Может ли робототехника трансформировать медицинскую отрасль?
Несмотря на то, что существует множество приложений для робототехники, ориентированных на медицину, долгосрочные перспективы их использования неочевидны.
Во многих отраслях промышленности понимают влияние робототехники — и медицина не является исключением.
Хотя внедрение этой технологии в медицину происходит медленнее по сравнению с другими отраслями, воздействие может быть огромным: робототехника в медицине может помочь уменьшить человеческие ошибки, сократить время восстановления и сократить пребывание в больнице, в конечном счете, повысить качество жизни пациентов.
Первое медицинское роботизированное приложение появилось в 1985 году. Тогда роботизированная хирургическая рука помогала сделать биопсию в нейрохирургиии. Пятнадцать лет спустя появилась первая полностью одобренная FDA система (известная как хирургическая система da Vinci) для лапароскопической хирургии. Система позволяла хирургам контролировать хирургические манипуляции косвенно через консоль.
Сегодня компании используют достижения в области данной технологии для разработки новых роботизированных приложений медицины будущего, в том числе, связанных с бионикой, обнаружением заболеваний и реабилитацией.
Например, Компания Neuralink Элона Маска, работает над разработкой передовых технологий для протезирования конечностей. Автогигант Toyota разрабатывает решения для обслуживания стареющего населения, в то время как Johnson & Johnson инвестирует значительные средства в медицинскую робототехнику.
Попытаемся выяснить, соответствует ли реальность этим большим амбициям, и когда медицинская робототехника начнет выходить в мейнстрим.
Технологии бионики: от бионических частей тела до микророботов, в форме таблеток, которые можно проглотить, роботы приходят в нашу жизнь и могут изменить привычную медицину.
РОБОТЫ В ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
Когда дело доходит до хирургии, робототехника в основном служит высокотехнологичным хирургическим помощником, который может помочь врачам выполнять минимально инвазивные операции — особенно в труднодоступных областях.
Большинство этих систем, одобрены FDA и классифицируются как хирургический робот-ассисент (RAS). Они позволяют хирургам выполнять операции с помощью консоли, которая управляет хирургическими руками, камерами и другими инструментами, непосредственно осуществляющими процедуру.
Применение систем RAS приводит к уменьшению размеров разрезов, снижению вероятности кровопотери и инфекций, уменьшению боли и осложнений у пациентов.
Учитывая эти преимущества, хирургические роботизированные системы широко используются в последнее десятилетие.
Примечательно, что один из самых популярных роботизированных инструментов также является одним из старейших: хирургическая система da Vinci. Тем не менее, появляется все большее количество конкурентов на сцене.
РЕВОЛЮЦИЯ В ОРТОПЕДИИ
Системы RAS готовы оказать значительное влияние и на ортопедию.
Эта «роботизированная революция» началась всерьез в конце 2013 года, когда фирма по медицинским технологиям Stryker купила Mako Surgical, производителя устройств для операций по замене колена и тазобедренного сустава, за $1,65 млрд.
Робот замены колена Мако. Источник: Новости MedCity
Система Мако может создать 3D модель сустава на основе компьютерной томографии, что позволяет хирургу заранее планировать работу для каждого отдельного пациента. Модель загружается в систему и при необходимости корректируется. После того, роботизированная рука устанавливает угол и плоскость хирургических пил и предотвращает слишком глубокие разрезы.
В 2018 году система Mako осуществила почти 80 000 операций по замене колена и тазобедренного сустава в более чем 650 локализаций.
Т.к. потенциал очевиден, гонка вооружений в ортопедии продолжается. А некоторые из самых крупных компаний в отрасли работают над созданием более эффективных и меньших устройств для оказания помощи хирургам и улучшения результатов, при этом они являются более эффективными с точки зрения затрат. Для справки: устройство Мако стоит приблизительно 1 млн. долл. США.
Один из брендов, который был большим игроком в медицинской робототехнике, является Johnson & Johnson. Несмотря на то, что за последние несколько лет компания сделала значительные инвестиции в медицинскую робототехнику, ортопедия является основным направлением деятельности. Стремясь создать прямого конкурента системе Mako, компании Johnson & Johnson DePuy Synthes приобрела основанную в Париже компанию Orthotaxy, которая создала прототип хирургического робота размером с обувную коробку для помощи при операциях на колене. Его небольшой размер (и небольшая стоимость) может быть преимуществом на рынке. Johnson & Johnson обещают выпустить окончательный вариант в 2020 году.
Количество операции на колене и тазобедренном суставе растут и представляют собой один из самых перспективных рынков для робототехники — особенно для небольших, менее дорогостоящих роботов, с помощью которых можно выполнять амбулаторные операции. Этот вариант является более рентабельными, чем пребывание в больнице.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДО И ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ
Еще одной компанией, которая играет не последнюю роль на рынке медицинской робототехники, является Smith & Nephew, британская компания по производству медицинского оборудования.
В начале 2019 года Smith & Nephew приобрела компанию Brainlab, которая разрабатывает и создает медицинские технологии на основе программного обеспечения для ортопедов.
Технология позволяет врачам разработать план для каждой операции по протезированию от предоперационного планирования до послеоперационной оценки. В настоящее время эта технология используется в 500 учреждениях.
NAVIO robotics-assisted surgical system. Источник: Smith & Nephew
Smith & Nephew стремится интегрировать технологию Brainlab в свою портативную систему хирургии колена NAVIO, приобретенную за $275 млн в 2016 году. Эта система предназначена для хирургов для большей точности манипуляций во время операции без необходимости предоперационной визуализации, такой как компьютерная томография.
Объединив системы и технологию рабочего процесса с роботизированными устройствами, Smith & Nephew стремится расширить возможности помимо операций на колене и планирует открыть центр исследований и разработок в Питтсбурге, который будет заниматься искусственным интеллектом, машинным обучением с помощью робототехнических систем.
Johnson & Johnson также проявляет интерес к этой области, поэтому объединилась с Alphabet Life Sciences для создания стартапа по роботизированной хирургии Verb Surgical. Обе компании поставили цель объединить опыт разработки программного обеспечения Verily’s и линейку продуктов Johnson & Johnson для создания программных инструментов, которые работают с роботизированными устройствами.
ИЗУЧЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ХИРУРГИИ
Еще одним интересным событием в роботизированной хирургии является способность врачей выполнять минимально инвазивные процедуры удаленно.
Первая полная удаленная операция была проведена в 2001 году, когда хирург из Нью-Йорка использовал роботизированную хирургическую систему Zeus для удалённого удаления желчного пузыря пациента во Франции. С тех пор многие компании открыли для себя направление «телехирургия», но эта технология в настоящий момент не развивается.
Одним из примеров здесь является Corindus, компания по робототехнике для коронарных вмешательств, которая подняла инвестиционный раунд серии A за 25 миллионов долларов в 2018 году. С помощью системы Corindus CorPath врачи в Индии смогли поместить стент в заблокированную артерию для пяти пациентов, находящихся друг от друга на расстоянии 20 миль.
Возможность дистанционной телехирургии в настоящее время изучается клиникой Майо, хотя технология остается в стадии зародыша. Некоторые из проблем удаленной хирургии включают необходимость точной дистанционной тактильной обратной связи (обратной связи, связанной с ощущением прикосновения), чтобы помочь хирургам понять силу воздействия (нажима). Это необходимо для выполнения манипуляций, но трудно понять и воспринимать с экрана монитора.
В перспективе удаленная хирургия с помощью робота может быть особенно полезна для таких случаев, как оказание помощи в эпицентре военных действий или в будущем для длительных космических полетов
РОБОТЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАБОЛЕВАНИЙ
В 1895 году рентгеновские снимки изменили медицину, предложив врачам мощный инструмент, помогающий им диагностировать болезни и травмы. В последнее время такие технологии, как УЗИ, КТ и МРТ, позволили врачам выявлять заболевания и делать новые открытия.
Сегодня многие исследователи находятся в поиске разработок для следующего большого прорыва: создание микроскопических ботов, которые могут путешествовать внутри человеческого тела, или роботов для диагностики заболеваний, выявления аномалий или выявления потенциальных пациентов с риском.
РОБОТЫ, КОТОРЫЕ ВЫ МОЖЕТЕ ПРОГЛОТИТЬ
Капсульная эндоскопия была одобрена FDA и используется с 2001 года. Процедура включает в себя помещение крошечной камеры внутри корпуса размером с таблетки. «Таблетка» глотается пациентами, и пока она проходит через желудочно-кишечный тракт, камера делает снимки, которые врачи могут использовать, чтобы определить, есть ли аномалии.
Хотя это относительно простой способ осмотреть внутреннюю часть желудочно-кишечного тракта, врачи всецело зависят от того, как таблетка проходит через систему пациента. Они не могут пока контролировать движение таблетки и какие снимки сделаны.
Есть новая технология, которая позволяет врачам управлять движением пилбота с помощью пульта дистанционного управления.
Одна из лабораторий, разрабатывающих эти микроботы, — Лаборатория медицинской робототехники в Университете Бен-Гуриона. Разработанные ею таблетки-микроботы позволят врачам контролировать его движение, исследуя конкретные области в отличие от пассивного перемещения по телу. Это предполагает новый уровень диагностической возможности.
Если эта технология будет иметь успех, то и другие потенциальные виды применения, включающие использование микророботов для проведения биопсии или доставки медикаментозного лечения в определенные области тела, будут использоваться.
ДИАГНОСТИКА ЗАБОЛЕВАНИЙ ЛЕГКИХ
Легкие являются одной из наиболее сложных областей тела для диагностики. КТ и МРТ полезны при поиске потенциальных образований, но врачи не могут определить, является ли что-то безвредным или потенциально опасным образованием, не сделав биопсию. Большинство операций на легких сложны и сопряжены с болезненным процессом выздоровления для пациентов.
Стартапы и технологические компании находятся в поиске решений этой задачи. В 2019 году Johnson & Johnson приобрела Auris Health, разработчика хирургических роботов за 3,4 млрд. долларов.
The Monarch controller. Источник: Аурис
Одобренная FDA система под названием «Monarch» направлена на оказание помощи врачам в выявлении и лечении заболеваний легких. Система Monarch позволяет врачам управлять гибким бронхоскопом, оснащенным небольшой камерой для навигации по дыхательным путям легких, а также собирать изображения легких и образцы тканей. По сравнению с другими современными технологиями, он менее инвазивный, как правило, более надежный и способен исследовать больше площади легких.
Ранние результаты, основанные на небольшой выборке пациентов, были многообещающими, при этом система «Monarch» успешно позволяла выполнить биопсию в 92% случаев.
Johnson & Johnson надеется, что эта система может быть использована как для предварительного скрининга, так и для лечения заболеваний легких и рака, избегая или уменьшая необходимость хирургического вмешательства.Хотя все эти боты показали перспективность в диагностике, это еще находится на ранней стадии испытаний.
БИОНИЧЕСКИЕ КОНЕЧНОСТИ КАК ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА, ТАК И ДЛЯ РОБОТОВ
Стартапы и компании, участвующие в бионике, сегодня стремятся создать протезы (для конечностей), которые фактически работают как человеческое тело.
БОЛЕЕ ДОСТУПНОЕ ПРОТЕЗИРОВАНИЕ
Создание облегченных и недорогих протезов часто упускается из виду, хотя это может иметь большое значение, особенно для детей, которым необходимо протезирование.
Дети часто перерастают свои протезы, и требуется большое количество времени, трудностей, финансовых расходов, связанных с переустановкой.
Открытая рука Бионики (Open Bionics arm.). Источник: TechCrunch
Одной из компаний, специализирующихся непосредственно на этом рынке, является Open Bionics, британская фирма, которая пытается сделать протезирование более доступным. Недавно компания завершила инвестиционный раунд серии A и собрала чуть меньше 6 миллионов долларов США.
Open Bionics использует технологию 3D-печати для создания своей «hero arm», которая теперь доступна для продажи по всей Европе и США. Легкие бионические руки могут подобрать небольшие предметы и удерживать их.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В то время как протезирование уже давно является функциональным, это не дает пользователям реального «ощущения», которые они получили бы с конечностями. Захват и удержание предметов возможны, но некоторые компании хотят связать протезирование с нервной системой и мозгом.
Bios является одной из компаний, изучающих, как нейронные технологии могут влиять на бионику. Основанный в Англии стартап по нейронной инженерии, который недавно привлек 4,5 млн долларов в посевном раунде, ищет способы создания нейронных связей между телом и протезами конечностей.
Основная технология, которую компания реализует, была названа «USB-разъем для тела». Эта конструкция, называемая устройством протезирования (PID), позволит пользователям подключать протез непосредственно к своей нервной системе. Таким образом, пользователи могут контролировать протезы своим мозгом. В ближайшее время PID будет проходить клинические испытания.
Имплантация чипа непосредственно в мозг человека кажется слишком фантастическим прямо сейчас. Илон Маск утверждает, что этого не будет и в будущем. Его стартап Neuralink изучает способы использования сигналов мозга для координации с протезами.
Пользователям этой системы имплантируют микросхему BCI (Brain-Computer Interface), а затем попытаются связать BCI непосредственно с протезом для интерпретации движений.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОБОТЫ
Коллаборатиные роботы, или коботы — роботы, разработанные для работы вместе с человеком — это еще одна область, где бионика активно продвигается.
Коботы все чаще используются в промышленных и заводских условиях, предоставляя людям возможность безопасно взаимодействовать с роботами, так как многие крупные промышленные установки с функциями робота не проектируются с учетом такого взаимодействия. Например, роботизированная рука может легко раздавить человеческую руку, если она неправильно откалибрована для передачи предмета.
Festo, немецкая компания, создала BionicSoftArm и BionicSoftHand с целью использования их в качестве коботов. Продукция изготавливается с использованием мягких материалов для робототехники (наполненных воздухом или заполненных жидкостью ), что делает их более легкими, гибкими и способными более безопасно взаимодействовать с людьми.
РОСТ РЕАБИЛИТАЦИОННЫХ РОБОТОВ
Связанные с бионикой реабилитационные роботы используются и в медицинской промышленности. Например, чтобы помочь пациентам восстановиться после ударов и других травм мозга, а также помочь пользователям восстановить силу, координацию и ловкость.
Поскольку население стареет, люди живут дольше, повышение качества жизни и сокращение времени восстановления после травм становится все более важным для пожилых людей. Глядя на растущую гериатрическую популяцию есть необходимость в реабилитационных роботах.
Мировой рынок роботов, используемых в реабилитации, оценивается в болле чем $2 млрд., согласно отраслевому аналитическому отчету CB Insights.
РЕШЕНИЯ ДЛЯ СТАРЕЮЩЕГО НАСЕЛЕНИЯ
Toyota является одним из крупнейших игроков на рынке реабилитационных роботов, отчасти вызванным старением населения Японии.
Источник: Toyota
Один из таких роботов является Welwalk WW-1000 -система экзоскелета, построенная на беговой дорожке. Эта система была одобрена в Японии в 2016 году для реабилитации пациентов после инсульта. Некоторые исследования показывают, что она может значительно увеличить темпы выздоровления по сравнению с традиционными методами.
Компания Toyota имеет амбициозные цели — разработка роботов для социальных целей в поддержке пожилых людей и выполнения простых задач, например, доставка бутылки воды.
НАЧАТЬ РЕАБИЛИТАЦИЮ РАНЬШЕ
Реабилитация — это только начало процесса восстановления, но она может иметь жизненно важное значение для психического и эмоционального здоровья пациента, а также для его физического благополучия. Чем раньше начата реабилитации у пациентов, тем меньше время пребывания в больнице, лучше двигательная динамика, меньше отеков и снижение боли в долгосрочной перспективе.
Источник: Movendo Hunova
Одним из примеров робота, предназначенного для ранней реабилитации, является система Hunova Movendo Technology. Одобренный FDA робот был недавно установлен в MossRehab, реабилитационном центре в США, который фокусируется на реабилитации с помощью роботов. Hunova применима и в качестве реабилитационного инструмента, и системы мониторинга, которая отслеживает перемещения пациентов, предоставляя клиницистам информацию в режиме реального времени.
Робототехника может помочь пациентам двигаться быстрее, без необходимости в нескольких медицинских специалистах. Это особенно полезно для тех, кто серьезно травмирован или полностью обездвижен.
В Германии применяется реабилитационная система VEMO, которая предназначена для того, чтобы помочь началу реабилитации пациентов, пока они остаются прикованными к постели в отделении интенсивной терапии Робот-ассистент помогает перемещать ноги лежачих пациентов, чтобы они могли выполнять упражнения по реабилитации.
Компании, разрабатывающие эти устройства, надеются использовать эту технологию, чтобы предложить пациентам индивидуальный уход. Роботы могут помочь медицинским специалистам сосредоточиться на реабилитации на более раннем этапе, что может привести к сокращению времени нахождения пациента в больнице.
ДРУГИЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИДЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОВ В МЕДИЦИНСКИХ УСТАНОВКАХ
Роботы используются не только для медицинских процедур в больницах. Существует ряд других применений, которые роботы уже выполняют, от общения между врачами и пациентами до стерилизационных помещений.
ЧИСТОТА ПРЕДОТВРАЩАЕТ ИНФЕКЦИЮ
Стерилизация имеет решающее значение для больниц. Клиническая инфекция (HAI) и хирургическая инфекция на местах (SSI) у пациентов может увеличить продолжительность пребывания в больнице и обходиться в миллиарды ежегодно, согласно CDDEP. Роботы, которых можно использовать в уборке, могут с этим помочь.
Источник: The Center For Disease Dynamics, Economics & Policy
Purple Sun и Xenex являются двумя компаниями, предлагающими боты для уборки, которые используют ультрафиолетовый свет для уменьшения патогенов, обнаруженных в больницах. Одно недавнее исследование показало, что УФ-свет может устранить почти 98% патогенов, обнаруженных в операционных.
Компания Xenex, которая утверждает, что работает в более чем 400 больницах США, разработала робот «germ zapping», который использует УФ-технологию для очистки больниц и оборудования.
Компания PurpleSun, базирующаяся в Нью-Йорке, недавно объединилась с Northwell Health для внедрения своей технологии УФ-очистки во всей больничной системе Northwell.
РОБОТЫ- КУРЬЕРЫ ДЛЯ ОСОБОЖДЕНИЯ МЕДИЦИНСКОГО ПЕРСОНАЛА
Доставка — это еще одна область, где робототехника может применяться. Роботы могут быть использованы для доставки материалов, медикаментов. Это позволит сократить время ожидания лекарств и результатов тестов, а также использовать дополнительных функции, чтобы медицинские специалисты могли сосредоточиться на других приоритетах по уходу за пациентами.
Робот Мокси. Источник: Diligent Robotics
Компания Aethon разработала буксир, самоуправляемый робот Tug , который служит в качестве модифицированной службы доставки для врачей и медсестер в больницах и может быть создан для транспортировки всего, от постельного белья до медикаментов и результатов тестов.
Медицинский центр Калифорнийского университета в Сан-Франциско был одним из основных испытательных мест для Tug — в 2015 году было приобретено 25 из них.
Diligent Robotics с Moxi делают свой бот, поддерживаемым AI роботизированным помощником, который может выполнять задачи, не связанные с пациентами, для врачей и медсестер.
Moxi также имеет роботизированную руку для выполнения простых задач, таких как сбор коробок. В настоящее время Moxi работает в несколько ограниченном объеме: в основном в ночное время и может доставлять заранее установленные предметы и материалы, необходимые для приема пациентами, врачам и медсестрам.
Основная цель применения роботов, таких как Moxi, состоит в выполнении конкретных периодических задач, например: уборка грязных простыней каждое утро. Кроме этого, они могут помочь в выполнении вспомогательных задач, основанных на потребностях отдельных пациентов в соответствии с их электронной медицинской картой.
ОБЩАТЬСЯ ИЗ ЛЮБОГО МЕСТА
Еще одна нехирургическая область, в которой предполагается рост - это разработка роботов для удаленной работы Эти роботы позволяют медицинским специалистам общаться с пациентами дистанционно.
InTouch Healthcare создала Dr. Robot в 2003 году. Робот, который работает через Интернет или беспроводные системы, имеет видеоэкран, установленный на нем, чтобы пациенты и врачи могли дистанционно общаться “face to face".
Он также может отслеживать и двигаться самостоятельно, возможно, даже переходить из комнаты в комнату, чтобы делать «обходы», как это делал бы врач в больнице.
По этому направлению внимание на себя обратил стартап Ava Robotics, который вышел из Roomba-maker iRobot. Компания разработала робота, который может подключаться к встроенной системе конференц-связи Cisco и использует технологию iRobot для отображения и маневрирования через комнату самостоятельно.
Источник: Ava Робототехника
Этот тип робота может улучшить доступность получение медицинской помощи для пожилых пациентов, а также для тех, кто живет в отделенных местностях.
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РОБОТОТЕХНИКИ В МЕДИЦИНЕ
В то время как роботизированные приложения в медицине продвигаются вперед, эти технологии сталкиваются с препятствиями на пути внедрения.
Небольшое исследование, основанное на данных FDA о хирургических роботах 2015 года, показало, что «несмотря на широкое внедрение роботизированных систем для минимально инвазивной хирургии, во время процедур все еще наблюдается незначительное количество технических трудностей и осложнений».
В исследовании было упомянуто, что надежды на роботов не являются рискованными. Ниже приводятся некоторые из наиболее актуальных проблем.
Денежные и временные расходы: Одним из больших препятствий, с которыми сталкиваются многие робототехнические компании, является стоимость машин. Например, создание роботов, которые могут точно воспроизвести способ перемещения рук, запястья и пальцев хирурга, является дорогостоящей разработкой. Одна машина-робот может стоить медицинскому учреждению более 1 млн долларов.
И это не включает стоимость обучения, необходимое врачам и медсестрам для управления этими устройствами. Для некоторых устройств сертификация может потребовать много времени.
Регулирование и ответственность: Медицинское нормативное регулирование является еще одним камнем преткновения для многих стартапов и брендов здравоохранения. FDA должно утвердить робототехнические устройства для использования на людях, процесс, который требует длительных и дорогостоящих испытаний.
Есть и вопросы ответственности, которые необходимо рассмотреть. Если робот неправильно сделает диагностику пациента, кто будет виноват? Чем больше автономных роботов становятся, тем более острыми становятся вопросы о последствиях ошибок.
Вопросы конфиденциальности: Пользователи также могут беспокоиться о конфиденциальности. По мере того, как все больше ботов снабжаются искусственным интеллектом, компании, которые их разрабатывают, будут иметь доступ к миллионам медицинских данных пациентов.
Непроверенная технология: Отсутствие данных может осложнить дальнейшее внедрение. В то время как применение многих медицинских роботов выглядят многообещающим, на самом деле не так много данных об экономической эффективности в долгосрочной перспективе.
Этические проблемы: Есть сомнения о целесообразности использования технологии телеприсутствия. Этические проблемы, связанные с использованием роботов, принимают различные формы: от страха по поводу ограниченной неприкосновенности частной жизни до опасения, что использование роботов лишает пациентов возможности общения с людьми — то, что многие медицинские специалисты считают жизненно важным для ухода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нет сомнений в том, что медицинская робототехника будет развиваться.
Есть ряд достижений в области робототехники в медицинской области, которые могут улучшить качество лечения и результаты для пациентов, включая такие преимущества, как менее инвазивные операции, более информированные диагнозы, интуитивное протезирование и более быстрая реабилитация.
Тем не менее, все еще существует ряд препятствий, которые необходимо преодолеть для того, чтобы эти технологии применялись для ухода за пациентами в долгосрочной перспективе. Помимо сложных и зачастую дорогостоящих НИОКР, компаниям в этой области придется учитывать такие факторы, как нормативное регулирование, ценообразование и подготовка медицинских специалистов, не говоря уже об эмоциональных и этических соображениях в такой чувствительной области, как медицина.
Робототехнические технологии могут принести огромную пользу в здравоохранении, но нет единого мнения все ли проблемы преодолены для обеспечения долгосрочного практического применение данной технологии.
Источник: https://www.cbinsights.com/research/robotics-medicine-disruption