¿Qué tan lejos estamos de crear cirujanos robóticos seguros y confiables?

Muy lejos, pero vendrá.

El Med Pod 720i representado en la película Prometheus fue capaz de realizar cirugías completas sin intervención humana, pero esto puede tardar entre 50 y 100 años:

Y sin embargo, muchos aspectos de la cirugía de robots ya están aquí. El sistema da Vinci ya puede realizar cirugías completas sin que el cirujano trabaje directamente con el paciente (http://en.wikipedia.org/wiki/Da_…):

Da Vinci todavía depende del cirujano para controlar todo, incluido el control directo del movimiento de las manos del robot, y eso seguirá siendo así durante mucho tiempo. La principal limitación es que la visión por computador y la tecnología de modelado espacial son demasiado frágiles, a pesar de 40 años de investigación.

El DARPA Grand Challenge demostró lo difícil que es hacer que una computadora conduzca un automóvil en una carretera, que es un camino delineado creado por humanos. La cirugía, por el contrario, es como conducir fuera de la carretera en un terreno blando y pulsante con visión nublada. La tecnología actual de visión por computadora simplemente no puede analizar confiablemente este tipo de entorno, y ciertamente no puede adaptarse a lo inesperado en tiempo real de la manera en que lo hace un cirujano.

Con el tiempo, la cirugía robótica se parecerá cada vez más a volar un avión a reacción: los sistemas informáticos se automatizarán cada vez más, pero los humanos seguirán allí para administrar e intervenir cuando las cosas no salgan según lo previsto.

Quiero prologar esta respuesta al señalar respetuosamente un nombre inapropiado que es desenfrenado en el campo conocido como ‘robótica quirúrgica’. A diferencia de lo que su nombre indica, la “robótica quirúrgica” no la realiza un robot.

(énfasis mío)
Wikipedia:
Un robot es un agente artificial mecánico o virtual, generalmente una máquina electromecánica guiada por un programa de computadora o un circuito electrónico . [1]

Merriam Webster:

  • Una máquina que se parece a un ser humano y realiza diversos actos complejos (como caminar o hablar) de un ser humano; también : una máquina similar pero ficticia cuya falta de capacidad para las emociones humanas a menudo se enfatiza
  • Un dispositivo que realiza automáticamente tareas complicadas a menudo repetitivas
  • Un mecanismo guiado por controles automáticos [2]

El estado actual de la técnica en ‘robótica quirúrgica’ es el Sistema Quirúrgico da Vinci [3].

Wikipedia:

El sistema da Vinci consiste en una consola de cirujano que normalmente está en la misma habitación que el paciente y un carro en el lado del paciente con cuatro brazos robóticos interactivos controlados desde la consola … El cirujano se sienta en la consola y mira a través de dos agujeros -D imagen del procedimiento, mientras tanto, maniobra los brazos con dos pedales y dos controles manuales . El sistema da Vinci escala, filtra y traduce los movimientos de las manos del cirujano en micromovimientos más precisos de los instrumentos , que operan a través de pequeñas incisiones en el cuerpo.

¿El da Vinci es un robot? No.

¿Qué tan lejos estamos de crear un cirujano robótico (seguro o inseguro)? Más allá de un aterrizaje de Marte humano.

La razón principal para esto es (quizás sorprendentemente) no técnica. La razón principal es que los dispositivos médicos invasivos están regulados extremadamente estrictamente por la FDA (por una buena razón). El resultado de esta regulación es que un dispositivo médico invasivo que no dependa de la manipulación física directa o el consejo de un médico humano sería virtualmente imposible de declarar seguro e igual a un humano. El riesgo de falla del dispositivo es demasiado grande. Incluso si la FDA lo aprobara en principio, ninguna empresa se atrevería a construirlo. (Ni siquiera Elon Musk.) Incluso si una compañía lo construyó, y logró milagrosamente el 99% de precisión, ningún cirujano apoyaría su uso. (No hay premios que adivinen por qué.) Sin el apoyo de un cirujano, lo más cerca que llegará a un cuerpo es un pavo congelado. (no del todo una broma, más sobre esto más adelante)

Estamos más cerca de que los robots planchen nuestra ropa, cocinen nuestras comidas y hagan los deberes, que meternos una aguja.

Digo que el problema no es técnico, porque hay un gran esfuerzo de ingeniería en el desarrollo de herramientas robóticas (y me refiero a realmente robóticas) para la cirugía. No estamos cerca de la cirugía cardíaca robótica, pero estamos técnicamente muy bien ubicados para realizar procedimientos invasivos relativamente menores. El punto clave no es la sensibilidad mecánica, la retroalimentación o la destreza: el da Vinci está cargado con estos accesorios, y solo necesita buscar en YouTube videos de extraños humanoides con ridículas capacidades físicas. El punto clave es la toma de decisiones . ¿Cómo podría un robot tomar decisiones plausiblemente (y las correctas) en un escenario médico?

Una modalidad médica establecida desde hace mucho tiempo que detecta un entorno físico es la imagenología médica. Por lo tanto, la mayoría de los esfuerzos para desarrollar un sistema quirúrgico verdaderamente autónomo es guiado por algún tipo de imagen anatómica, ya sea CT, MRI, ultrasonido u otros métodos. Sin embargo, las formas más potentes de imágenes en esta aplicación son aquellas que brindan visualización de imágenes en tiempo real , por lo que los métodos que requieren un tiempo significativo para la reconstrucción de imágenes como CT y MRI tienden a perderse con técnicas de imagen más rápidas como el ultrasonido.

Con las imágenes surge la necesidad de analizar estas imágenes de forma autónoma, es decir, el procesamiento de imágenes , y cuando se necesitan recopilar patrones de grandes conjuntos de imágenes procesadas e interpretar su significado clínico, eso es el aprendizaje automático y el big data . Pero espera, dices. Las imágenes médicas han existido por cien años. El procesamiento de imágenes no puede ser tan difícil cuando puedes comprar aplicaciones de iPhone por $ 0,99 que te hacen lucir gordo / delgado / atractivo. Y el aprendizaje automático y los macrodatos son lo que todas estas personas de Quora y sus brillantes nuevas empresas en el Valle no pueden dejar de hablar. ¿Entonces, cuál es el problema?

Dije antes que la razón no es técnica, pero eso no es completamente justo. La triste realidad es que todavía no estamos cerca de imitar la tasa de error de un cirujano humano que utiliza la tecnología actualmente disponible, incluso para procedimientos relativamente simples. Dije que necesitábamos un método de imagen rápido, eso es ultrasonido, pero si alguna vez ha visto un ultrasonido típico de embarazo, sabrá a qué me refiero cuando digo que la calidad de la imagen es bastante triste. La baja resolución y el ruido de moteado continúan limitando las aplicaciones de la técnica. Y una imagen de baja resolución es lo último que quieres que guíe a un robot con cosas puntiagudas.

Durante mis años de estudiante en 2009-2010, trabajé en un dispositivo robótico simple que fue diseñado para realizar una biopsia con aguja en un seno humano. El dispositivo obtendría datos de ultrasonido tridimensionales en tiempo real, interpretaría automáticamente las imágenes en menos de un minuto y realizaría una punción de aguja dirigida por computadora en la lesión objetivo sin intervención humana alguna. Una configuración de biopsia es mucho menos sensible al tiempo y técnicamente más desafiante que una aplicación de cirugía abierta, por lo que la idea no fue completamente absurda. Hicimos pruebas con una uva incrustada en una pechuga de pavo que simulaba una lesión cancerosa, y más tarde un pecho de cadáver humano. Nuestros resultados fueron buenos y publicables, y recibieron atención significativa de la prensa cuando salieron. Desafortunadamente, tuvimos dificultades para escalar a un escenario clínico real utilizando nuestros algoritmos simplistas. Hablé más sobre esto en una vieja respuesta aquí [4].

El aprendizaje de máquinas tuvo un gran avance médico el año pasado cuando los informáticos de Stanford desarrollaron una herramienta que podía interpretar imágenes microscópicas de los tejidos del cáncer de mama mejor que los patólogos humanos [5] (gracias a Jae Won Joh por mostrarme este increíble estudio hace unos meses). Sin embargo, tenga en cuenta que la calidad de imagen de la microscopía basada en histología es literalmente mil veces superior a la de las imágenes en tiempo real, pero la primera puede tardar horas, hasta días en prepararse, y aún está fuera de discusión para una cirugía. solicitud.

Así que estamos dando pequeños pasos en la dirección correcta, lo cual es totalmente asombroso pero desafortunadamente bastante inútil en el gran esquema de cosas (quirúrgicas). A veces me deprimo pensando en todas las personas brillantes que construyen aplicaciones de 0,99 dólares utilizando exactamente las mismas herramientas que podrían revolucionar la tecnología médica de vanguardia, pero esa es otra lata de gusanos. Otra vieja respuesta sobre esto aquí [6].

E incluso si

  1. descubrió y perfeccionó una modalidad de imagen de alta resolución, profundamente penetrante y en tiempo real
  2. dio las imágenes a un sofisticado algoritmo entrenado por miles de conjuntos de datos clínicos
  3. y pasó los resultados a un impresionante robot con brazos y dedos fuertes, diestros y sensuales
  1. ningún doctor lo recomendaría
  2. ninguna compañía de seguros lo cubriría
  3. nadie lo usaría

Es por eso que prácticamente toda la tecnología médica se centra en el desarrollo de herramientas para ayudar a los médicos, no para reemplazarlos. Los doctores son irremplazables. En cuanto a por qué, depende a quién le preguntes.

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Robot
[2] Definición y más del diccionario gratuito Merriam-Webster
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Da_
[4] Quora Respuesta del usuario a ¿Por qué el aprendizaje automático no se usa más ampliamente para diagnósticos médicos?
[5] http://www.eurekalert.org/pub_re
[6] Quora Respuesta del usuario a ¿Qué trabajos están disponibles para los ingenieros de software que desean avanzar en la investigación médica?

Para ser franco, estamos muy lejos de tener un cirujano completamente robótico. Soy un cirujano académico que trabaja en un departamento que es líder en robótica y simulación quirúrgica. Aunque la tecnología está ahí para fabricar máquinas increíbles que nos permiten utilizar robots para ayudar a la cirugía mínimamente invasiva, aún necesitamos un cirujano humano para operarla y decirle al robot qué movimientos hacer, etc. la capacidad de tomar decisiones durante una operación, reaccionando a un cambio en el campo operativo, saber cómo aplicar su conocimiento a un caso particular; esas cosas en este momento no tienen forma de automatizarse en el presente. Espero que responda tu pregunta.

La “cirugía de robots” se hizo interesante por primera vez con un proyecto DARPA / NASA de la década de 1990 para la cirugía remota . Este proyecto eventualmente se convirtió en el Sistema Quirúrgico Da Vinci.

Érase una vez, la enfermedad era el mayor enemigo de cualquier ejército. En tiempos de la Guerra Civil y antes, era mucho más probable que un soldado muriera de una enfermedad que heridas reales en el campo de batalla. Hoy, sin embargo, la hemorragia interna por heridas de bala y metralla es la mayor amenaza.

Un cirujano experto a menudo se encuentra a kilómetros de distancia de la línea del frente, por lo que la principal preocupación de la medicina de campo de batalla es el transporte: ¿podemos llevar al soldado herido al cirujano antes de que muera desangrado? Para combatir esto, a menudo se ve que las Fuerzas Armadas de los EE. UU. Dan a los soldados heridos la mayor prioridad para el transporte aéreo, a veces volando a un paciente a la mitad del mundo dentro de las 6 horas de la lesión. Si nos enfrentamos a un gran enemigo en la batalla (por ejemplo, los chinos), este método se vería abrumado rápidamente.

La idea detrás de la cirugía remota es tener una ambulancia blindada que contenga un cirujano robot que pueda ser controlado por un cirujano humano de cualquier parte del mundo. Por lo tanto, el sangrado interno podría coserse teóricamente tan pronto como el paciente se coloque dentro de la ambulancia, lo que reduce las horas de viaje.

La NASA cooperó con DARPA en el proyecto porque la tecnología podría ser utilizada con un astronauta en órbita. Los usos comerciales son obvios: imagine al mejor cirujano del mundo que puede operar a un paciente en Vail, Colorado, durante una gran tormenta de nieve, o en la Antártida, o incluso en un crucero en el medio del Océano Atlántico.

Ese es el sueño, de todos modos.

La cirugía remota se convierte en cirugía asistida por robot.

Finalmente, DARPA y la NASA dejaron de financiar el proyecto, probablemente porque el tiempo de latencia entre el cirujano y el robot puede crear problemas importantes. Una cosa es que su conexión a Internet se cuelgue al ver Netflix, y otra muy distinta es que se bloquee segundos después de que su cirujano le cortara la arteria femoral.

En teoría, el sistema aún tiene beneficios importantes incluso si el paciente y el cirujano están en la misma habitación:

  • Mínimamente invasivo: cada vez que puede usar un corte pequeño en el paciente en lugar de, por ejemplo, abrir toda su cavidad torácica, la cirugía es mucho más segura para el paciente. Un robot quirúrgico puede operar con incisiones tan pequeñas como unas pocas pulgadas.
  • Endoscopia 3D: un endoscopio es una cámara que se inserta en el cuerpo, lo que permite al cirujano ver en lugares que de otro modo serían imposibles (como el interior de un corazón).
  • Reducción del temblor de manos: una habilidad importante que limita a cualquier cirujano es la cantidad de temblores que tienen en sus manos. Imagine realizar una cirugía en un bebé y puede comprender el alcance del problema. Un robot puede identificar y eliminar los temblores de manos, lo que permite a los cirujanos operar con una precisión más fina.

Encuentro que las posibilidades más interesantes son para la miniaturización . Si los sistemas se hacen lo suficientemente pequeños, con cámaras más potentes, instrumentos más pequeños y un control de temblor más fino, un cirujano podría viajar teóricamente por los vasos sanguíneos o volver a unir terminaciones nerviosas individuales de solo un micrómetro de grosor.

Ese es el sueño, de todos modos.

Las limitaciones prácticas siempre entran en escena.

Las críticas de los sistemas robóticos modernos son sus altos costos y requisitos de capacitación que no siempre terminan en ahorros de costos o beneficios para la salud en comparación con los métodos quirúrgicos tradicionales.

También he escuchado que la falta de competencia en esta área ha limitado los avances que se están realizando en estos sistemas. Intuitive Systems, el fabricante del Sistema Quirúrgico da Vinci, posee suficientes patentes que algunas personas sienten que toda la industria es retenida.

Raven Surgical Robot es una respuesta al Da Vinci. Utiliza métodos más económicos para mantener los costos por debajo de los $ 250,000 (el Da Vinci cuesta $ 1,8 millones más costosos honorarios anuales de mantenimiento). El Raven funciona con software de código abierto y podría ser actualizado por un programador en un garaje en algún lugar (una idea que a la vez me excita y me aterroriza).

Además, los obstáculos prácticos pueden parecer menores pero resultar ser enormes. Por ejemplo, el CardioARM es un proyecto que espera resolver un problema simple, creando una “serpiente” quirúrgica que puede doblarse alrededor del tejido sensible. Para entender el alcance de este problema, imagine que tengo un perchero y lo doblo en forma de “S” para virar alrededor de una arteria pequeña. Si empujo el perchero más adentro del cuerpo, la curva en S permanece en el extremo de la percha y, por lo tanto, aplasta mi tejido sensible. Lo que necesito es una varilla que “recuerde” su forma a medida que se mueve a través del espacio, de modo que si la inserto hasta la mitad, la curva en S se mueve hasta la mitad de la varilla. No es una solución sencilla si necesita que la serpiente tenga menos de un centímetro de grosor y que tenga 4 herramientas quirúrgicas más una cámara en el extremo.

Los robots cirujanos que trabajan sin humanos son pura ciencia ficción.

El verdadero sueño es que un cirujano robot remueva a un paciente sin ningún ser humano. Imagine algo así como el pod médico en la película Prometheus . No estoy de acuerdo con Quora User en que los desafíos no están con el gobierno federal. No hay ningún médico súper robot por ahí atrapado detrás de la burocracia, esperando salvar millones de vidas.

El mayor problema es este: cada vez que un robot “se comporta mal”, actúa de manera aleatoria y contundente que destruiría por completo el interior de un cuerpo humano. La navegación simple y confiable es el primer gran obstáculo.

Una vez que tenemos un robot que puede navegar por el interior de un cuerpo sin romperlo, ese robot necesita a) reconocer los millones de elementos separados que conforman una fisiología humana, luego b) diagnosticar la afección y finalmente c) operar ellos mientras reaccionan a los cambios en tiempo real. No tenemos computadoras / robots que puedan hacer a) ob) aún, y mucho menos c).

DARPA comenzó otro proyecto a principios de la década de 2000 llamado Trauma Pod. Este proyecto se casó con un sistema Da Vinci con brazos robóticos Mitsubishi para realizar todas las funciones de soporte de un equipo de cirugía. El Pod de Trauma, junto con el CardioARM y el Raven, todos son sistemas que reunieron gran fanfarria en Internet … solo desaparecen de las noticias poco después de su lanzamiento.

Tal vez el sueño está superando la realidad.

Tengo que admitir que estoy de acuerdo con @Chris. Como alguien que tiene intereses serios en robótica (y en la lista de desarrolladores de más de un par de proyectos robóticos) y que pasa tiempo en una escuela de medicina (lea médicamente calificado). Me encantaría ver robots que puedan hacer una cirugía verdaderamente autónoma (sin humanos en el bucle). Supongo que esto podría cambiar en el futuro. Pero hasta ahora este sigue siendo el caso.