Robotok diadalmenetben A sebészrobotika első 20 éve Haidegger Tamás Orvosi Informatika Laboratórium, BME IIT ROTARY CLUB BUDAPEST-BUDAVÁR 2011.05.25. Budapest szálló
Kép: Edaya Orvosi motiváció 2 Minél több lézió gyógyítása A műtét közbeni hibák csökkentése 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.
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/ ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
Új paradigma 4 Távsebészet Információ MIS/nyílt műtét Pre-op tervezés Intra-operatív navigáció Szimuláció és bemelegítés Szenzorfúzió Forrás: Joel Jensen, SRI International, Menlo Park, CA Robot-asszisztencia
Leggyakoribb elnevezések 6 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
Számítógéppel integrált sebészet 7 [Taylor et al. 2008]
Sebészrobotok 8 Közvetlen irányítású robotok Fél-automata eszközök Teleoperációs manipulátorok Fotó: Nanyang University Fotó: University of Calgary Fotó: Integrated Surgical Systems Inc. ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
A kezdetek 9 A kezdetek 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 Fotó: Integrated Surgical Systems Inc. 1992 ROBODOC (Curexo Inc.) Integrated Surgical Systems Inc. Első ortopédiás robot (~IBM Scara) 1993 RAMS (NASA) Szemsebészethez Komlett teleoperáció
Credit: Accuray Inc, Imperial College, SIEMENS Ipari robotok nyomában 10 1985 első agyi biopszia Unimate PUMA 220 Acrobot (Imperial College,UK) Unimate PUMA 560 teljes térdprotézis Cyberknife (Accuray Inc.) Robotizált rádiósurgery KUKA karon LINAC forrás SIEMENS zeego 3D rekonstrukció C-arm-mal
A hadsereg motivációja DARPA projekt 11 DARPA (Defense Advanced Research Projects) ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
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 13 master <---> slave ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
Komplett teleoperációs rendszer 14 2009 da Vinci Si
A da Vinci sebészeti rendszer 15 Intuitive Surgical Inc. 1900 rendszer, 600 000 operáció, 120 beavatkozástípus $1.5 M bekerülési költség $2K /eszköz (10 alkalom) $100K éves szervízdíj
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% ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
AESOP és ZEUS 17 Computer Motion Inc. AESOP & ZEUS 1994 AESOP-2000 2001 Zeus teleoperációs rnedszer 2003 ellenséges felvásárlás (Intuitive) 148M USD Fotó: Computer Motion Inc. Fotó: Computer Motion Inc.
Fotó: ESA, NASA 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 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) 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
További koncepciók 19 Carnagie-Melon: HeartLander További koncepciók Scuola Sup. St. Anna: kapszula-robot DLR: MIROsurg rendszer USGI Medical: SILS eszköz neuroarm: MR kompatibilis JHU prosztata robot
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 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 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... ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 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 22 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
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 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25. 23
Credit: Kép: ISS CUREXO Inc. Inc. Hibakezelés CIS rendszereknél 26 Két alapvetően eltérő megközelítés A beavatkozás végrehajtásának pontosságát kell javítani,,human-in-the-loop irányítás A sebészre bízzuk a vezérlést Fejben végzi el a regisztrációt Regisztráció (kép) alapú Emberi felügyelet mellett MTA Műszaki ROTARY Tudományok CLUB BUDAPEST BUDAVÁR Osztálya tudományos 2011.05.25. ülés 2011.05.19.
Fotó: Renishaw 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: BrainLAB ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
Kooperatív sebészet 28 bészet 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)
Agyalapi fúrást végző robot a JHU-n 30 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
A kutatás háttere A kutatás háttere 31 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 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
Eltérő megoldások Eltérő megoldások 32 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+ ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
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) ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 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 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 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 ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
A robot validálása A robot II validálása II 38 Koponyán végzett tesztek Acousticus neuroma szimuláció Applikációs pontosság átlagos keresztmetszeti hiba: 1 mm maximum túlvágás: 2,5 3 mm ROTARY CLUB BUDAPEST BUDAVÁR 2011.05.25.
Összefoglaló CIS rendszerek terjedőben Sebészrobotika napjainkban 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