, так и инструментом оценки, поскольку бортовые датчики могут измерять особенности движений в ходе терапевтического вмешательства, обеспечивая мелкозернистое представление о прогрессе в способности движения, что традиционные клинические шкалы оценки, которые являются грубыми и сфокусированнымио функциональной способности не удается захватить.

С момента внедрения реабилитационных роботов в начале 1990-х годов в качестве средства обеспечения точной, повторяющейся двигательной терапии были достигнуты важные успехи в их проектировании, изготовлении, контроле и клиническом переводе. В десятилетие до 2010 года основные научные достижения включали клиническую оценку и коммерциализацию первого поколения роботизированных устройств, разработанных для нейрореабилитации, включая экзоскелеты на основе беговых дорожек для реабилитации походки, такие как Lokomat, и конечные эффекторные роботы для реабилитации верхних конечностей, такие как InMotion ARM robot. Начиная с этих первоначальных разработок, в начале 2000-х годов исследователи начали разрабатывать новых роботов экзоскелетного типа для верхней конечности, которые могли бы нацеливаться на конкретные движения суставов дистальнее локтя и плеча, тогда как были введены экзоскелеты нижних конечностей, которые могли бы облегчить ходьбу по земле. В этом десятилетии была проведена фундаментальная работа по разработке алгоритмов управления, которые были разработаны для обеспечения лучшей координации движений между роботом и пациентом.

В течение десятилетия 2010-2020 исследования реабилитационной робототехники были в основном сосредоточены на четырех областях. Первым был новый дизайн устройства, все более экзоскелетной формы и ориентированный на дистальные суставы верхней конечности и включающий податливые и мягкие материалы как для приведения в действие, так и для структуры. Вторым была разработка новых алгоритмов управления для модуляции взаимодействия между человеком и роботом, чтобы добиться максимального участия человека. Третьим было создание методов обнаружения намерений для вывода и поддержки желаемых движений пациента, а не предписанных или запрограммированных траекторий. Четвертым было расширенное использование роботизированных устройств для объективной и количественной оценки нейрореабилитации, а не только для доставки терапии.

В последние 10 лет исследователи все больше внимания уделяют разработке реабилитационных роботов для руки и запястья, поскольку способность самостоятельно питаться, ухаживать и ухаживать требует восстановления функции рук и ловкости. В отличие от периодического характера ходьбы, движения верхних конечностей и рук включают десятки степеней свободы, что приводит к сложным кинематическим конструкциям жестких экзоскелетов рук и кистей, а также схемам приведения в действие сухожилий или кабелей, которые пытаются уменьшить вес и инерцию устройства за счет удаленного расположения приводов (34). Некоторые группы приняли мягкие роботизированные технологии для конструкций на основе перчаток, которые фокусируются на функциональных захватах, используя пневматическое приведение в действие, которое может даже облегчить реабилитацию на дому (35).

За последнее десятилетие были достигнуты впечатляющие успехи в методах управления реабилитационными роботами, преимущественно теми, которые облегчают сотрудничество между роботом и пациентом. Были предложены все более продвинутые методы оценки способности пациента инициировать или выполнять достигающие движения или траектории походки, которые в сочетании с адаптивными схемами управления роботизированным устройством автоматически регулируют объем поддержки робота на лету, максимизируя вклад пациента в выполнение движения [см. (36) дляпример реабилитации верхних конечностей и (37) для реабилитации нижних конечностей. Известно, что эта стратегия способствует нейропластичности, которая имеет решающее значение для восстановления координации движений (38).

Вовлеченность пациентов, как когнитивная, так и физическая, является еще одним фактором, способствующим нейропластичности во время реабилитации (39). В последнее десятилетие исследователи разработали новые методы обнаружения намерения движения у пациентов, используя поверхностную ЭМГ для измерения электрической активности самих мышц или электроэнцефалографию (ЭЭГ), чтобы вывести намерение из изменений электрических потенциалов, зарегистрированных с поверхности кожи головы. Клиническая оценка этих методов находится на ранних стадиях, хотя некоторые первоначальные результаты показывают, что результаты обнаружения намерения на основе ЭЭГ сопоставимы с роботизированной терапией без обнаружения намерения [см., Например, (40)]. Хотя на первый взгляд это может показаться неутешительным результатом, количество повторений движений, достигнутых за один сеанс терапии с использованием этой технологии, значительно ниже, чем только роботизированная реабилитация, учитывая сложность экспериментальной установки и вычислительные затраты. Несмотря на это, клинические достижения сопоставимы, а это означает, что такие технологии могут позволить людям с более серьезными нарушениями, которые не могут начать движение, воспользоваться преимуществами роботизированной реабилитации.

Заключительной областью прогресса в последнее десятилетие является применение роботизированных реабилитационных устройств в качестве инструментов оценки. Известно, что шкалы клинической оценки относительно грубы в своей способности обнаруживать улучшения двигательной функции. Роботизированные устройства, оснащенные датчиками высокого разрешения, могут использоваться для оценки диапазона движений, внутри-и межлинейной координации, плавности движений и других характеристик (41). Кроме того, эти устройства могут отслеживать восстановление в масштабах времени с более высоким разрешением, поскольку данные могут собираться на каждом сеансе лечения. Существует большой потенциал для роботизированной оценки нейрореабилитации, чтобы повлиять на само вмешательство, что дает надежду на то, что роботизированные устройства значительно улучшат результаты реабилитации в будущем.

Разработки последнего десятилетия начинают оцениваться клинически, используя как устройства исследовательского класса, так и те, которые были коммерциализированы. Клинические исследования, направленные на оценку эффективности новых устройств, контроллеров и методов выявления намерений пользователей для реабилитации инсульта и травмы спинного мозга, в некоторых случаях активно набирают участников, в то время как другие исследования перечислены в базе данных клинических исследований, но еще не набирают. Примеры клинических исследований включают исследования мягких роботизированных перчаток, интерактивных экзоскелетов для реабилитации походки и потенциал использования ЭМГ или ЭЭГ для управления реабилитационным экзоскелетом. Хотя это не связано напрямую с достижениями в области робототехники, существуют дополнительные клинические исследования, направленные на определение эффективности существующих устройств для лечения различных неврологических нарушений. Например, устройства, разработанные для лечения популяций инсульта, оцениваются на популяциях травм спинного мозга. Еще одним заметным продолжающимся усилием является оценка эффективности сочетания роботизированной реабилитации с другими терапевтическими вмешательствами, такими как стимуляция позвоночника или фармакологическое лечение.

Хотя было показано, что роботизированные устройства эффективно доставляют терапию как в верхние, так и в нижние конечности после инсульта и травмы спинного мозга, улучшения клинических показателей функции на сегодняшний день были скромными по сравнению с традиционной терапией (38). Будущие исследовательские усилия все больше сосредоточены на получении лучшего понимания механизмов нейропластичности, включая то, как ее можно надежно индуцировать и использовать для максимизации терапевтических результатов. Такие усилия все больше зависят от достижений в области нейробиологии, включая новые методы регистрации нейрональной активности. Достижения в области робототехнических технологий также имеют жизненно важное значение для достижения этих целей, включая разработку более подходящих устройств и более точного зондирования и приведения в действие, встроенных в устройства для нацеливания на дистальные степени свободы верхних и нижних конечностей, которые, скорее всего, будут способствовать возвращению функции и независимости. Наконец, необходимы передовые алгоритмы управления, которые могут более точно характеризовать возможности пациента в режиме реального времени и не только регулировать уровень поддержки, необходимый для завершения движений, но и налагать соответствующее сопротивление или вызов.

Капсульные роботы

На заре нового тысячелетия компания Given Imaging (ныне Medtronic) представила беспроводную капсульную эндоскопию как малоинвазивный метод обследования желудочно-кишечного тракта. Возможность сбора изображений глубоко внутри кишечника, просто проглотив “таблетку”, произвела революцию в области желудочно-кишечной эндоскопии и вызвала совершенно новую область исследований: медицинские капсульные роботы.

Быстро стало понятно, что обычные капсульные эндоскопы, которые пассивно перемещаются по желудочно-кишечному тракту, ограничены в своей неспособности взаимодействовать с кишечником и проводить вмешательства. Естественным первым подходом к решению этой проблемы было принятие “бортового привода”, активно управляющего капсулой с использованием внутренних миниатюрных механизмов передвижения (например, ног) (42).

Однако энтузиазм в отношении этого подхода быстро снизился, поскольку исследовательское сообщество осознало серьезную проблему: интеграция сложных механизмов, включая адекватный источник питания, в устройство размером с таблетку (обычно 24 мм в длину и 11 мм в диаметре) была непрактичным решением с использованием доступных технологий.

Для решения этого ограничения был изучен альтернативный подход магнитного возбуждения. Использование магнитной муфты устраняет необходимость в сложных механизмах и снижает потребности в питании на борту и, следовательно, общий размер и сложность устройства. Эта форма приведения в действие манипулирует капсулой (содержащей встроенный магнит) с помощью внешнего магнитного поля. Это механически простое устройство может точно контролировать ориентацию капсулы и индуцировать относительное движение. Поле может генерироваться постоянными магнитами или электромагнитами. Сравнивая их, электромагниты обеспечивают дополнительную степень контроля при изменении величины магнитного поля, хотя генерируемая объемная плотность магнитного потока ниже, чем у постоянных магнитов. Медицинские капсульные роботы теперь являются клинически жизнеспособной альтернативой стандартной интервенционной эндоскопии.

Предлагая элегантное механическое решение, исследователи в этой области столкнулись с проблемой разработки надежных стратегий управления—сложной задачей из-за сильно нелинейных свойств магнитных полей. Они эволюционировали от ручного манипулирования портативным внешним постоянным магнитом до роботизированного управления магнитным полем (43, 44). Было показано, что это клинически и коммерчески эффективно для исследования желудка и теперь доступно в больницах (NaviCam, ANKON).

Эффективные интервенционные возможности с использованием магнитного возбуждения были успешно продемонстрированы в роботах размером с таблетку, объединив их с мягкой робототехникой. Умное, совместимое устройство, управляемое внешними магнитными полями, показало возможность активного перемещения к интересующему месту и доставки лекарства (45) или сбора биопсии ткани (46).

С давлением рынка на простоту использования в сочетании со сложностями магнитного приведения в действие роль помощи робота в магнитном контроле капсульных эндоскопов существенно возросла. Ключевым фактором для этого стало внедрение методов локализации в реальном времени. Знание положения и ориентации (т. Е. позы) капсулы имеет решающее значение для планирования применения магнитной силы и крутящего момента для желаемого движения (47). Клинически жизнеспособные примеры локализации в основном основаны на магнитной локализации (48). Теперь это позволяет исследователям исследовать различные уровни компьютерной помощи, продвигаясь к конечной цели сделать эндоскопию такой же интуитивной, как вождение автомобиля в видеоигре.

Поскольку мы начинаем следующее десятилетие, интеллектуальное магнитное управление роботами размером с таблетку может предложить беспрецедентные диагностические и терапевтические возможности в сочетании с мультимодальной визуализацией (например, мультиспектральной, автофлуоресцентной и микроултразвуком) и микро/нанороботикой. Помимо клинического использования, это может обеспечить исследовательскую платформу для более глубокого проникновения в организм человека для решения других научных вопросов, связанных, например, с нашим микробиомом.

Будущее также может содержать захватывающие достижения в области хранения энергии или беспроводной передачи энергии, которые возрождают бортовые подходы к приведению в действие или “многомасштабную операцию”, как предложено в (46), где робот размером с таблетку развертывает армию интервенционных микророботов. Что бы ни было впереди, медицинская капсульная робототехника остается захватывающей, быстро развивающейся и очень влиятельной областью исследований.

Магнитное возбуждение для медицины

Задолго до того, как магнитные поля были использованы для создания изображений внутренней части тела, они использовались для выполнения операций. Доказательства использования магнитных полей для извлечения железной стружки, случайно попавшей в глаз, датируются, по крайней мере, 17 веком, а также во время промышленной революции. В 1950-х годах начались первые исследования их использования для направления катетеров с магнитами, установленными на наконечнике. Однако коммерчески доступная система появилась только в 2003 году с роботизированной магнитно-навигационной системой Stereotaxis Niobe, которая использует два движущихся постоянных магнита для генерации изменяющихся магнитных полей для направления эндокардиальных абляционных катетеров для лечения сердечных аритмий (электрофизиологических процедур). Хотя проникновение на рынок этой магнитно-управляемой катетерной системы было медленным, в последнее десятилетие наблюдается растущий интерес со стороны исследователей и компаний медицинского оборудования, и мы видим линейное увеличение числа статей, опубликованных по этой теме, и экспоненциальное увеличение цитирований.

Моделирование электромагнитных навигационных систем multi-DOF

Одним из важных прорывов в области магнитного возбуждения за последнее десятилетие и наиболее цитируемой работой в области магнитного возбуждения и микророботики является (49). Данная работа обобщила физику и математику произвольного числа геометрически расположенных электромагнитов для приложения магнитной силы и крутящего момента на заданное магнитное тело. Это позволило сообществу робототехники привлечь более 50 лет работы в области управления и проектирования роботизированных манипуляторов к проблеме магнитного возбуждения. Патенты, полученные в результате этой работы, легли в основу одной компании для разработки семимагнитной системы, которая использовалась для выполнения абляции эндокардиального катетера у нескольких пациентов.

Микророботы с магнитным наведением

Как обсуждалось в предыдущем разделе, капсульные роботы-это относительно большие устройства, позволяющие устанавливать в них большие постоянные магниты, позволяющие градиентам магнитного поля обеспечивать заметную силу срабатывания (43). Поскольку свободно плавающие устройства становятся размером менее миллиметра, количество магнитного материала, которое может быть прикреплено к ним, делает подходы с градиентом поля сложными, и требуются новые стратегии магнитного возбуждения. Вдохновленные спиральным движением жгутиковых бактерий и движением бегущей волны жгутиковых эукариот, таких как сперматозоиды, первые микророботы появились до 2010 года. Спиральные структуры, в частности, хорошо подходят для магнитного приведения в действие, поскольку поля вращения генерируют крутящий момент, который хорошо масштабируется с моментами жидкостного сопротивления. В последнее десятилетие были разработаны надежные методы изготовления и эффективные модели, которые создали возможности для разработки микророботов, способных выполнять полезные медицинские задачи (50). В этом направлении продолжается ряд усилий с новым импульсом по использованию материалов, которые в конечном итоге будут разлагаться в организме без вреда для пациента, или по разработке магнитных инструментов для извлечения магнитных микророботов из организма после использования.

Стратегии магнитной локомоции в миллиметровых масштабах

Если ограничения на выбор магнитного материала будут ослаблены таким образом, что токсичные твердые магнитные частицы будут включены в гибкие полимерные структуры, могут быть созданы конструкции роботов миллиметрового масштаба, которые демонстрируют ряд новых и захватывающих стратегий передвижения. Многие из этих методов достигли кульминации в недавней работе группы Ситти (51) над одним устройством, способным к мультимодальной локомоции с использованием различных динамически изменяющихся магнитных полей. В статье экспериментально продемонстрировано впечатляющее количество движений качения, ходьбы, прыжков и ползания.

Magnetically guided catheters

Современные тенденции в области магнитного возбуждения показывают возвращение к своим корням, в которых все чаще исследуются катетеры и эндоскопы с магнитным наконечником. Недавняя работа Чжао и его коллег (52) демонстрирует потенциал использования магнитного возбуждения для направления субмиллиметровых катетеров, покрытых гидрогелем, со встроенными твердыми магнитными частицами. Эта работа определяет ряд медицинских процедур, которые могут быть выполнены с такими устройствами в будущем. Несомненно, причиной этого растущего интереса является обещание более маневренных медицинских устройств в меньших масштабах, которые могут быть изготовлены более экономично, чем сложные устройства на основе тяги или двигателя.

За последнее десятилетие был достигнут ряд достижений в области магнитного возбуждения для медицины. Мы получили более глубокое понимание того, как генерировать динамически изменяющиеся магнитные поля и градиенты поля, которые могут безвредно проникать во все тело человека. Мы наблюдаем увеличение использования мягких полимерных материалов, следуя тенденциям, которые мы наблюдаем в мягкой робототехнике, с целью создания более безопасных, маневренных магнитных медицинских устройств (48, 49). Наконец, мы также видели, как многие из этих усилий переходят к испытаниям in vivo и даже на людях. Безусловно, в следующем десятилетии будут реализованы более эффективные методы лечения с использованием этой технологии, что приведет к быстрому ускорению коммерческих усилий.

Мягкая робототехника для медицины

Определение того, какое достижение в робототехнике запустило область мягкой робототехники для медицины, не является тривиальным. Робототехника, основанная на мягких концепциях, внутренне совместимых структурах и интеллектуальных материалах, с самого начала была тесно связана с биомиметикой и биоинспирацией. С другой стороны, растущий интерес к биоинспирированным роботам с совместимыми телами способствовал исследованиям интеллектуальных материалов, которые могут быть использованы для изготовления мягких роботов или для обеспечения мягких роботов возможностями зондирования и приведения в действие, от макромасштабного до наноразмерного (53). Просто для примера, большинство работ по искусственным кожам с сенсорными возможностями можно найти в литературе с приложениями к мягким роботам и мягким устройствам.

Глядя на литературу последних 10 лет, есть много фундаментальных обзорных или обзорных работ о мягкой и биоинспирированной робототехнике для многих применений (включая медицину, где вопрос искробезопасности чрезвычайно актуален) и много статей по материаловедению и обзоров о новых интеллектуальных материалах, где традиционные технологии на основе кремниядля зондирования заменяются технологиями на основе силикона с умным поведением.

Рассматривая наиболее цитируемые работы последнего десятилетия и исключая материалы и обзорные работы, можно выделить два типа работ, связанных с медициной: один включает носимых мягких роботов для реабилитации или увеличения человека, которые были рассмотрены в предыдущих разделах. Второй включает роботов для вмешательства и хирургии или компоненты для вмешательства и хирургической робототехники. Что касается области хирургии и вмешательства, то можно выделить три параллельные подтемы: (i) мягкие устройства для хирургии или вмешательства, где все традиционное устройство заменяется мягкой роботизированной конструкцией, как в макро -, так и в миниатюрном масштабе (45, 54); (ii) мягкие, биоинспирированные или совместимые компоненты, которые могут работать как автономные устройства или могут быть интегрированы в более традиционные системы (55, 56); (iii) мягкие компоненты и системы для современных тренажеров, как для обучения, так и для изучения конкретных физиологических функций (57-59), между робототехникой и биоартифицированными органами.

В первой категории были разработаны интересные конструкции модульных и перестраиваемых устройств жесткости для хирургии и эндоскопии, которые достигли доклинического или трупного уровня тестирования (54). Основная идея заключается в превращении хирургических манипуляторов в хоботы слона или руки осьминога с возможностью выполнять больше задач одной и той же рукой, просто изменяя жесткость различных сегментов. Соответствующие результаты были достигнуты также при применении технологии мягкой робототехники к желудочно-кишечной капсульной эндоскопии с разработкой капсул с мягким телом для выполнения адресной доставки лекарств, как уже упоминалось выше(44, 54).

Для второй категории биоинспирированные компоненты—в некоторых случаях с мягким телом или с биомиметическим безопасным взаимодействием с окружающей средой—продемонстрировали превосходные возможности по сравнению с традиционными устройствами (55, 60), например, при биопсии. Однако более 20 лет назад для современных эндоскопов уже была исследована мягкая и биоинспирированная конструкция с попыткой адаптировать форму медицинского инструмента к особенностям исследуемой среды обитания человека [как в (45, 46), упомянутых выше].

Наконец, существует недавнее направление исследований, которое нелегко отнести к каким-либо категориям, где мягкие роботы используются для вспомогательных или терапевтических устройств in vivo (59, 61). За исключением некоторых исследований на пересечении магнитной микророботики и мягкой робототехники, которые уже достигли клинической стадии, большинство представленных технологий все еще нуждаются в обширной доклинической и клинической валидации.

Область мягкой робототехники, даже если она еще не создала парадигматических примеров медицинских роботизированных систем, управляет проектированием и разработкой большинства медицинских приборов. Параллельно soft robotics также проводит исследования в области мягких материалов и новых технологий изготовления, которые могут открыть неожиданные возможности в биомедицинских приложениях.

Континуумные роботы для медицины

Непрерывные роботы меняют форму за счет изгибной деформации, а не за счет дискретных соединений. Их способность принимать форму 3D-кривых позволяет этому типу роботов выполнять процедуры через меньшие хирургические коридоры, чем это требовалось бы традиционными роботизированными механизмами. Они могут проникать в организм через естественные отверстия, перемещаться по просветам тела и обходить критические структуры при прохождении через твердые ткани. Гибкость роботов континуума, в отличие от обычных конструкций, также повышает их безопасность.

Непрерывные роботы могут быть охарактеризованы методом приведения в действие, используемым для изменения формы изгиба. Наиболее распространенный подход к контролю формы заключается в изменении силы смещения или натяжения, приложенной к одному или нескольким сухожилиям, расположенным вокруг центрального гибкого позвоночника. Вариация этой техники, называемая multibackbone designs, заменяет сухожильные струны стержнями, которые могут применять как растягивающие, так и сжимающие силы. Третий тип, концентрические трубчатые роботы, размывает роли исполнительных элементов и позвоночника, используя относительный перевод и вращение предварительно изогнутых концентрически комбинированных сверхупругих трубок для изменения формы. Магнитное приведение в действие, подробно обсуждаемое в другом разделе этой статьи, является четвертым методом, в котором внешние магниты, расположенные вокруг пациента, используются для получения желаемого отклонения гибкой трубки с магнитным наконечником.

В десятилетие, предшествовавшее 2010 году, основной научный прогресс был связан с разработкой принципов проектирования и кинематических моделей, основанных на механике, для сухожильных и многоконечных континуальных робототехнических архитектур. Эта работа привела к важным усилиям по коммерциализации медицинских роботов, таким как сердечный катетер Hansen Medical с сухожилием. Кроме того, была предложена конструкция с сухожилием, в которой гибкий позвоночник был заменен серией коротких цилиндрических звеньев, соединенных сферическими суставами. Этот дизайн стал основой хирургического робота, коммерциализированного Medrobotics. В 2000-х годах впервые была представлена концепция концентрических трубчатых роботов, но более полное описание принципов проектирования и кинематической модели этой архитектуры было завершено только в 2010 году (62).

В течение десятилетия 2010-2020 годов исследования континуумных роботов были сосредоточены в четырех областях: (i) включение внешних контактов и нагрузок в моделирование и управление роботами, (ii) разработка методов контроля жесткости роботов, (iii) создание “мягких” континуумных роботов и (iv) проектирование континуумных роботов для конкретных клинических целей.приложения. Каждый из них описан ниже.

Расширение кинематических моделей для учета внешних контактов и нагрузок

Во многих медицинских приложениях робот будет контактировать с тканью не только на кончике, но и во многих местах по всей длине. В отличие от жестких роботов, эти контактные силы могут вызывать заметную деформацию континуального робота, что приводит к большим ошибкам в кинематической карте, связанным, например, с натяжением сухожилия и положением наконечника и ориентацией. Важным направлением исследований было включение внешней нагрузки в кинематическую модель (63) и вывод внешних нагрузок из кинематических входных переменных, например, сил натяжения сухожилий (64). В качестве альтернативы был предложен безмодельный подход, в котором контактная кинематическая модель оценивается во время выполнения задачи (65). Для методов управления на основе моделей альтернативой выведению внешних нагрузок из кинематических входов является их непосредственное восприятие. Хотя создание распределенной чувствительной кожи в масштабе размера и цены, подходящей для медицинских вмешательств, остается открытой проблемой, примечательные усилия за десятилетие были направлены на разработку датчиков, которые могут оценивать форму робота (66).

Контроль жесткости

В отличие от жестких роботов, присущая роботам continuum гибкость повышает их безопасность во время навигации по телу к месту операции. Хирургические задачи, однако, включают приложение сил к ткани, а более низкая жесткость наконечника роботов континуума требует больших перемещений робота для создания заданной силы. Уровень силы на основе задачи вместе с ограниченным объемом, доступным для маневрирования роботом, определяет минимальную жесткость наконечника, необходимую для выполнения задачи. Важная работа за десятилетие разработала методы механического проектирования для повышения и контроля жесткости робота континуума, например, путем включения заклинивания слоя в изгибные компоненты (67). Для тех ситуаций, когда присущая жесткость достаточна, были разработаны алгоритмы управления, которые модифицируют кинематические входы для достижения желаемой жесткости наконечника (68).

Мягкие континуальные роботы

Континуальные роботы часто изготавливаются из совместимых полимерных материалов, и некоторые из самых ранних примеров приводились в действие пневматически или гидравлически—эти две функции обычно используются для определения “мягких” роботов. Однако, за некоторыми исключениями, медицинские роботы continuum избегали приведения в действие газа или жидкости, что, как правило, увеличивает сложность моделирования и время отклика. Однако с учетом взрывного роста мягкой робототехники за последнее десятилетие эти методы приведения в действие и использование еще более совместимых материалов в настоящее время изучаются для медицинских применений (69).

Проектирование континуальных роботов для конкретных приложений

В дополнение к углублению технологического инструментария исследователи также сотрудничали с клиницистами для создания роботизированных систем, предназначенных для выполнения конкретных процедур. Например, Ding et al. (16) создали однопортовую систему для абдоминальной хирургии. После введения в брюшную полость две руки multibackbone continuum вместе с традиционно соединенной стереоэндоскопической рукой выходят из одной оболочки, создавая антропоморфное представление головы и рук хирурга. Эта технология была лицензирована для коммерциализации компанией Titan Medical. В качестве второго примера система (20) исследует использование двух концентрических трубчатых роботов вместе с отдельным пассивным эндоскопом для трансназальной хирургии основания черепа. Эта система была важной ранней демонстрацией того, как архитектура концентрической трубки, наряду с теоретическим моделированием, разработанным для ее поддержки, может обеспечить рабочее пространство, жесткость и управляемость, необходимые для выполнения реальных нейрохирургических задач.

Последнее десятилетие обеспечило созревание фундаментальных методов проектирования и моделирования различных архитектур роботов континуума. Хотя это исследование в значительной степени завершено, наличие новых технологий зондирования, вероятно, будет стимулировать разработку улучшенных методов управления на основе датчиков. Например, волоконные решетчатые датчики Брэгга, очень дорогая технология, является основным исследованным способом определения формы (66). Недорогая альтернативная технология, вероятно, приведет к новому поколению алгоритмов управления. Кроме того, мы, вероятно, увидим постоянный интерес к применению мягкой робототехники для создания альтернативных конструкций роботов и обучения/искусственного интеллекта, применяемых для навигации и управления роботами. Хотя эта работа будет в значительной степени обусловлена новизной исследований, а не клинической потребностью, она добавит к технологическому инструментарию.

В то время как ранние валидационные эксперименты носили академический характер, мало внимания уделялось возможным медицинским приложениям, в течение десятилетия все больше внимания уделялось созданию прототипов систем, подобных тем, которые были отмечены выше, которые могли бы выполнять реальные медицинские процедуры. Для того, чтобы роботы continuum достигли клиники, это направление исследований будет иметь все большее значение в ближайшие годы. Для этого есть несколько причин. Во-первых, создание и демонстрация прототипа для конкретной процедуры является фундаментальным шагом, необходимым для снижения риска коммерциализации технологии. Это также позволяет впервые сравнить затраты и выгоды с текущей клинической практикой. Таким образом, эти демонстрационные проекты технологий могут непосредственно привести к усилиям по коммерциализации. Не менее важно, что прототипы для конкретных процедур служат для выявления критических пробелов в знаниях, которые стимулируют будущие фундаментальные исследования.

Обсуждение

Количество работ по медицинской робототехнике выросло в геометрической прогрессии с менее чем 10, опубликованных в 1990 году, до более чем 5200 в 2020 году. Следовательно, доля статей, опубликованных за последнее десятилетие, составляет более 80% от общего числа. Эти публикации охватывают весь спектр исследований. Публикации в журнале Engineering освещали создание новых роботизированных технологий для медицинских применений и проектирование новых медицинских роботов. Публикации в медицинских журналах завершили процесс исследований, оценив существующие конструкции роботов у пациентов-людей.

Хотя поле еще не может указать на комплексные клинические испытания, которые показывают, что роботизированные хирургические процедуры обеспечивают улучшенные процедурные результаты для пациентов (70) или снижают стоимость процедуры по сравнению с нероботической хирургией (71), был продемонстрирован ряд преимуществ для пациентов. К ним относятся более короткое пребывание в больнице, более быстрое выздоровление, меньшее количество повторных операций и сокращение переливаний крови (71). Для хирургов роботы обеспечивают улучшенную эргономику, что приводит к уменьшению болей в шее и спине (72), а также онемения рук и запястий (73) с меньшим физическим и психическим стрессом по сравнению с прямыми процедурами с ручным управлением (74). Эти факторы повышают качество жизни хирурга и потенциально могут продлить его карьеру. Исследования также показали, что робототехника может заметно снизить радиационное воздействие как на хирурга, так и на пациента (75).

Для дальнейшего прогресса было бы полезно направить будущие инженерные исследования в наиболее перспективных направлениях. Это требует развития понимания того, как роботы и лежащие в их основе технологии повышают ценность медицины. В то время как почти во всех других отраслях роботы используются в качестве автономных агентов для снижения затрат на рабочую силу человека, медицинские роботы, по крайней мере на сегодняшний день, были разработаны для повышения ценности другими способами, зависящими от приложения.

Например, все преимущества, упомянутые в предыдущем абзаце, возникают в лапароскопической хирургии, за исключением снижения радиационного облучения, которое применяется к процедурам катетеризации сердца. В терапевтической реабилитации можно утверждать, что добавленная стоимость в настоящее время заключается в обеспечении большего количества повторений, а не в улучшении качества повторений. С другой стороны, роботы для доставки энергии, например, для лучевой терапии, обеспечивают комбинацию точности, повторяемости и скорости, которую трудно сопоставить другими средствами. Аналогичным образом, протез с питанием может напрямую улучшить результаты лечения пациентов, увеличив как количество, так и качество повседневных жизненных задач, которые могут быть выполнены по сравнению с нероботическим устройством. Капсульные роботы могут в конечном итоге заменить некоторые процедуры открытого кишечника, улучшая диагностические возможности в труднодоступных областях тела и уменьшая дискомфорт от существующих эндолюминальных процедур кишечника.

При направлении исследований в области робототехники для максимизации добавленной стоимости наиболее важными технологическими целями являются те, которые позволят проводить новые виды вмешательств, которые в настоящее время либо невозможны, либо непрактичны на основе современных технологий. Магнитное приведение в действие является примером технологии, которая позволяет использовать капсульных роботов и медицинских микророботов. Этот метод позволил миниатюризировать, перемещая привод и источники питания за пределы тела. Мягкая робототехника, вероятно, станет очень важной технологией в течение следующего десятилетия. Большая часть наиболее перспективных работ в настоящее время выполняется в сообществе материалов и связана с созданием тонких полимерных слоев со встроенными датчиками и исполнительными механизмами. Хотя эта работа сейчас далека от медицинского применения, эти возможности, вероятно, окажут большое влияние на интервенционных, реабилитационных и вспомогательных роботов. Другие благоприятные технологии в области зондирования, визуализации, приведения в действие и хранения энергии могут возникнуть в качестве кроссоверов от бытовой электроники.

В качестве альтернативы новым процедурам технология может оказать большое влияние, если она предоставит медицинскому роботу новый способ повысить ценность. Эффективная синергия предоперационной и интраоперационной визуализации, интегрированная с гибкими, эргономично улучшенными хирургическими инструментами, является важным примером этого подхода, который представляет собой значительный вклад за последнее десятилетие. Ценность этого подхода, вероятно, сохранится и в будущем. Перевод методов клеточной и молекулярной визуализации из лаборатории в хирургические условия in vivo–in situ еще больше расширит функциональные возможности хирургических вмешательств, обеспечивая улучшенное обнаружение тканей, маркировку и нацеливание как для макроскопической, так и для клеточной терапии. Этот подход может коренным образом изменить запланированные хирургические пути путем оптимизации принятия и оптимизации интраоперационных хирургических решений с повышенной последовательностью и точностью, обходя потенциальные послеоперационные осложнения и ревизии.

Еще один способ повысить ценность роботов-это автономия. Хотя развитие возможностей автономного вождения было, пожалуй, самой горячей темой во всей робототехнике за десятилетие, использование автономии в медицинских роботах в настоящее время ограничено. Примеры включают вспомогательные носимые роботы и реабилитационные роботы. Эти системы производят запрограммированные движения, которые можно переключать и изменять на основе пользовательских данных. Точно так же ортопедические роботы вырезают запрограммированные полости в кости, а радиохирургические роботы воспроизводят запрограммированные траектории для получения желаемых рентгеновских снимков внутренних повреждений. Хотя эти запрограммированные движения представляют собой очень простую форму автономии, они позволяют использовать эти приложения. Например, вспомогательный протез голени был бы бесполезен, если бы оператору приходилось активно контролировать движение лодыжки во время ходьбы.

Технологический рубеж в автономии медицинского робота соответствует наделению робота способностью формулировать и изменять свои планы и движения на основе данных датчиков в реальном времени. Примеры могут включать автономную лапароскопическую хирургию для удаления раковых поражений или автономное транскатетерное восстановление сердечного клапана. Этот уровень автономии приносит с собой не только технические проблемы, но и нормативные, этические и юридические проблемы, которые еще не полностью решены и повысят затраты на коммерциализацию. Следовательно, будет гораздо проще постепенно добавлять такие автономные функции к уже существующим медицинским роботам, ценность которых может быть оправдана без учета автономной функциональности. Примеры включают автоматическое наложение швов для лапароскопической хирургии, автономную навигацию гибких эндоскопов или автономное электрофизиологическое картирование катетера внутри сердца.

Эволюционная тенденция к прогрессивной автоматизации, как показано на рис. 4 предоставит время для необходимых технологических разработок в области алгоритмов и датчиков, предоставляя заинтересованным сторонам время для постепенного создания соответствующей нормативно-правовой базы. Медицинские приложения, для которых автономия необходима для обоснования робота, будут более сложными для коммерциализации в краткосрочной перспективе, но могут иметь наибольшую ценность в долгосрочной перспективе. Нижние висячие плоды этого типа могут включать простые критичные по времени эндолюминальные вмешательства, тогда как бионические имплантаты представляют собой более сложный класс устройств.

РИС. 4. Специфическая для приложения тенденция к увеличению автономии медицинских роботов.При текущем использовании уровень автономии обычно является минимальным, необходимым для клинической пользы. Например, радиотерапевтические роботы работают на уровне условной автономии, вычисляя и выполняя траекторию облучения, чтобы обеспечить желаемую дозу облучения внутри пациента при минимизации воздействия на окружающие ткани. Ортопедические роботы способны автономно фрезеровать предписанную полость для коленных и тазобедренных имплантатов. Напротив, лапароскопические хирургические роботы оказались успешными под непрерывным контролем оператора и поэтому в настоящее время предлагают только ограниченную роботизированную помощь. Транскатетерная механическая тромбэктомия и ремонт сердечного клапана являются примерами клинических применений, для которых роботизированные решения еще не разработаны, хотя оба потенциально могут извлечь выгоду из роботизированных решений. В будущем ожидается, что уровень автономности современных робототехнических систем возрастет. Наибольшее увеличение будет для тех приложений, для которых автономия жизненно важна для их функции. Например, высокоавтономные системы для дистанционного выполнения экстренных механических тромбэктомий для лечения инсульта значительно увеличат доступность этого лечения, а также сократят время лечения. В качестве второго примера бионические имплантаты, которые улучшают или восстанавливают функции организма, будут достаточно интегрированы со своим хозяином, чтобы не требовать постоянного сознательного контроля.

Из более чем 19 000 инженерных работ, опубликованных по медицинской робототехнике с 1990 года, только несколько можно считать подходящими для существующих коммерческих медицинских роботов. Даже статьи с высоким технологическим влиянием, составляющие библиографию, имеют скромное количество патентных цитат. Отчасти это может быть связано с существенным отставанием, которое может возникнуть между разработкой технологии и ее коммерческим применением. Возможно, не менее важным фактором является несоответствие между технологическими исследованиями и реалиями коммерциализации медицинских устройств.

Внедрение роботизированных технологий в клиническое использование требует гораздо большего, чем просто хорошо цитируемые исследовательские статьи. Необходимо определить подлинную клиническую потребность. Для удовлетворения этой потребности должна быть разработана соответствующая технология, учитывающая специфику того, как робот добавляет ценность для врача и пациента. Врачи должны быть убеждены в этом ценностном предложении. Технология также должна разрабатываться с учетом административных и финансовых ограничений больницы и без ущерба для устоявшихся клинических рабочих процессов. Потенциальные риски должны быть выявлены на ранней стадии, чтобы можно было получить этические одобрения. Наконец, должны быть разработаны привлекательные бизнес-модели, чтобы обеспечить получение достаточных инвестиций для внедрения технологии через сложные пути, которые необходимо пройти для любого медицинского устройства для достижения коммерческого успеха. Максимизация шансов на успех предполагает, что исследователи технологий уходят от своих башен из слоновой кости, чтобы сформировать глубокое сотрудничество с клиницистами, регулирующими органами, инвесторами и деловым сообществом.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Рукопись не предназначена для традиционного обзора, который обеспечивает широкий охват медицинской робототехники в течение десятилетия, или для предоставления исчерпывающей библиографии в этой области. Вместо этого наша цель состояла в том, чтобы дать сфокусированный взгляд на наиболее важных научных достижениях десятилетия и указать читателю на небольшой набор статей, которые являются основополагающими в отношении этих достижений. Исследования были определены как разработка новых роботов и робототехнических технологий. Клинические оценочные работы с использованием существующих роботов были исключены, если они не передавали важный трансляционный результат.

Этот подход по своей природе привносит в статью некоторую субъективность, однако мы постарались быть максимально объективными. Наш подход был следующим. Сначала мы разработали первоначальный список перспективных горячих тем на основе авторского консенсуса. Этот список тем был затем проверен и уточнен путем выполнения широкого поиска медицинской/хирургической робототехники с использованием Web of Science, а затем группировки результатов по темам. Это привело к отбрасыванию некоторых тем-кандидатов и подразделению других на несколько тем. Например, хотя была проведена важная работа в области ортопедических и спинномозговых роботов, высоко цитируемые статьи были опубликованы до 2010 года. Кроме того, мы заметили, что было проведено важное исследование роботов, специфичных для процедур, которые не вписывались ни в одну из горячих тем. Это включало роботов, разработанных для эндолюминальных и транслюминальных эндоскопических хирургических процедур с естественным отверстием, а также роботов для микрохирургии. Чтобы включить эту работу, мы добавили последнюю горячую тему о роботах, специфичных для нелапароскопических процедур.

Учитывая этот список горячих тем, мы затем попытались определить тематические поисковые термины для использования в Web of Science, которые обеспечили бы всесторонний охват этой темы. Наша цель была двоякой. Во-первых, мы хотели определить общее количество статей, опубликованных по каждой горячей теме, как показано на фиг. 2 и 3. Во-вторых, для включения в нашу библиографию мы хотели определить наиболее влиятельные статьи по каждой теме на основе количества цитирований.