Ученые создали технологию передачи тактильных ощущений для роботов-хирургов
Первую отечественную интеллектуальную роботизированную систему копирования движений LevshAI («Левша») для дистанционных нейрохирургических эндоваскулярных операций представили ученые из компании «Нейроспутник». Она обладает тактильной обратной связью и возможностью предоперационного персонализированного 3D-моделирования. Аналогов этой разработке в России на данный момент не существует. Доклиническое экспертное тестирование успешно проведено ассоциацией эндоваскулярных нейрохирургов имени академика Ф. А. Сербиненко.
«LevshAI («Левша») широко использует искусственный интеллект до и во время операции, моделирует сосуды пациента в 3D-формате, корректирует дрожь пальцев, выявляет критические ситуации. Большинство роботизированных устройств не используют изоморфную тактильную обратную связь и не адаптируют устройство для удобства хирургов. Например, эндоваскулярная роботизированная система GRX (Corindus) для операций на сердце использует джойстики без тактильной обратной связи, которые требуют от хирургов переучивания. Поэтому разрабатываемая нами система уникальна, более удобна для медиков и безопасна для пациентов. Более того, в мире не существует систем для дистанционного проведения эндоваскулярных хирургических операций на головном мозге», – сообщила Александра Бернадотт, к.м.н., доцент кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС, генеральный директор компании «Нейроспутник».
Необходимость внедрения роботизации и мехатроники для реализации эндоваскулярной телехирургии назрела по ряду причин. Во-первых, она обеспечивает доступ к операции из любой точки мира. Поскольку количество опытных нейрохирургов ограничено, возникает необходимость проводить операции дистанционно. Во-вторых, позволяет защитить врача от воздействия рентгеновских лучей, так как при выполнении эндоваскулярных операций хирурги стоят близко к источнику излучения, который используется для визуального контроля хода операции. Кроме того, экосистема «Левша» позволяет отработать навыки на тренажере как в режиме обучения, так и в режиме персонализированной симуляции.
Отдельно следует сказать про помощь искусственного интеллекта (ИИ) в хирургической работе. Благодаря архитектуре системы копирования движений можно интегрировать ассистивные интеллектуальные модули в операционный процесс, что позволит снизить вероятность критических операционных осложнений.
Экосистема «Левша» предоставляет возможность 3D-реконструкции сосудов головного мозга и позволяет учитывать особенности конкретных пациентов, планировать операцию, изменять тактику во время хирургического вмешательства, минимизируя риск осложнений.
Особенность эндоваскулярной хирургии – минимальная инвазивность. Во время такого вмешательства микрокатетер перемещается по внутренним стенкам сосудов. Контролирующий блок системы «Левша» находится за пределами операционной, защищая медиков от радиации. Врач дистанционно с помощью специальных контроллеров приводит оперирующее устройство в движение. Оцифрованный сигнал с рук хирурга предоставляет интеллектуальному блоку зашифрованную информацию в виде команд для перемещения катетера и других инструментов.
Оперирующий блок копирует движения хирурга и перемещает катетеры и другие хирургические инструменты по сосудам головного мозга. Контролировать их движение помогает рентгенофлуороскоп и оптические датчики. Встроенный ИИ обрабатывает информацию и передает ее на визуальный блок управления «Левши».
Контролирующий и оперирующий блоки взаимодействуют друг с другом через Ethernet-соединение. Связь может быть как проводной, так и беспроводной. Модуль визуализации показывает рентгеновское изображение сосудов головного мозга пациента в режиме онлайн, позволяя хирургу контролировать перемещение. Для обнаружения скручивания и вибрации, используются пьезодатчики, расположенные вдоль катетера.
Данные из операционной подвергаются дополнительной обработке искусственным интеллектом (фильтрация шума, линеаризация сопротивления, удаление артефактов), чтобы обратная связь на стороне хирурга была максимально точной.
«Левша» максимально точно имитирует тактильную обратную связь, чтобы обеспечить кинестетическое ощущение, когда в сосуде головного мозга возникает механическое сопротивление или катетер упирается в стенку. Более того, хирург получает информацию о силе и направлении механического сопротивления визуально – в виде диодной шкалы.
Особое значение в экосистеме LevshAI имеет тренажер. Система оснащена обучающей программой, которая позволяет хирургам практиковаться на 3D-симуляторе и выбирать наилучшую тактику.
«Сначала с помощью изображений компьютерной или магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациента перед операцией воссоздается трехмерная архитектура сосудистой системы головного мозга. На этой базе создается 3D-реконструкция, которая интегрируется в симулятор, также разработанный нашей командой, – рассказывает Александра Бернадотт. – Это сложная математическая и алгоритмическая задача, требующая обучения искусственного интеллекта на обширном наборе данных».
В ближайшем будущем начнется этап клинических исследований в сотрудничестве с ассоциацией эндоваскулярных нейрохирургов имени академика Ф. А. Сербиненко. В перспективе, для ускорения восприятия информации устройством в критических ситуациях, разработчики внедрят интерфейс «мозг-компьютер», который распознает мысленные команды в 300 раз быстрее, чем движения.
О вузе
Университет науки и технологий МИСИС – ведущий вуз страны в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Опираясь на вековые традиции признанных в России и мире научных школ, современные образовательные технологии, университет ставит перед собой задачу внести максимальный вклад в развитие экономики за счет прорывных разработок и качественной подготовки специалистов. В научно-исследовательской деятельности Университет МИСИС концентрируется на таких приоритетных направлениях, как материаловедение, металлургия, горное дело, квантовые технологии, биоматериалы и биоинженерия, альтернативная энергетика, аддитивные и информационные технологии.
В вузе действует более 40 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. Университет сотрудничает более чем с 1600 крупнейшими компаниями России и мира, в его состав входит 8 институтов и 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В вузе более 22 000 обучающихся, 25% студентов – граждане 86 стран.
