Lentamente, i Robo-chirurghi si stanno muovendo verso la sala operatoria

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Seduto su uno sgabello a diversi metri da un robot dalle braccia lunghe, il dottor Danyal Fer avvolse le dita attorno a due maniglie di metallo vicino al petto.

Mentre muoveva le maniglie – su e giù, sinistra e destra – il robot imitava ogni piccolo movimento con le sue due braccia. Poi, quando ha pizzicato il pollice e l’indice insieme, uno dei minuscoli artigli del robot ha fatto più o meno lo stesso. Ecco come l’hanno fatto i chirurghi come il dottor Fer robot utilizzati da molto tempo durante le operazioni sui pazienti. Possono rimuovere una prostata da un paziente mentre sono seduti alla console di un computer dall’altra parte della stanza.

Ma dopo questa breve dimostrazione, il dottor Fer e i suoi colleghi ricercatori dell’Università della California, Berkeley, hanno mostrato come sperano di far avanzare lo stato dell’arte. Il dottor Fer lasciò andare le maniglie e un nuovo tipo di software per computer prese il sopravvento. Mentre lui e gli altri ricercatori guardavano, il robot iniziò a muoversi completamente da solo.

Con un artiglio, la macchina ha sollevato un minuscolo anello di plastica da un altrettanto minuscolo piolo sul tavolo, ha passato l’anello da un artiglio all’altro, lo ha spostato sul tavolo e lo ha agganciato con cautela a un nuovo piolo. Quindi il robot ha fatto lo stesso con molti altri anelli, completando il compito con la stessa rapidità con cui era stato guidato dal Dr. Fer.

L’esercizio di allenamento è stato originariamente progettato per gli esseri umani; spostare gli anelli da piolo a piolo è come i chirurghi imparano a far funzionare robot come quello di Berkeley. Ora, un robot automatizzato che esegue il test può eguagliare o addirittura superare un essere umano in destrezza, precisione e velocità, secondo un nuovo documento di ricerca del team di Berkeley.

Il progetto fa parte di uno sforzo molto più ampio per portare l’intelligenza artificiale in sala operatoria. Utilizzando molte delle stesse tecnologie su cui si fonda auto a guida autonoma, droni autonomi e robot di magazzino, i ricercatori stanno lavorando per automatizzare anche i robot chirurgici. Questi metodi sono ancora lontani dall’uso quotidiano, ma i progressi stanno accelerando.

“È un momento emozionante”, ha detto Russell Taylor, professore alla Johns Hopkins University ed ex ricercatore IBM noto nel mondo accademico come il padre della chirurgia robotica. “È dove speravo che saremmo stati 20 anni fa.”

L’obiettivo non è rimuovere i chirurghi dalla sala operatoria, ma alleviare il loro carico e forse anche aumentare le percentuali di successo – dove c’è spazio per miglioramenti – automatizzando particolari fasi dell’intervento.

I robot possono già superare la precisione umana in alcune attività chirurgiche, come l’inserimento di uno spillo in un osso (un compito particolarmente rischioso durante le protesi di ginocchio e anca). La speranza è che i robot automatizzati possano portare una maggiore precisione ad altre attività, come incisioni o suture, e ridurre i rischi associati a chirurghi oberati di lavoro.

Durante una recente telefonata, Greg Hager, uno scienziato informatico della Johns Hopkins, ha affermato che l’automazione chirurgica sarebbe progredita in modo molto simile al software Autopilot che stava guidando la sua Tesla lungo la New Jersey Turnpike mentre parlava. L’auto stava guidando da sola, ha detto, ma sua moglie aveva ancora le mani sul volante, se qualcosa fosse andato storto. E lei avrebbe preso il sopravvento quando sarebbe stato il momento di uscire dall’autostrada.

“Non possiamo automatizzare l’intero processo, almeno non senza la supervisione umana”, ha detto. “Ma possiamo iniziare a costruire strumenti di automazione che semplificano un po ‘la vita di un chirurgo”.

Cinque anni fa, i ricercatori del Children’s National Health System di Washington, DC, hanno progettato un robot in grado di suturare automaticamente gli intestini di un maiale durante l’intervento chirurgico. È stato un passo notevole verso il tipo di futuro immaginato dal dottor Hager. Ma aveva un asterisco: i ricercatori avevano impiantato piccoli marcatori nell’intestino del maiale che emettevano una luce nel vicino infrarosso e aiutavano a guidare i movimenti del robot.

Il metodo è tutt’altro che pratico, poiché i marker non sono facilmente impiantati o rimossi. Ma negli ultimi anni i ricercatori di intelligenza artificiale l’hanno fatto ha notevolmente migliorato la potenza della visione artificiale, che potrebbe consentire ai robot di eseguire operazioni chirurgiche da soli, senza tali marcatori.

Il cambiamento è guidato da ciò che viene chiamato reti neurali, sistemi matematici in grado di acquisire competenze analizzando grandi quantità di dati. Analizzando migliaia di foto di gatti, ad esempio, una rete neurale può imparare a riconoscere un gatto. Allo stesso modo, una rete neurale può imparare dalle immagini catturate dai robot chirurgici.

I robot chirurgici sono dotati di telecamere che registrano video tridimensionali di ogni operazione. Il video scorre in un mirino in cui i chirurghi scrutano mentre guidano l’operazione, guardando dal punto di vista del robot.

Ma in seguito, queste immagini forniscono anche una mappa stradale dettagliata che mostra come vengono eseguiti gli interventi chirurgici. Possono aiutare i nuovi chirurghi a capire come utilizzare questi robot e possono aiutare a addestrare i robot a gestire le attività da soli. Analizzando le immagini che mostrano come un chirurgo guida il robot, una rete neurale può apprendere le stesse abilità.

È così che i ricercatori di Berkeley hanno lavorato per automatizzare il loro robot, che si basa sul da Vinci Surgical System, una macchina a due bracci che aiuta i chirurghi a eseguire più di un milione di procedure all’anno. Il dottor Fer ei suoi colleghi raccolgono immagini del robot che muove gli anelli di plastica mentre è sotto il controllo umano. Quindi il loro sistema impara da queste immagini, individuando i modi migliori per afferrare gli anelli, passarli tra gli artigli e spostarli su nuovi pioli.

Ma questo processo è arrivato con il suo asterisco. Quando il sistema diceva al robot dove muoversi, il robot spesso mancava il punto per millimetri. Nel corso di mesi e anni di utilizzo, i numerosi cavi metallici all’interno dei bracci gemelli del robot si sono allungati e piegati in piccoli modi, quindi i suoi movimenti non erano così precisi come dovevano essere.

Gli operatori umani potrebbero compensare questo spostamento, inconsciamente. Ma il sistema automatizzato non poteva. Questo è spesso il problema con la tecnologia automatizzata: fatica ad affrontare il cambiamento e l’incertezza. I veicoli autonomi sono ancora lontani dall’essere diffusi perché non sono ancora abbastanza agili per gestire tutto il caos del mondo di tutti i giorni.

Il team di Berkeley ha deciso di costruire una nuova rete neurale che analizzava gli errori del robot e ha imparato quanta precisione stava perdendo ogni giorno che passava. “Impara come si evolvono le articolazioni del robot nel tempo”, ha detto Brijen Thananjeyan, uno studente di dottorato del team. Una volta che il sistema automatizzato potrebbe spiegare questo cambiamento, il robot potrebbe afferrare e spostare gli anelli di plastica, adattandosi alle prestazioni degli operatori umani.

Altri laboratori stanno provando approcci diversi. Axel Krieger, un ricercatore della Johns Hopkins che ha partecipato al progetto di sutura dei suini nel 2016, sta lavorando per automatizzare un nuovo tipo di braccio robotico, uno con meno parti mobili e che si comporta in modo più coerente del tipo di robot utilizzato dal team di Berkeley . I ricercatori del Worcester Polytechnic Institute stanno sviluppando modi in cui le macchine guidano con attenzione le mani dei chirurghi mentre svolgono compiti particolari, come inserendo un ago per una biopsia del cancro o bruciando nel cervello per rimuovere un tumore.

“È come un’auto in cui il controllo della corsia è autonomo ma si controlla comunque l’acceleratore e il freno”, ha affermato Greg Fischer, uno dei ricercatori di Worcester.

Molti ostacoli ci attendono, notano gli scienziati. Spostare i pioli di plastica è una cosa; tagliare, muovere e suturare la carne è un altro. “Cosa succede quando cambia l’angolazione della telecamera?” ha detto Ann Majewicz Fey, professore associato presso l’Università del Texas, Austin. “Cosa succede quando il fumo si frappone?”

Per il prossimo futuro, l’automazione sarà qualcosa che funziona a fianco dei chirurghi piuttosto che sostituirli. Ma anche questo potrebbe avere effetti profondi, ha detto il dott. Fer. Ad esempio, i medici potrebbero eseguire interventi chirurgici su distanze molto maggiori della larghezza della sala operatoria – da miglia o più di distanza, forse, aiutando i soldati feriti su campi di battaglia distanti.

Il ritardo del segnale è troppo grande per renderlo possibile al momento. Ma se un robot fosse in grado di gestire almeno alcune delle attività da solo, la chirurgia a lunga distanza potrebbe diventare praticabile, ha detto il dott. Fer: “Potresti inviare un piano di alto livello e poi il robot potrebbe portarlo a termine”.

La stessa tecnologia sarebbe essenziale per la chirurgia a distanza su distanze ancora più lunghe. “Quando inizieremo a operare sulle persone sulla luna”, ha detto, “i chirurghi avranno bisogno di strumenti completamente nuovi”.

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