بخشی از مقاله
ارزیابی و توسعه سامانه هاي جراحی رباتیک
چکیده
سامانه جراحی رباتیک1 در واقع استفاده از ابزاري است که با بهره گیري از بازوهاي رباتیک و سیستم هاي مکاترونیکی2 و توانایی ترکیب جنبههاي مختلف جراحی در یک مکان و یک زمان، حرکت دست جراح را بسیار دقیق به درون بدن بیمار منتقل کرده و تصاویر هنگام عمل را با استفاده از تکنیکهاي پیشرفته پردازش داده ها به صورت واضح و شفاف در اختیار جراح قرار میدهد و بدین سبب باعث افزایش سرعت، دقت و تمرکز و کاهش لرزش دست جراح درحین انجام عمل جراحی کم تهاجمی3 (اعمال جراحی با حداقل آسیب)، می شود.
در این نوشتار سعی شده است تا نحوه شکل گیري، بکارگیري و توسعه سامانه هاي جراحی رباتیک از ابتدا تا بکارگیري این سامانه ها جهت انجام اعمال جراحی از راه دور4 و حتی انجام اعمال جراحی رباتیک خودکنترل و هوشمند5 مورد ارزیابی قرار گیرد. در این میان به نحوه ساختار و نحوه تجاري سازي چندین نوع از رباتهاي جراح از جمله سامانه جراحی رباتیک ربات داوینچی6 نیز پرداخته شده است.
همچنین جهت بررسی نقطه نظرات جراحان در زمینه استفاده و کاربرد سامانه هاي جراحی رباتیک و ارزیابی و توسعه این حوزه از فناوري در کشور عزیزمان، پرسش نامه اي تهیه و در اختیار تعدادي از جراحان نمونه قرار داده شد و نتایج حاصل نیز در انتهاي نوشتار مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت.
کلمات کلیدي: سامانه جراحی رباتیک، جراحی کم تهاجمی، جراحی از راه دور، سامانه جراحی خودکنترل و هوشمند، ربات داوینچی.
.1 مقدمه
ربات یک ماشین (معمولا هوشمند) است که قادر است در شرایط خاصی که در آن قرار می گیرد، کار تعریف شده اي را انجام دهد و همچنین قابلیت تصمیم گیري در شرایط مختلف را نیز ممکن است داشته باشد]١.[ امروزه از ربات ها جهت انجام کارهاي پزشکی بخصوص در انجام اعمال جراحی نیز استفاده می شود.
جراحی نیز طبق تعریف فرهنگ پزشکی دورلند7، شاخه اي از پزشکی است که بیماري ها، آسیب ها و ناهنجاري ها را با روش هاي استفاده از عمل و دست درمان می کند]١.[ طی دهه هاي گذشته، جراحی با حداقل آسیب به بافت هاي سالم به عنوان یک گزینه جذاب براي فرآیندهاي جراحی باز رایج، پدیدار شده است.
١
جراحی رباتیک در بسیاري از کشورها تازه است و چالشی بزرگ در جراحی ایجاد کرده است. معرفی ربات جراح به اتاق عمـل یک کشف تکنولوژي همراه با کشف پزشکی در ایجاد روش جراحی جدیـد اسـت و سـبب بهبـود کیفیـت و نتیجـه جراحـی میشود]٢.[ عوامل متعددي شامل نبود دسترسی کافی، مشاهده دوبعدي، درك عمق کـاهش یافتـه، محـدودیت در قابلیـت مانور ابزار، کاهش چابکی و بازخورد لامسه اي1 تضعیف شده، همگی محدودیتهاي منحصر به فردي هستند که انجام جراحی توسط ربات ها را براي جراحان آموزش دیده در رویکردهاي باز سنتی، تبدیل به چالش نموده است.
ربات ها به دلایل جبران نمودن محدودیتهاي ذکر شده و همچنین به علت دارا بودن شرایط زیر در کاربردهاي پزشکی نیز قابل توجه هستند]٢: [
• دقت بالا در حد میلی یا حتی میکرو
• خستگی ناپذیر بودن
• افزایش ایمنی، بهره و کیفیت
• انجام همزمان چند کار در یک لحظه
• فراهم ساختن سیستمی متشکل از تجهیزات ارتباطی و شبکه
• امکان انجام کار از راه دور (جراحی از راه دور) و حتی خودکنترل و هوشمند سازي آنها
2. پیشینه بکارگیري سامانه هاي جراحی رباتیک در انجام اعمال جراحی
در یک نگاه کلی میتوان سیر تکاملی روش هاي بکارگیري ابزار جراحی را از روش جراحی باز (روش سنتی) تا روش جراحی نانو رباتیک2 را بصورت شکل (1) نمایش داد.
شکل :1 سیر تکاملی بکارگیري ابزارجراحی از روش جراحی باز (روش سنتی) تا روش جراحی نانو رباتیک]٣[
در روش جراحی باز محل جراحی دیده میشود و جراح به کمک وسیله کوچکی که در دست دارد و نیز دست خود، جراحی را انجام دهد؛می اما این شیوه شدیداً تهاجمی است، خطر خونریزي و عفونت زیادي دارد، دوره بهبود بیمار طولانی است، هزینه ها بیشتر است و بیمار باید مدت زیادتري در بیمارستان بماند و جاي زخم هم براي مدتها با او خواهد بود]٢.[ اما سالها پیش دانشمندان توانستند یک جایگزین براي این شیوه جراحی بیابند که اولین آناهاندوسکوپی3 و روش جراحی
٢
لاپاروسکوپی1 (که جراحی با حداقل تهاجم نامیده می شود و در آن جراحی شکم در مقایسه با برش هاي بزرگتر مورد نیاز در روش هاي جراحی مرسوم، از طریق برش هاي کوچک (معمولا 5 تا 10 میلی متر) صورت می گیرد.) است]٢.[ شکل (2) مقایسه بین جراحی به روش باز و جراحی به روش لاپاروسکوپی را نشان می دهد.
شکل :2 مقایسه جراحی به روش باز و جراحی به روش لاپاروسکوپی]٢[
اندوسکوپی نیز یک واژه کلی است و معنی آن دیدن درون بدن است؛ اما به کمک آن میتوان جراحی هم انجام داد. امروزه در این روش به جاي بازکردن محل جراحی، 2 یا 3 سوراخ ایجاد میکنند، از درون یکی ازهاآنیک اسکوپ2 به داخل بدن میفرستند]۴.[ در شکل (کاربرد(3 ربات نگهدارنده اسکوپ به جاي دستیار جراح3 نمایش داده شده است.
شکل 3استفاده: از ربات نگهدارنده اسکوپ به جاي دستیار جراح]۴[
در سال 1988، جراحی هاي کم تهاجمی با استفاده از دوربین هاي کوچکی که از طریق سوراخهاي کوچک وارد بدن بیمار شدند، انجام شدند]۴.[ در حال حاضر جراحی رباتیک با جراحی باز رقابت میکند و در جراحی رباتیک دیگر لرزش دست جراح وجود ندارد و حرکات اضافی کاهش پیدا کرده است]۵.[ در جراحی باز و لاپاروسکوپی، لرزشهاي دست جراح ممکن است خطرناك باشد ولی در روش رباتیک، دستگاه لرزشهاي دست را به ادوات جراحی منتقل نمیکند.
نانوربات4هاي جراح نیز در جراحی هاي مینیاتوري5، میتوانند از راه سیستم عروقی وارد بدن بیمار شوند یا میتوان آنها را مستقیما حتی با استفاده از تزریق مستقیم، وارد حفرات بدن کرد]۶.[ یک نانوربات به طریقه برنامهریزي شده یا تحت کنترل
٣
جراح میتواند نقش یک جراح نیمه مستقل را در محل مورد نظر ایفا کند. این وسیله میتواند به جستجوي آسیب بپردازد و به کمک رایانه و جراح ناظر آن را تشخیص دهد و با استفاده از فناوري نانو آن را ترمیم کند]۶.[ امروزه جراحیهاي نانوي اولیه در سطح سلول قابل انجامند]۶.[ این رباتهاي کوچک وقتی در ابزار جراحی ظریف به کار میروند پتانسیل بالایی دارند. در جدول شماره (1) مقایسه توانایی ها و محدودیت هاي انسان و ربات در کاربردهاي جراحی صورت گرفته است.
جدول شماره :1 مقایسه توانایی ها و محدودیت هاي انسان و ربات در کاربردهاي جراحی]۵[
ردیف جراح توانایی ها محدودیت ها
راي و تشخیص بسیار خوب خستگی پذیر و امکان کم دقتی
هماهنگی چشم و دست عالی وجود لرزش در حرکات ظریف
1 انسان جراح مهارت بسیار خوب (در مقیاس هاي طبیعی انسانی) محدودیت در توانایی دستی و مهارت در خارج از مقیاس هاي طبیعی
توانایی یکپارچه سازي و عمل بر اساس منابع اطلاعاتی مختلف دقت هندسی محدود و سختی استریلیزاسیون
رفتار ساده و داراي استعداد و توانایی هاي بالبداهه تاثیرپذیر از امواج رادیواکتیو و عوامل عفونی
دقت هندسی بسیار عالی راي و تشخیص ضعیف
خستگی ناپذیر و پایدار مشکل در انطباق با شرایط جدید
2 ربات جراح مقاوم در برابر تشعشعات زیان آور مهارت محدود
قابل طراحی براي عملکرد در مقیاس هاي متفاوت و بارهاي مختلف هماهنگی چشم و دست محدود
توانایی یکپارچه سازي اطلاعات از منابع مختلف جمع آوري شده توانایی محدود در یکپارچه سازي و تفسیر اطلاعات پیچیده
در جدول شماره (2) یک مقایسه زمانی بین روش جراحی سنتی با روش جراحی رباتیک صورت گرفته است.
جدول شماره :2 مقایسه زمانی بین روش جراحی سنتی با روش جراحی رباتیک]۵[
ردیف فاکتورها جراحی به روش سنتی جراحی به روش رباتیک
1 مدت زمان لازم جهت انجام عمل جراحی سه ساعت دو تا چهار ساعت
2 مدت زمان بستري بیمار در بیمارستان سه روز یک روز
3 مدت زمان اتصال بیمار به سوند فولی1 چهارده روز هفت روز
4 مقدار خون از دست رفته بیمار ششصد میلی لیتر کمتر از صد میلی لیتر
5 زمان لازم جهت بهبودي بیمار چهار تا شش هفته دو تا سه هفته
-1-2 سامانه جراحی رباتیک ربات داوینچی
در سال 1985، براي قراردادن یک سوزن جهت نمونهبرداري از بافت مغز با استفاده از راهنمایی سی تی1، رباتی به نام پوما2 مورد استفاده قرار گرفت]١٧,۵.[ در سال 1988، رباتی به نام پروبوت3 در امپریال کالج لندن ارائه شد که براي انجام عمل جراحی پروستات مورد استفاده قرار گرفت]١٧,۵.[ در سال 1992، ربات روبوداك4 از شرکت سیستمهاي یکپارچه جراحی5، به منظور تنظیم اتصالات دقیق در استخوان ران براي جایگزین کردن لگن ارائه شد]۵.[ توسعه بیشتر سیستمهاي رباتیک، توسط موسسه کامپیوتر موشن6 و با سیستمهاي جراحی رباتیک آندوسکوپیک خودکار براي تعیین بهینه موقعیت7 و زئوس8 و نیز اینتویتیو سرجیکال9 با نمونه اولیهاي از سیستم جراحی داوینچی انجام پذیرفت]۵١,٧.[
اولین سیستم داوینچی در سال 1999 به بازار معرفی شد و در ماه ژوئیه سال 2000 نیز سازمان غذا و داروي ایالات متحده10، سامانه جراحی داوینچی را براي عمل جراحی لاپاروسکوپی معرفی کرد]١٧,٧.[
از آنجا که عمل جراحی رباتیک از ترکیبی از سختافزار (تکنولوژي ابزار هدایت مچی) و نرمافزار (دید سه بعدي) استفاده میکند، جراح قادر به انجام برشهاي کوچکتر و ظریفتر خواهد بود. با کاهش زمان بستري بیماران، خطر ابتلا به عفونت و عوارض نیز کاهش یافته است. بیمار براي بازیابی یک بریدگی 3 سانتیمتري نسبت به زمانی که داراي یک برش با اندازه تقریبا ده برابر بزرگتر است، به زمان کمتري نیاز دارد. این سیستم جراحی از یک دوربین سه بعدي استفاده میکند که میتواند با کنترل صوتی و یا بصورت دستی زوم شود. این ویژگی نسبت به حالت بدون دوربین، تصویري بهتر را به جراحان ارائه میکند. از آنجا که جراح براي کنترل بازوهاي ربات از کنترل دستی استفاده میکند، دسترسی به بخشهایی از بدن را قبلاًکه غیرقابل دسترس شناخته شده بودند، افزایش داده است. طراحیرگونومیک11 به جراحان امکان میدهد که روي یک کنسول نشسته و دستانشان نیز در یک موقعیت راحت در مقابلشان قرار گیرد. این ویژگی تا حد زیادي موجب کاهش خستگی جراح میشود]۶١.[ شکل (4) مراحل پیشرفت جراحی از روش جراحی سنتی تا سیستم جراحی رباتیک داوینچی را نمایش می دهد.
شکل :4 مراحل پیشرفت جراحی از جراحی سنتی تا سیستم جراحی رباتیک داوینچی (از چپ به راست)]۶١[
۵
نسل اول از سیستم جراحی داوینچی، در سال 1999 ارائه شد که متشکل از یک کنسول جراحیرگونومیک، میز چرخ دار سمت بیمار با بازوهاي رباتیک تعاملی، یک سیستم بینایی با عملکرد بالا و ابزارهاي اختصاصی هدایت مچی1 بود]۶١.[ اولین سیستم داوینچی، با ارائه یک دید سه بعدي از داخل بدن بیمار به جراحان، بر محدودیتهاي لاپاروسکوپی سنتی غلبه میکندمدل. بعدي سیستم داوینچی، سیستم داوینچی اس (da Vinci® S™) بود که در سال 2006 معرفی شد]۶١.[ شکل (5) سیستم جراحیوینچیدا اس اچ دي را نمایش می دهد.
شکل :5 سیستم جراحی da Vinci S HD جهت ادغامندوسکوپ تریدي اچ ديو تکنولوژي رباتیک]۶١[
سیستم داوینچی اس آي (da Vinci® Si™)،جدیدترین نسل سیستم داوینچی است که در ماه آوریل سال 2009 ارائه شد]۶١.[ با سیستمهاي استاندارد و مدل اس جراح به طور مستقل کار میکرد؛ حتی در موارد پیچیدهاي که در آنها به طور معمول میبایست دو جراح در جراحی باز و یا حتی جراحی لاپاروسکوپی همکاري میکردند.
دریان،پا داوینچی اس آي براي پشتیبانی از دو کنسول عملیاتی در هماهنگی با یک سیستم سمت بیمار تکی، ساخته شد در واقع سیستم جراحیداوینچی اس آي یک کنسول دوگانه را ارائه میدهد که هم براي آموزش و هم براي همکاري مورد استفاده قرار میگیرد]۶١.[ شکل (6) سیستم جراحیوینچیدا اس آي کامل با کنسول هاي جراحی دوگانه را نمایش می دهد.
شکل ۶: سیستم داوینچی da Vinci Si کامل با کنسولهاي جراحی دوگانه پیشنهادي[16]
۶
.3 جراحی از راه دور
علاوه بر توجه به حوزه هاي مختلف پزشکی از راه دور1 نظیر معاینه و تشخیص از راه دور یا مشاوره با متخصصان سایر نقاط مختلف دنیا، جراحی از راه دور در اولیت بیشتري است]٨.[ در این حالت جراح به طور فیزیکی در نزد بیمار حاضر نیست و از طریق ابزارهاي ارتباطی قادر است یک عمل از راه دور را کنترل کند که استفاده از ربات جنبه جالب توجه و مهمی از کاربردهاي این روش را نشان می دهد. شکل (7) مفهوم جراحی از راه دور را نمایش می دهد.
شکل :7 مفهوم جراحی از راه دور]٨[
جراحی از راه دور شامل یک فرایند جراحی توسط یک جراح است که درجایی دور از بیمار قرار دارد]٨.[ سابقه جراحـی از راه دور به اولین کاربرد تجاري در لاپاروسکوپی باز میگردد. در واقع جراحی از راه دور با آمدن جراحـی لاپراسـکوپیک در اواخـر دهه 1980 امکان پذیر شد. این نوع از جراحی که به ریموت سرجري2 نیز شهرت دارد؛ پیچیده ترین و پیشرفته ترین کـاربرد فن آوري ارتباطات در سیستم پزشکی می باشد]٩.[ جراحی از راه دور مبتنی بر حضور دورادور و فیدبک لمسی3 است]٨.[
این نوع از جراحی این امکان را فراهم می کند که جراحان مجرب در هر جاي جهان عمل جراحی لازم را انجام بدهند. با استفاده از این ایده براي انجام یک عمل جراحی خاص می توان یک تیم از جراحان برجسـته را کـه در اقصـی نقـاط جهـان ساکن هستند گرد هم آورد، بدون اینکه نیازي به خارج شدن آنها از محل اقامتشان باشد یا در آموزش جراحی به دانشـجویان در هر نقطه از جهان می توان از این سیستم بهره برد. این روش به عنوان یکی از مهمترین گشایشهـا در پزشـکی در دهـه هاي گذشته مورد توجه قرار گرفته است. این نوع از جراحی با کمک کامپیوتر صورت می گیـرد، بنـابراین بـا توجـه بـه ایـن موضوع نقاط قوت کامپیوتر را می توان با تجربیات انسانی تلفیق نمود. در یک جراحی خاص بـازوي رباتیـک مـی توانـد اثـر لرزش طبیعی دست جراح را کم کرده و چالاکی جراح را بالا ببرد. همچنین می توان ورودي هاي اعمال شده توسط جـراح را با کامپیوتر آنالیز نمود و پس از پالایش دستورات، آنها را به بازوي رباتیک اعمال کرد]۵.[ اگر جراح بتوانـد یـک عمـل را از چندین متر دورتر انجام دهد پس مطمئنا از چندین هزار متر دورتر هم می تواند این کار را انجام دهد.
اگر چه جراحی از راه دور در ابتدا یک پیشرفت تکنولوژي به نظر می رسید اما یک محدودیت بزرگ براي ما ایجاد می کرد که می توانست به یک موقعیت خطرناك در طول عمل جراحی تبدیل شود که آن تاخیر در زمان4 بود]٨.[ هر چه فاصله بین پزشک و بیمار زیاد شود سرعت ارتباط با تجهیزات و مانیتورها کمتر میشود و در چنین شرایطی ممکن است پزشکان درگیر یک تاخیر بیست و پنج ثانیهاي روي مانیتورها شوند که همین ثانیههاي اندك در شرایطی خاص براي بیمار حکم مرگ یا زندگی را خواهد داشت]٨.[ در بسیاري از حالات، سیستمهاي مکاترونیکی و دوربینها، دستها و چشمهاي
٧
کنترل از راه دور جراح هستند و عناصر کلیدي عمل جراحی به کمک ربات محسوب میشوند. این سیستمهاي پیچیدهنوعاً شامل سه بخش هستند : یک یا چند بازوي خودکار (با چند درجه آزادي(1، یک کنترل کننده اصلی و یک سیستم حسی (نظیر تصویرها) که بازخورد را براي کاربر فراهم میکند]٨.[ بر اساس اطلاعات تصویري لامسه اي، صوتی و غیره بدست آمده، جراح بازو را با حرکت دادن کنترل کننده و با توجه دقیق به اثر آن، هدایت میکنداخیراً،. تمرکز اصلی و عمده بر روي انجام عملیات از راه دور از طریق اینترنت بواسطه قابلیت دسترسی، گستردگی و هزینه نسبتا اندك آن بوده است]۵.[ لذا در حال حاضر منظور از عملیات راه دور، همان تکنولوژي کنترل رباتها از طریق اینترنت میباشد. در شکل (8) ساختار کلی یک سیستم عملیات از راه دور نمایش داده شده است.
شکل :8 ساختار کلی یک سیستم عملیات از راه دور]٨[
همچنین انتقال اطلاعات در یک سیستم عملیات از راه دور در شکل (9) نمایش داده شده است.
شکل :9 انتقال اطلاعات در یک سیستم عملیات از راه دور]٨[
در این ساختار، اپراتور از طریق بازوي مصنوعی در طرف فرمانده با اعمال یک نیرو، فرمان خود را صادر میکند. با اعمال این نیرو، بازوي مصنوعی با سرعت معین حرکت میکند. این سرعت از طریق کانال ارتباطی به سیستم فرمانبر انتقال مییابد. بازوي مصنوعی فرمانبر به سیگنال سرعت دریافتی، پاسخ داده و نیرویی در محیط کار تولید میکنداین. نیرو مجدداً توسط کانال انتقالی به سیستم فرمانده فیدبک میشود. وقتی نیروي تماسی از طریق فرمانده به دست اپراتور منتقل میشود، به سیستم عملیات از راه دور مربوطه، اصطلاحاً سیستم دوطرفه گفته میشود. از دیدگاه فنی یک مدل فیزیکی (مدل شده به روش باند گراف(2، از سیستم عملیات از راه دور با پورت هاي ورودي و خروجی می تواند همانند شکل (10) باشد.
شکل :10 مدل فیزیکی سیستم عملیات از راه دور نمونه]١٠[
