Robot Melakukan Operasi Jaringan Lunak dengan Bantuan Manusia Minimal

Bagaimana jika operasi Anda berikutnya direncanakan dan dilakukan oleh robot? Sebuah tim di Universitas Johns Hopkins sedang bekerja untuk mewujudkan ide ini.

Konsep operasi dengan bantuan robot bukanlah hal baru:beberapa sistem telah dikembangkan dan digunakan untuk merawat pasien manusia. Salah satu contohnya adalah sistem bedah da Vinci, perangkat laparoskopi dengan lengan robotik yang dikendalikan dari jarak jauh oleh ahli bedah. Sistem ini tidak otonom — robot tidak melakukan tugas bedah apa pun secara mandiri.

Sistem robotik lain dengan tingkat otonomi yang lebih tinggi telah dikembangkan, seperti TSolution One ^® , yang menggunakan robot untuk memotong tulang dengan tepat sesuai dengan rencana yang telah ditentukan sebelumnya.

Sistem robotik otonom yang ada sebagian besar telah digunakan untuk membantu operasi yang melibatkan jaringan keras, seperti mengebor tulang untuk implan pinggul atau lutut. Tetapi sistem ini belum digunakan untuk operasi jaringan lunak, yang menimbulkan tantangan unik, seperti memperhitungkan gerakan jaringan yang tidak terduga yang terjadi saat pasien bernafas, atau keterbatasan ukuran alat bedah.

Sekarang, peneliti yang didanai NIBIB sedang mengembangkan robot otonom yang dapat melakukan operasi usus dengan bantuan minimal dari ahli bedah. Terlebih lagi, robot ini mengungguli ahli bedah ahli jika dibandingkan head-to-head dalam model praklinis. Sebuah studi yang merinci pengembangan robot ini, yang menampilkan operasi jaringan lunak laparoskopi otonom pertama yang diketahui, baru-baru ini diterbitkan di Science Robotics .

“Hasil pembedahan sangat bergantung pada keahlian dan pengalaman ahli bedah, dan bahkan satu jahitan yang salah dalam operasi usus dapat menyebabkan kebocoran internal dan infeksi,” kata Moria Bittmann, Ph.D., Direktur Program di Divisi Discovery Science &Technology di Institut Nasional Pencitraan Biomedis dan Bioteknologi. “Pekerjaan praklinis ini merupakan langkah penting menuju operasi robotik otonom di jaringan lunak, yang dapat memberikan peningkatan kemanjuran dan keamanan pada pasien manusia, terlepas dari ahli bedah.”

Robot, yang disebut STAR (untuk Smart Tissue Autonomous Robot), dikembangkan oleh Axel Krieger, Ph.D., dan rekan-rekannya di Universitas Johns Hopkins. Sejauh ini, robot telah dikembangkan untuk melakukan anastomosis usus — di mana dua bagian usus kecil dijahit bersama untuk membentuk satu bagian yang berkesinambungan — di bawah pengawasan dan bimbingan ahli bedah. Krieger menjelaskan bagaimana robot melakukan prosedur:Setelah ahli bedah secara manual mengekspos tepi jaringan, STAR mengambil gambar dan mengembangkan rencana penempatan jahitan berdasarkan bentuk dan ketebalan jaringan. Setelah operator manusia menyetujui rencana tersebut, STAR secara mandiri menjahit jaringan bersama-sama. Jika jaringan berubah bentuk atau bergerak melampaui ambang batas yang ditetapkan, STAR bertanya kepada ahli bedah apakah rencana bedah baru harus dibuat. Proses ini diulang sampai robot menyelesaikan seluruh prosedur.

“Dengan menggabungkan alat penjahit baru, sistem pencitraan, algoritme pembelajaran mesin, dan kontrol robot, sistem STAR dilengkapi untuk mengatasi tantangan bedah laparoskopi otonom di jaringan lunak,” kata Krieger. “STAR dapat memvisualisasikan adegan pembedahan, menghasilkan rencana pembedahan, dan kemudian menjalankan rencana tersebut dengan akurasi dan presisi tinggi.” Dia mencatat, bagaimanapun, bahwa STAR tidak dimaksudkan untuk menggantikan ahli bedah. “Robot otonom, seperti STAR, dirancang untuk dimasukkan ke dalam alur kerja bedah bersama ahli bedah, meningkatkan kinerja tugas berulang yang tepat, dan pada akhirnya meningkatkan konsistensi bedah dari pasien ke pasien.”

Untuk mengevaluasi seberapa baik kinerja STAR dibandingkan dengan ahli bedah, para peneliti menggunakan jaringan usus "hantu" sebagai sistem model. Sebuah usus kecil sintetis dipasang ke tahap linier yang diprogram untuk bergerak maju mundur, yang mensimulasikan gerakan pernapasan yang akan terjadi selama operasi. Juga, selama percobaan ini, jaringan hantu diputar secara acak dan berubah bentuk, membutuhkan STAR atau ahli bedah untuk berhenti, berkumpul kembali, dan menyelesaikan prosedur, katanya. STAR melakukan prosedur pada jaringan hantu sebanyak lima kali, dan empat ahli bedah melakukan prosedur dengan dua cara berbeda — dua kali menggunakan laparoskopi manual tradisional, dan dua kali menggunakan sistem bantuan robot yang berbeda.

Jika dibandingkan dengan ahli bedah ahli, STAR memiliki lebih sedikit kesalahan dan lebih konsisten dalam jarak dan kedalaman jahitan. Selain itu, ketika para peneliti mengalirkan cairan kental melalui usus hantu yang direseksi, mereka menemukan bahwa aliran tersebut adalah yang paling laminar (halus dan ramping) dalam jaringan yang direkonstruksi oleh STAR, yang menunjukkan kualitas anastomosis yang lebih tinggi daripada yang dilakukan oleh ahli bedah.

Akhirnya, kinerja STAR dievaluasi dalam model hewan besar. Anastomosis usus dilakukan pada lima ekor babi. Pada empat hewan, prosedur dilakukan melalui STAR, dan untuk hewan kelima, prosedur dilakukan melalui laparoskopi manual tradisional. Mirip dengan eksperimen hantu, STAR membuat lebih sedikit kesalahan dibandingkan dengan ahli bedah. Selain itu, ketika para peneliti menganalisis seberapa baik usus yang direseksi telah sembuh tujuh hari setelah operasi, tidak ada perbedaan yang terlihat dalam penyembuhan luka antara dua metode bedah yang berbeda.

“Hasil kami menunjukkan bahwa STAR lebih konsisten dan akurat daripada ahli bedah ahli saat melakukan tugas menjahit,” kata Krieger. Dia mencatat bahwa temuan mereka menunjukkan potensi robotika bedah otonom untuk mendemokratisasikan perawatan bedah — yang dapat menghasilkan hasil pasien yang lebih dapat diprediksi dan konsisten.

“Sementara banyak orang mungkin merasa ragu untuk meminta mesin melakukan tugas khusus yang biasanya dilakukan oleh manusia, sistem robot memiliki potensi untuk meningkatkan hasil pasien dalam pengaturan medis,” kata Krieger. “Sama seperti masyarakat yang telah menerima masuknya fitur cruise control, lane assist, dan self-parking secara bertahap di mobil – yang pada akhirnya akan mengarah pada mobil self-driving – saya pikir kita akan melihat perkembangan serupa di bidang robotika medis. ”