Роботизированные и ручные хирургические электроинструменты. Хирургические роботы

Источник: steris.antenmed

Существует несколько категорий титульных машин. К одной из них относятся полностью автоматизированные, в которых хирург играет контролирующую роль. В его задачу также входит планирование операции - для этого, используя различные методы медицинской визуализации (рентген, ультразвук и т.д.), он определяет точки и участки на теле пациента и последовательность движений. Они отображаются в 3D-модели, на основе которой впоследствии создается робот. Хирург также перемещает инструменты в нужное положение. Такие роботы используются в менее сложных процедурах, например, в ортопедической хирургии, когда машина просто разрезает кость для установки имплантата.

Наиболее распространенной категорией хирургических роботов являются те, которые управляются хирургом дистанционно. Дистанционные операции обычно проводятся врачами, которые находятся в одной комнате с роботом и пациентом, хотя существуют и пробные операции, когда врач управляет машиной через Интернет. В этом случае необходимо учитывать дополнительные проблемы, которые могут возникнуть из-за задержек и перерывов в передаче или ограниченной пропускной способности.

К этой группе относится наиболее часто используемая модель хирургического робота da Vinci. Его основные компоненты: консоль, обеспечивающая хирургу трехмерное изображение тела пациента, с помощью которой он управляет роботом с четырьмя или тремя руками, одна из которых манипулирует эндоскопической камерой, а остальные - инструментами, имитирующими движения руки и запястья хирурга. Ограничением роботов da Vinci является отсутствие тактильной обратной связи. Это связано с трудностями реализации данной функциональности.

В дополнение к сложности измерения величин, значения которых необходимы для представления ощущения прикосновения, место, куда встраиваются датчики, требует анализа. Обычно рассматриваются два места. В первом случае датчик будет располагаться вне тела пациента, у входа в направляющую, через которую вводятся инструменты, а во втором - он будет встроен в наконечник инструмента, то есть будет вводиться в тело вместе с инструментом. Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки, поскольку выбор места расположения влияет на точность измерения, ограничения по размеру измерительного элемента, возможности стерилизации и требования к биосовместимости материала его изготовления.

Где разместить датчик силы?

Размещение в наконечнике инструмента связано с большими затратами и сложностями с точки зрения многократного использования датчика, поскольку его конструкция должна выдерживать многократные циклы очистки и стерилизации, оставаясь герметичной. Поскольку обычно стремятся минимизировать разрезы, через которые вводится инструмент, датчик должен быть достаточно маленьким, чтобы беспрепятственно проходить через них. Это позволяет уменьшить размер измерительного элемента до менее 10 мм.

С другой стороны, если датчик будет расположен на входе в направляющую, то можно ожидать фальсификации результатов измерений. В этом случае контактные силы тканей могут маскироваться, в частности, трением инструментов в направляющей и на ее входе, на стыках инструментов или силой захвата манипулятора. С другой стороны, поскольку измерительный элемент будет оставаться вне тела, требования к размерам и биосовместимости материалов изготовления уже не будут столь строгими. Кроме того, его не нужно будет так часто стерилизовать, а, например, только дезинфицировать.

Работа над тактильной обратной связью в хирургических роботах продолжается. Предполагается, что, когда роботизированная хирургия будет наконец реализована на удовлетворительном уровне, произойдет быстрая популяризация роботизированной хирургии. Помимо того, что тактильная обратная связь окажет огромную помощь врачам, проводящим операцию, в оценке анатомических структур и осознании производимых над ними действий, она также сыграет фундаментальную роль в сокращении кривой обучения при подготовке к использованию таких роботов. Данные, собранные с помощью датчиков силы, также помогут создать точные модели тканей и органов для хирургических симуляторов.

Есть ли альтернатива металлам?

Индустрия хирургических роботов, как и индустрия медицинского оборудования, в целом старается максимально адаптировать современные технологии материалов и инновационные решения для своих специфических нужд. Например, уже давно существует тенденция к замене металлов пластмассами. Это должно снизить вес и стоимость, что, в свою очередь, сделает компоненты одноразового использования более рентабельными, способствуя предотвращению внутрибольничных инфекций. Пластмассы также обеспечивают большую свободу проектирования по сравнению с металлами.

Однако на протяжении десятилетий металл был предпочтительным материалом по уважительной причине. Прежде всего, обычные пластмассы не могли обеспечить механические свойства, долговечность и стабильность размеров на сопоставимом уровне. Роботизированная хирургия также требует, чтобы материал был биосовместимым и мог выдерживать очень высокие температуры и многократные циклы очистки, дезинфекции и стерилизации. Однако в последнее время пластмассы начали догонять металлы по этим показателям.

Специальные полимеры как надежда роботизированной хирургии

На специальные полимеры, в частности, возлагаются большие надежды. Они являются не только альтернативой металлам, но и могут заменить другие пластмассы, которые до сих пор использовались для изготовления медицинских приборов. Одним из примеров является полисульфон (PSU), который можно многократно стерилизовать паром благодаря его превосходной термостойкости и гидролитической стабильности по сравнению с поликарбонатом, который быстро теряет свои ударные свойства после многократной стерилизации паром. Другой полимер, полифенилсульфон (PPSU), напротив, сохраняет свою исключительную твердость и ударную прочность даже после 1 000 циклов дезинфекции, и паровой стерилизации, превосходя полиэфиримид (PEI), который демонстрирует ухудшение физических свойств только после 100 циклов. PPSU также устойчив к обычным чистящим растворам и больничным дезинфицирующим средствам.

К специальным полимерам также относятся полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиариламид с добавками (PARA). PEEK отличается сочетанием химической и усталостной стойкости, хороших механических свойств и исключительной стабильности размеров. Многократная очистка, дезинфекция и паровая стерилизация практически не оказывают влияния на этот материал. Кроме того, добавки стекловолокна и углеродного волокна повышают его прочность и износостойкость.

Полиариламид с добавками стекловолокна, с другой стороны, характеризуется прочностью, жесткостью и устойчивостью к стерилизации, а также высоким качеством обработки поверхности, что делает его особенно привлекательным в тех областях применения, где важна эстетика. Кроме того, пластики PPSU, PEEK и PARA отвечают требованиям ISO 10993-1, международного стандарта, регулирующего биологическую оценку медицинских изделий. Эти специальные полимеры используются для производства хирургических инструментов, соединений между хирургическими инструментами и манипуляторами и корпусами хирургических роботов.

Проблемы стерилизации

Хирургические ручные инструменты применяются практически во всех медицинских специальностях - они используются во время операций в ортопедии, ЛОР, неврологии, офтальмологии и др. Они все больше вытесняют пневматические инструменты благодаря их большей эффективности, лучшему регулированию мощности, более тихой работе, портативности и простоте питания (достаточно розетки или аккумуляторного блока вместо обычно более проблематичного подключения к системе подачи воздуха).

При разработке ручных электроинструментов для хирургии и хирургических роботизированных инструментов сложность заключается в конструкции привода - главным образом, в обеспечении надежности, компактности и, прежде всего, способности выдерживать многократные циклы стерилизации на уровнях, требуемых для данного типа оборудования. Последнее условие особенно трудно выполнить из-за крайне неблагоприятных факторов, которым подвергается двигатель в процессе дезактивации.

Наиболее применяемым методом стерилизации, используемым в больницах, является автоклавирование (стерилизация паром). Она проводится в герметичном обогреваемом резервуаре, который обычно также оснащен вакуумным насосом. Цикл стерилизации обычно включает в себя: удаление воздуха из автоклава, заполнение резервуара паром под давлением, дезинфекцию в этих условиях, обычно в течение 10 минут, и окончательное охлаждение. Такие факторы, прежде всего влажность и температура, очевидно, не оказывают благотворного влияния на срок службы электродвигателей, особенно если они повторяются.

Существует несколько попыток решить эту проблему.

Двигатели в стерилизованных инструментах

Одним из них является использование одноразовых электроинструментов. Для снижения стоимости они оснащаются дешевым двигателем, а материалы для других компонентов экономятся. Тем не менее, электроинструменты, которые приходится выбрасывать после обработки, не являются экономичным вариантом, особенно если операции, в которых они используются, проводятся часто. Они также увеличивают количество опасных отходов, которые требуют специальных мер по хранению, сбору и утилизации.

В другом используемом подходе персоналу поручают снять блок двигателя с электроинструментов, прежде чем вернуть их на стерилизацию. Это приводит к ряду осложнений. Прежде всего, персонал должен соблюдать специальные процедуры при установке нестерильного двигателя в стерильный электроинструмент. Кроме того, поскольку двигатель не был обеззаражен, могут возникнуть сомнения в стерильности электроинструмента. Кроме того, неизбежны случаи, когда персонал забывает снять двигатель перед помещением его в автоклав, что обычно приводит к поломке двигателя.

Другим решением является защита двигателя, постоянно встроенного в электроинструмент, с помощью дополнительных уплотнений, предотвращающих его от попадания влаги. Это обычно приводит к созданию большой, громоздкой конструкции, и, кроме того, лишние уплотнения на валу могут ухудшить работу двигателя, увеличить сопротивление движению и, следовательно, увеличить потребление тока и вызвать перегрев. Более того, такая защита, как и любая печать, со временем теряет свою эффективность.

Автоклавируемые двигатели

Лучшим вариантом является использование автоклавируемого двигателя - например, бесщеточные двигатели постоянного тока доступны в таком исполнении. Щелевые двигатели BLDC лучше подходят для этого применения, поскольку они по своей конструкции лучше защищены от внешних воздействий. Это связано с тем, что в таких двигателях обмотка расположена в пазах внутри статора, в отличие от беспазовых двигателей, в которых в качестве статора выступают только кольцеобразные пластины без железного сердечника. Хотя двигатели без канавок также могут быть защищены, например, защитными покрытиями, такая защита обычно не столь долговечна, как в случае конструкции с канавками. Поэтому они в основном хорошо работают, если их не стерилизовать очень часто.

Наконец, стоит упомянуть, что иногда также используются защитные чехлы. В них помещаются электроинструменты, а в случае хирургических роботов ими накрываются манипуляторы. Такая крышка обычно изготавливается из пластика и предназначена для одноразового использования. Кожух изолирует электроинструмент или роботизированную руку от загрязнения, исключая необходимость стерилизации. Такой подход распространен в сложных хирургических роботизированных системах, поскольку автоклавирование всей роботизированной станции нецелесообразно.

Компания АнтенМед занимается поставкой, монтажом и оснащением чистых помещений европейского уровня под ключ, подробнее на сайте https://steris.antenmed.ru/