Роботы-хирурги. Перспективы развития

Современные роботы-хирурги впечатляют своим техническим совершенством и …своими размерами. Общий вес робота-хирурга Да Винчи составляет 1 тонну, а размер консоли управления хирурга – 1,21 x 1,22 x 1,66 метра. Большие габариты и необходимость в широком пространстве для маневра постепенно ставится тормозом в развитии роботизированной хирургии и ее внедрение в широкую клиническую практику.

В традиционной операционной уже сейчас ощущается острая нехватка пространства из-за большого количества медицинской аппаратуры. Кроме того, большие приборы тяжело приспособить к существующим схемам и этапам разноплановых оперативных вмешательств. Крупные узлы оборудования со сложными опциями практически невозможно настроить в условиях ограниченного пространства.

Основные проблемы и их возможные решения

Уменьшение габаритов роботизированных систем значительно упростило бы интеграцию и внедрение инновационных технологий в операционной. Как же сделать хирургических роботов более компактными?

Жесткие хирургические инструменты

Одной из главных причин больших габаритов является то, что робот манипулирует длинными жесткими хирургическими инструментами. Принцип действия схож с правилом рычага – широкие движения крупных элементов на одном конце легко трансформируются в микроскопические движения на кончике инструмента. Конструкция робота должна быть достаточно крепкой и устойчивой для удержания инструмента в организме и поддержания собственного веса.

  • Решение. Возможный путь уменьшения габаритов – использование гибких хирургических инструментов с необходимым диапазоном движения и силой захвата. Это особенно касается оперативных вмешательств на небольших анатомических структурах. В таких случаях нет необходимости в широких движениях вне тела и противодействиям сил напряжения. Гибкие инструменты могут управляться меньшими роботизированными системами, что облегчит их использование в операционных и внедрение в существующие схемы лечения. Однако разработать подходящие гибкие хирургические инструменты сложная задача.

Миниатюрные размеры инструментов

Одно из главных препятствий – миниатюрный размер инструментов. Кабели передачи движения должны проходить через все компоненты и точки крепления с минимальными помехами для движения. Кроме того, в некоторых инструментах необходимо наличие рабочего канала для подачи воды или кабеля электрического тока.

  • Решение. Пример успешного решения проблемы миниатюризации – гибкий манипулятор для офтальмологической роботизированной системы. Инструмент имеет диаметр 1.8 мм с центральным рабочим каналом в 1 мм. Приводные кабели имеют диаметр в 110 мкм и проходят через каналы в 150 мкм. К каждому манипулятору подходят, по крайне мере, 4 таких кабеля, что делает необходимым включение большого количества элементов в очень узкое пространство.

Трение между элементами

Поскольку робот уменьшается в размерах, то проблема трения между отдельными механическими элементами стает очень важна. Для гибких инструментов трение между кончиком инструмента и передающим механизмом должно быть минимальным, что является гарантией точности и быстроты передачи движения.

  • Решение. Одним из возможных решений является создание шарнирных соединений вместо скользящих. Сила сопротивления значительно меньше, когда элементы вращаются один против другого. Однако шарнирное соединение затрудняет линейное движения при изгибах. Длина приводящих кабелей должна изменятся с различной скоростью и диапазоном для точного движения. Только сложный компенсаторный механизм обеспечивает необходимую степень движения.

Высокая стоимость

Еще одно препятствие – разработка методики, которая позволила бы создать миниатюрные детали за приемлемую цену. Сейчас для этих целей используется дорогая технология точной микрообработки, которая обеспечивает ювелирность работы и постоянство характеристик элементов.

Несколько слов необходимо сказать и о материале миниатюрных манипуляторов. Было бы естественно предположить, что оптимальным материалом для приводящего механизма будет нержавеющая сталь, титан или вольфрам. Однако стальная проволока диаметром в 100 мк, которая кажется гибкой в макромасштабе, не обеспечивает плавное передвижение кончика инструмента. Кроме того, контакт металла с металлом не способствует разрешения проблемы трения и электризации.

  • Решение. Альтернативой могут стать полимерные нити. Гелеобразный полиэтилен имеет незначительный вес, обладает исключительной твердостью и гибкостью. Но тут возникают другие проблемы. Полимер состоит из множества микрофибров, которые трудны в обработке и легко ломаются.

Сложность сборки

Сборка – еще одна задача для миниатюрных роботов. Как провести кабеля диаметром в 110 микрон через ряд микроотверстий?

  • Решение. Сейчас разрабатываются монтажные приспособления, которые упрощают процесс сборки, и предотвращают повреждения нежных микроскопических элементов.

На пути эволюции роботов-хирургов стоит еще много препятствий, но большинство экспертов сходятся во мнении, что процесс миниатюризации неизбежен. Инновационные технологии скоро позволят создать универсального помощника хирурга.