Медики из металла и пластика

Роботы, которые научились работать хирургами, терапевтами и таблетками
Светлана Рагимова, редактор Robotics Channel в Telegram

На самом деле до полностью автоматизированных клиник, где роботы без участия человека выполняют практически все манипуляции, очень далеко. Машины еще не скоро смогут заменить врачей, но уже с десяток лет помогают им делать работу лучше. Сейчас эти роботы дополняют возможности людей-медиков: они позволяют сокращать побочное воздействие на тело пациентов, без которого не обходится практически ни одно обследование или операция, и выполнять такие манипуляции, которые человеку не под силу. Другие машины могут быть миниатюрными помощниками, способными внедряться в пищеварительную или кровеносную системы. А пандемия коронавируса усилила спрос на роботов-санитаров и роботов-сиделок.

Наиболее широко распространенный вид медицинских роботов – это хирургические системы для минимально-инвазивных операций. Рынок медицинских роботов, несмотря на то что он развивается уже 20 лет, все еще находится на начальной стадии, но показывает впечатляющую динамику. По предварительному прогнозу Markets And Markets, его объем к 2025 году составит $12,7 млрд со среднегодовым ростом в 16,5 %. Позитивная динамика вызвана тем, что все больше пациентов предпочитают малоинвазивные операции.

В первые годы появления роботов-хирургов случались проблемы: машины били током, обжигали пациентов и роняли внутрь тела части инструментов, например иглы. Нередки были баги в программном обеспечении, которые вели к незапланированным движениям манипуляторов.

Что ж, как говорят в медицинских учебных заведениях, у каждого хорошего врача должно быть свое небольшое кладбище. У самой распространенной роботизированной хирургической системы da Vinci оно есть. С 2000 по 2013 год машина стала причиной 144 смертей, нанесла травмы 1391 пациенту и сбоила во время 8061 операции, согласно исследованию опубликованному в научном журнале PLOS One в 2016 году. Da Vinci может использоваться для самых разных хирургических вмешательств. Наиболее безопасные и многочисленные, как показывает статистика, – гинекологические и урологические. Больше всего неприятных инцидентов случалось, когда робот-хирург применялся для операций на шее и голове.

Киберножи и экзоскелеты

До сих пор ведутся дискуссии на тему того, зло или благословение этот ваш робот da Vinci, но это никак не помешало компании-производителю Intuitive Surgical доминировать с долей в 17 % на мировом рынке роботизированных хирургических систем с выручкой $1,1 млрд по итогам 2018 года. Аналитики прочат компании 25 % к 2025 году. Сам производитель сообщает о 21 тыс. научных статей в пользу операций, произведенных с помощью своей роботизированной системы. При этом количество этих машин, установленных по всему миру, нельзя назвать умопомрачительным – 5865 штук, из них примерно половина в США, где во многих госпиталях используют сразу несколько da Vinci.

Хирургические роботы занимают большую часть рынка, на втором и третьем месте – роботизированные системы для точного облучения раковых клеток и реабилитационные роботы. В числе лидеров, помимо Intuitive Surgical, значатся такие компании, как Stryker Corporation (США), Omnicell (США), BD Rowa (США), ARxIUM (Канада), Hocoma AG (Швейцария). В Японии также сильны позиции у локальных игроков Panasonic, Hitachi и Accuray (производитель CyberKnife).

Так, последняя компания выпускает радиохирургических роботов для стереотаксической радиохирургии (SRS) и стереотаксической лучевой терапии (SBRT). CyberKnife (с англ. – «кибернож») способна облучать любой участок в теле, включая печень, простату, почки, легкие, мозг, позвоночник, поджелудочную железу, с точностью до доли миллиметра. Встроенный искусственный интеллект синхронизирует поток излучения с движениями пациента. Например, если человек чихнет во время сеанса, уже нет риска, что кибернож заденет здоровый орган и навредит ему.

Реабилитационные роботизированные системы – еще одна большая категория на рынке медицинских роботов. Широко применяются два основных типа таких устройств: экзоскелеты и роботы с конечными эффекторами. Первый тип – это каркас, который замещает или усиливает работу большого количества мышц и может использоваться даже для передвижения полностью парализованного человека. Второй тип – устройства, помогающие двигать руками или ногами, часто используются для реабилитации после инсульта и травм позвоночника. К примеру, девайс, разработанный компанией Motus, идет в комплекте с программой тренировок «Цифровой терапевт», которая помогает постепенно наращивать нагрузку и восстанавливать двигательную функцию. Когда пользователь тренируется, он видит на экране мультипликационного персонажа, который поднимает штангу.

В России несколько компаний разрабатывает медицинские экзоскелеты. Одна из них – ExoAtlet – начала работать в 2011 году. Разработки в этой области в нашей стране в первую очередь ведутся не для медицинских целей. Экзоскелеты используются военными и МЧС для того, чтобы поднимать большой вес – от 70 до 200 кг. Но компания ExoAtlet смогла предложить конкурентоспособный продукт гражданского назначения и продает российские экзоскелеты по всему миру. Стоимость отечественного устройства – 4 млн руб., что в два раза меньше цены зарубежных аналогов. Компания планирует открывать реабилитационные центры ExoGym для тренировок недалеко от дома под наблюдением удаленного врача.

Еще один российский проект Symbionix, разрабатывает экзоскелеты для людей с повреждениями спины и нижнего пояса конечностей. Экзоскелет «Компаньон» похож на широкий пояс с коробкой сзади и рейками по бокам ног, закрепленными с помощью обручей выше колена и на голени. Механизм позволяет ходить, приседать, вставать, подниматься по ступенькам.

Тренировочную беговую дорожку с обвесами для ног, которая помогает заново учиться ходить после травм и инсультов, часто можно видеть в фильмах. Одно из таких устройств Lokomat выпускает шведская компания Hocoma. В 2016 году этот экзоскелет в комбинации с беговой дорожкой, по заявлениям портала Exoskeleton Report, был самым популярным реабилитационным устройством для восстановления способности ходить.

Микроботы на страже пищеварения

Все прочие категории медицинских роботов занимают небольшую долю рынка или вовсе пока существуют на уровне экспериментальных разработок. Уже не редкость роботы в фармацевтике, которых можно назвать разновидностью промышленных. Они занимаются стандартными производственными операциями: смешивают, переливают, закрывают крышкой, подготавливают и наклеивают этикетку. Правда используются они в аптеках, в так называемых чистых комнатах, а не на заводах.

Машины ускоряют процесс подготовки лекарств по рецепту, освобождают фармацевта от рутинной работы и устраняют человеческий фактор. Их применение в данной области приносит гораздо больше пользы, чем, скажем, на пивном заводе. Ошибки с точностью дозировки или перепутанными этикетками могут стоить здоровья, а то и жизни, тогда как от лишних граммов пива в бутылке еще никто не умирал.

В копилку экспериментальных, но многообещающих разработок можно положить стартап Microbot Medical, который разрабатывает роботизированный катетер. Устройство крепится на ногу или в область крупной артерии, затем телескопически выдвигающиеся трубки добираются до более тонких кровеносных сосудов в конечностях, сердце, мозге и позволяют провести нужные процедуры. К примеру, устранить тромб или почистить стенки. Промовидео, сделанное в 3D, впечатляет, но само устройство пока никто не видел.

Зато вовсю применяются умные пилюли – роботизированные миниатюрные устройства для диагностики и проведения процедур. Пациент глотает такую капсулу, она подключается к беспроводной сети и отправляет врачу фотографии и различные данные по пути своего следования по пищеварительному тракту. Микробот измеряет кислотно-щелочной баланс на различных участках, определяет наличие химических веществ, внутреннее давление и температуру. Капсула также может доставить лекарство в конкретное место организма. Помимо сенсоров, в устройстве есть батарейка и память.

Стоимость умной пилюли невысока, капсула выходит естественным путем и частично растворяется в канализационной системе. Такие устройства уже широко применяют в ОАЭ, где они позволяют пациентам избежать неприятных диагностических процедур колоноскопии, гастроскопии и эндоскопии. Умные пилюли производит целый ряд компаний. К примеру, Medtronic из Миннесоты выпускает сертифицированные в США устройства PillCam COLON для обследования кишечника. Часто это единственная альтернатива для пациентов, которым противопоказана колоноскопия, например, в случае кровотечения, инфекционного заболевания или наличия опухоли.

Другие способы применения умных пилюль: наблюдение за реакцией тела на медикаменты и мониторинг частоты приема лекарств, сканирование температуры тела пожарных и профессиональных спортсменов для избежания перегрева. Кстати, компания HQ Inc., производящая эти температурные датчики в виде пилюль, которые нужно глотать, вскоре обещает выпустить такие устройства для широкой массы потребителей.

Дорогой железный хирург

Рынок медицинских роботов мог бы расти быстрее, но его сдерживает ряд факторов. Главный – высокая стоимость. К примеру, da Vinci обойдется в круглые $1,5–2,5 млн, CyberKnife – в $4–7 млн. Реабилитационный робот Lokomat стоит $380 тыс. К тому же на обслуживание одного робота в среднем, по данным Markets And Markets, уходит $125 тыс. в год. Согласно статье, опубликованной в журнале Американской медицинской ассоциации (JAMA) в августе 2018 года, примерная стоимость одной хирургической операции, проведенной с помощью роботизированной системы – $3568. При этом клиники в США, основном рынке для таких устройств, с каждым годом испытывают сокращение бюджета. Такая же тенденция наблюдается и в Европе.

Но на рынок выходят новые игроки, происходят слияния и поглощения. Согласно прогнозу MarketWatch, появление новых имен на карте рынка в будущем позволит снизить стоимость медицинских роботов за счет усиления конкуренции. Так, та же Medtronic, производящая самые разные девайсы от систем мониторинга показателей жизнедеятельности до искусственных клапанов сердца, планирует вывести на глобальный рынок систему, которая может составить конкуренцию da Vinci. Также вступает в игру широко известная Johnson & Johnson: корпорация поглотила Auris Health, заплатив за компанию $3,4 млрд в прошлом году, чтобы получить доступ к ее роботу Monarch для бронхоскопических операций. Кроме того, Johnson & Johnson четыре года работала в партнерстве с Google над робототехникой мягких тканей в проекте под названием Verb Surgical, точнее с подразделением интернет-гиганта Verily. В 2019 году Johnson & Johnson выкупила долю партнера и обрела полный контроль над проектом. Verb Surgical работает над «Хирургией 4.0» – объединением технологий обработки медицинских данных и робототехникой.

Впрочем, стоимость процедуры, произведенной с помощью робота, сильно варьируется в зависимости от страны. Так, в США за курс облучения с помощью системы CyberKnife пациент или страховая компания должны выложить $50–100 тыс., тогда как в Индии эта цифра будет на 60–80 % меньше (данные Tour2India4Health Group). Это открывает возможности для медицинского туризма. Согласно данным World Economic Forum от 2017 года, Бразилия, Россия, Индия, Китай и Южная Африка были самыми быстрорастущими экономиками в мире, к 2022 году эти страны вместе будут генерировать 30 % от всех глобальных расходов на медицину.

Конечно, о медицинском туризме в 2020 году пришлось забыть. Пандемия COVID-19 негативно сказалась на рынке медицинских роботов в целом. Во многих странах наложили запрет на все несрочные хирургические операции. В итоге госпитали заморозили и капитальные затраты на дорогое оборудование.

С другой стороны, стали появляться системы нового типа, которые пока нельзя назвать существенным сегментом рынка, но в перспективе трех-пяти лет они могут занять заметную долю. Это роботы, которые развозят в госпиталях еду и медикаменты по палатам, дезинфицируют помещения, роботизированные станции для сбора биологического материала для анализов. Также все больше внимания привлекает категория роботов-сиделок и компаньонов. В условиях пандемии медработники сильно загружены, внимания пациентам не хватает. С простыми задачами и приятным общением могут справиться машины с элементами искусственного интеллекта.

Свои чужие руки

Сегодняшние роботизированные хирургические системы полностью подконтрольны доктору, который ими управляет. Они могут делать многие вещи лучше, чем человек, но все же остаются продолжением рук хирурга. В будущем ситуация может измениться. Уже ведутся разработки роботов с более высокой степенью автономности, которые способны самостоятельно проводить операцию, оставляя человеку роль супервайзера-контролера.

Стартап Activ Surgical из Бостона (США) разрабатывает систему визуализации и программное обеспечение, которое позволяет «увидеть» расположение кровеносных сосудов без традиционного метода окрашивания крови, а также составить полную картину в реальном времени всего кровеносного потока. Эта информация, если ее передать роботу-хирургу, позволит ему точно рассчитать, как далеко стоит погружать инструмент, какого размера должен быть разрез. Сейчас только доктор может принимать такие решения, но в будущем машина просто не даст ему сделать лишнее движение, подобно тому, как автомобиль с высокой степенью автономности просто откажется ехать на красный.

Следующий шаг – проведение рутинных операций без участия врача, который будет сидеть за монитором и просто наблюдать за процессом, готовый вмешаться, если откажет «автопилот». «Мы хотим отстранить хирурга от тонкой работы, требующей высокой точности, которая полностью сводится к тому, насколько хорошо он владеет руками. Ему подойдет роль супервайзера, который определяет, как и где заниматься лечением болезни», – говорит Майкл Йип, ассистирующий профессор в области электрической и компьютерной инженерии в Университете Калифорнии в Сан Диего, США. Ученый разрабатывает робота, который способен изучить состояние тела и предложить доктору несколько вариантов действий на выбор. После того, как человек выбрал один из вариантов, робот может самостоятельно произвести процедуру под наблюдением хирурга.

Робот, похожий на вешалку

Автор этих строк почувствовала на себе, каково быть пациентом робота-хирурга. В октябре мне делали небольшую лапароскопическую операцию в области живота в Пенинсульском госпитале в Сан-Франциско.

Меня привезли в операционную, которая больше была похожа на серверную. За моей головой и ближе к ногам возвышались две стойки с креслами и экранами для хирурга и ассистента, напоминающие будки для моментального фото без шторки. Странные белые, как будто водопроводные, трубы под потолком с прикрепленными к ним тут и там дисками оказались продвинутой осветительной системой – в центре каждого диска обнаружилась лампочка. Также в комнате была консоль с кучей торчащих проводов прямо за моей койкой и белая футуристическая вешалка в углу. Тумба с проводами оказалась, как я позже узнала, компьютером для обработки визуальной информации и коммуникаций между компонентами системы; производитель называет ее Vision Cart.

Я искала глазами робота da Vinci, знакомого по фотографиям, и не могла найти. На мой вопрос мне указали на белую стойку, которую я приняла за вешалку. На фотографиях и в рекламных роликах роботизированная система всегда предстает с манипуляторами, повернутыми под разными углами, так чтобы зрители хорошо разглядели это чудо техники и впечатлились. В операционной такой задачи нет. В режиме standby система da Vinci XI выглядит непримечательно, «плечи» сложены, ножей не видно. Когда начинается операция, робота подвозят к пациенту и подключают только необходимые манипуляторы. За это отвечает ассистент, который также меняет инструменты во время операции. В моем случае манипулятора было три: для лампочки с камерой, для зажима и ножа. Но этого я уже не видела – начал действовать наркоз.

По словам моего хирурга Клэр Серрато, которая делает операции с 1996 года и последние 10 лет почти исключительно на da Vinci, машина позволяет повернуть нож на 360 градусов, что невозможно для человеческой кисти, и добраться в труднодоступные участки тела. Мощная визуальная система показывает врачу ткани на микроскопическом уровне. Также, как объяснила доктор Серрато, разрезы получаются меньше, заживают быстрее и в целом восстановление пациента происходит за считанные дни. Действительно, три разреза на моем животе оказались длиной в сантиметр (при лапароскопических операциях вручную стандартная длина разреза – 2-2,5 см). Мне не пришлось пить обезболивающие, лейкопластырь можно было снять на второй день, остался только хирургический клей на разрезах, который смылся через неделю. Уже через день после операции я поехала в музей, а через две недели могла заниматься спортом в своем обычном режиме три раза в неделю.