Для чего используют роботов в медицине
Зачем нужны медицинские роботы?
Как можно разделить роботов по областям применения?
Следует прежде всего выделить роботов, призванных автоматизировать труд врача. К таким системам относятся роботы для облегчения диагностики заболеваний (включая диагностику в режиме телепристуствия), проведения хирургических операций, как da Vinci, радиационной терапии, реабилитации, анастезии и т.п.
Есть роботы, призванные облегчить труд младшего медицинского персонала, например, роботы для проведения инъекций и забора анализов, роботы-тележки для обхода больных, способные вносить данные в истории болезни на основе речи врача (системы speech-to text или в виде звуковых файлов).
В медицинских учреждениях спользуются разнообразные вспомогательные роботы, например, роботы-курьеры TransCar или TUG для транспортировки по медучреждениям лекарств, инструментов и прочего.
Использование медицинских роботов обеспечивает самые различые положительные эффекты:
— повышение уровня автоматизации облегчает труд врачей, повышает его производительность, может обеспечивать выход на принципиально новые уровни возможностей (повышение сложности доступных операций, снижение инвазивности операций и других видов лечения, а также вероятности врачебных ошибок)
— снижение расходов на средний и младший медицинский персонал, облегчение труда этого персонала, включая фармацевтов
— интенсификация процессов возвращения пациентов к нормальному существованию после травм, заболеваний, операций
— повышение мобильности маломобильных групп населения
— облегчение дожития для пожилых пациентов
— облегчение пребывания пациентов в больницах, сглаживание проблем, связанных с «отрывом» пациентов от привычного круга общения, от семьи, обеспечение контактов или удаленного наблюдения за пациентом в больнице или пожилым человеком у него дома членами его семьи, которые могут находиться в другом месте.
Как роботы и искусственный интеллект помогут нам управлять здоровьем
Умные алгоритмы и искусственный интеллект
Впервые подобие искусственного интеллекта в медицине было применено достаточно давно, в начале 1970-х годов. Тогда в Стэнфордском университете разработали систему MYCIN («мицин» — отсылка к названию многих поколений антибиотиков. — Esquire), диагностирующую бактерии в организме человека. MYCIN действовала очень просто: она задавала доктору серию вопросов, на которые подразумевался ответ «да» или «нет». После этого машина выводила список бактерий, отсортированный по вероятности, и рекомендовала доктору курс лечения. Такой принцип на первый взгляд кажется примитивным, но он имел неплохой результат: по результатам исследований MYCIN предлагал приемлемую терапию примерно в 69% случаев, что лучше, чем у экспертов по инфекционным болезням, которых оценивали по тем же критериям. MYCIN не получил широкого распространения во многом из-за технологического барьера. Доступные и относительно недорогие микрокомпьютеры появились значительно позже: как раз тогда и возникло понимание, что необходимо внедрять технологии ИИ в медицину.
В 2019 году ИИ в здравоохранении шагнул далеко за пределы методики MYCIN — сейчас это очень широкая область, которая развивается по нескольким направлениям. Сюда относят программы для распознавания и анализа медицинских изображений — снимков МРТ, УЗИ, кардиограмм, результатов компьютерной томографии; разработку лекарственных препаратов — с помощью ИИ проводят микроскопический анализ в лабораториях, изучают эффективность препаратов, исследуют вирусы и ищут эффективные вакцины. Сюда также относят персонализированную медицину, которая повышает качество оказываемой помощи за счет подбора методов лечения с учетом индивидуальных особенностей человека.
Вот только несколько примеров. В Финляндии внедрили решение на базе ИИ для обработки диагностических снимков в маммографии (в Karolinska University Hospital), где каждый диагноз верифицируется двумя профильными специалистами. В Великобритании действует «умное» решение для диагностики патологий зрения (в Moorfield Eye Hospital, Somerset). Его применение доказало, что ранний скрининг и лечение снижает риск потери зрения на 98%.
В сфере развития ИИ в России дела тоже идут обнадеживающе: не так давно была опубликована национальная стратегия развития ИИ, в том числе в области здравоохранения. В прошлом году для этого создали ассоциацию «Национальная база медицинских знаний», цель которой — внедрить высокие технологии в жизнь столицы и регионов. Конечно, 12 месяцев работы — это достаточно мало, чтобы подводить серьезные итоги. Но специалисты «НБМЗ» уже рассказали, что в ходе эксперимента в больнице на Ямале им удалось зафиксировать заметные успехи системы искусственного интеллекта: цифровой ассистент Webiomed, разработанный в России, почти в семь раз эффективнее выявляет риски сердечно-сосудистых заболеваний, чем врачи во время рутинной диспансеризации. Этот эксперимент дает возможность показать, что внедрение ИИ в медицинскую практику по‑настоящему работает.
Сейчас проект по разработке стандарта технологий искусственного интеллекта (ИИ) в медицине ведется и в Москве: им занимается Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицины (НПКЦ) под руководством известного ученого и врача Сергея Морозова.
Информационные системы
Цифровизация — это возможность уйти от бюрократии и ускорить доступ к самой важной информации. Хороший тому пример — южнокорейский госпиталь «Бундан» Сеульского национального университета — первая «безбумажная» больница, где весь документооборот осуществляется в электронном виде.
В госпитале никто не заполняет бумаги: ИТ-система позволяет оформлять истории болезни и назначения врача, анализировать все снимки в цифровом виде. В «Бундане» есть собственный электронный архив клинических данных, система мобильной передачи биометрических данных (анализы и диагностика), система поддержки принятия клинических решений и даже система управления взаимоотношениями с пациентами. Такое решение (вкупе с профессионализмом врачей) позволило госпиталю добиться минимального процента осложнений после операций — всего 0,5%.
К новым информационным системам в медицине относят и другую практику, когда к процессу лечения привлекается сам пациент. «Превращение» пациента из объекта лечения в полноценного участника лечебного процесса позволяет ему чувствовать себя комфортнее, избежать пугающей неизвестности и понимать, что все под контролем. В качестве одного из вариантов включения можно назвать смарт-кровати, которые используют в стационаре госпиталя «Бундан». На экране кровати пациенту доступна вся информация о ходе его лечения, результаты анализов, а также панель управления кроватью, освещением и температурой в помещении. В будущем филиал госпиталя появится на территории Международного медицинского кластера (ММК) в Москве.
Роботы
Самый известный на сегодня робот в медицине — это хирургическая система da Vinci, которая ассистирует врачам-хирургам, обеспечивая «нечеловеческую» точность движений, критически важную в хирургии. Причем такие технологии развиваются достаточно быстро: в 2013 году о роботе-хирурге da Vinci говорили как о прорыве на рынке (хотя первый прототип появился еще в 1980-х, серийное производство стало возможным недавно), а сейчас он уже хорошо внедрен в медицинскую практику по всему миру. В России роботов da Vinci пока не так много — около 25 машин, первая операция с его участием была проведена в Москве в прошлом году.
Если говорить об использовании роботов в работе иностранных клиник, то во многих учреждениях da Vinci — инструмент привычный: например, израильская клиника Hadassah с его помощью активно и успешно борется с опухолями, а немецкая «Мюнхен-Планегг», филиал которой, возможно, скоро появится в Москве, использует da Vinci для выполнения сложнейших оперативных вмешательств на предстательной железе, почках и мочевом пузыре.
Над созданием мобильного хирургического робота Hugo работают в Германии. Планируется, что он сможет применяться в общей, торакальной хирургии и урологии. А в США разработали роботизированную хирургическую платформу Verb, использование которой позволяет повысить эффективность и улучшить результаты в широком диапазоне хирургических процедур.
Телемедицина
Телемедицина — это недорогой, несложный по своему устройству принцип работы, когда для диагностики и лечения заболеваний, для проведения различных исследований, для обмена опытом между врачами привлекаются специалисты, находящиеся в других странах и городах мира. Связь с ними осуществляется через интернет. Этот сегмент здравоохранения признан одним из самых быстрорастущих в мире — около 20% в год. И в большинстве развитых стран мира сегодня телемедицина «вшита» в лечебный процесс, как в части консультаций в формате «врач — врач», так и в формате «врач — пациент».
Первопроходцами в развитии телемедицинских услуг были норвежцы: вероятно, причина тому — большое количество труднодоступных регионов. Второй такой проект воплотили в жизнь во Франции для моряков гражданского и военного флотов. В России в январе 2017 года Госдума приняла законопроект о телемедицине; с этого момента новое направление стали внедрять в жизнь клиник и у нас. Сегодня самой большой популярностью пользуется направление «врач — врач», которое позволяет консультироваться со специалистами онлайн, обсуждать диагнозы, проходить телеобучение и виртуально присутствовать на операциях. Есть и направление «врач — пациент», когда после очного приема доктор может установить дистанционное наблюдение за здоровьем пациента, а это даст возможность получать все рекомендации без посещения поликлиники.
Нельзя не упомянуть и об услуге «второе мнение», когда проводится дополнительная консультация эксперта с целью уточнения диагноза и плана лечения. Например, в клиниках Международного медицинского кластера есть возможность получить экспертное мнение иностранных коллег — совместно с российскими врачами специалисты дистанционно оценивают результаты анализов и поставленные диагнозы. В израильской «Хадасса Медикал», первой клинике, появившейся в ММК, с помощью израильских профессионалов уже не раз устанавливался правильный диагноз и корректировалась тактика лечения: речь идет как о корректности схемы проведения химиотерапии, так и о своевременности оперативного вмешательства.
Симуляционный центр
Симуляция жизни
Все чаще в медицинскую практику внедряют технологии, основанные на симуляции: для врачей это действительно уникальная возможность без рисков и стресса изучить человеческий организм и его реакции. Симуляционные центры оборудуют роботами-пациентами, которые похожи на нас во всех смыслах: инженеры максимально учитывают анатомические и физиологические особенности, симулируется даже реакция на препараты по аналогии с человеческим организмом.
Кроме роботов центры оснащают симуляторами по отработке навыков проведения хирургических процедур. Фиксируя действия врача, после завершения операции компьютер подводит итоги и показывает статистику, что позволяет разобрать с преподавателем все действия и выявить ошибки. Если бы такие центры внедрялись на базе каждой клиники, это позволило бы значительно снизить количество врачебных ошибок. Пока таким функционалом в России обладают немногие: например, собственный учебно-тренировочный симуляционный центр имеет Международный медицинский кластер. Здесь врачи и студенты могут получать дополнительное образование и оттачивать свое мастерство.
Международный медицинский кластер
Все эти решения, от симуляторов до телемедицины, внедряются в Международном медицинском кластере — новом комплексе филиалов ведущих зарубежных клиник, образовательных и научно-исследовательских организаций, созданном на территории ИЦ «Сколково» в Москве. В этом смысле ММК можно назвать первопроходцем, по пути которого будут следовать другие клиники.
Уже сейчас и в будущем российские пациенты смогут получать здесь медицинскую помощь мирового уровня, а российские и зарубежные эксперты — оперативно обмениваться опытом. Первая клиника — филиал израильского госпиталя «Хадасса» — уже работает, она открылась год назад, а в 2020 году начнется строительство французского реабилитационного центра «Орпеа», многофункционального медицинского центра, где разместятся небольшие специализированные клиники. По прогнозам, через десять лет на территории кластера должны заработать более 10−15 зарубежных клиник.
Мы побеседовали с директором по внешним коммуникациям Фонда ММК Фаиной Филиной о доступности медицинской помощи, о работе кластера и о будущем медицины в целом:
Нельзя отрицать, что сейчас внедрение ИИ, роботов и других технологий в медицину даже в Москве воспринимается как ноу-хау, не говоря о регионах. Связано это с тем, что качество медицинского обслуживания и его доступность в России по‑прежнему оставляет желать лучшего. Поможет ли проект ММК изменить эту ситуацию?
Мы верим в это. Важная миссия ММК — трансфер передовых технологий стран ОЭСР (Организация экономического сотрудничества и развития) в области медицины, образования и науки в Россию. Благодаря этому российские пациенты смогут легко получать медицинскую помощь международного уровня, а также иметь доступ к самым передовым технологиям и методам лечения. Сейчас у нас в кластере строятся иностранные клиники, ведущие по различным нозологиям (раздел медицины, специализация. — Прим. ред.), будет создан R&D-технопарк. Кроме того, активно развивается образовательное направление: на базе кластера мы хотим создать платформу, с помощью которой российские врачи смогут обмениваться опытом с иностранными коллегами, осваивать новые навыки и в итоге повышать свою квалификацию.
Мы регулярно проводим конференции, посвященные лучшим мировым практикам управления качеством медицинской помощи, международному опыту симуляционных центров, а также развитию медицинского туризма в России. Мы привлекаем иностранных экспертов, чтобы они поделились опытом своих стран и дали возможность сравнить их путь к качественной медицинской помощи с российским опытом. Кроме этого мы запустили школу медсестер на базе нашего первого участника «Хадасса Медикал»: во многих странах средний медицинский персонал является активным участником лечебного процесса, тогда как в России функционал сестринского персонала существенно ограничен. Предоставление медсестрам более широких возможностей для развития, выстраивания внутренних процессов в медицинском учреждении, включая управление качеством и безопасностью медицинской помощи, позволит снизить нагрузку на врачей, улучшит внутренние процессы в медицинских учреждениях и сделает профессию более привлекательной, тем самым справляясь с дефицитом медицинского персонала.
Каким образом можно обратиться за помощью в ММК, насколько это дорогое удовольствие? Когда мы говорим о филиалах лучших зарубежных клиник, в голове возникает длинный ряд нулей…
Пациентом клиник может стать каждый человек вне зависимости от гражданства и места жительства. Записаться в уже работающую израильскую клинику «Хадасса» и ознакомиться с ценами можно на сайте. Цены на израильскую медицину сопоставимы с ценами частных клиник Москвы. Консультации у израильских экспертов из головного госпиталя стоят дороже, но в этом случае у пациентов нет необходимости тратить деньги на перелет и проживание в другом городе. Кроме того, консультация израильских специалистов — это не просто дорогостоящая услуга, но полноценный прием врача по международному протоколу на территории России. Без посредников, с экономией на перелетах и проживании в другой стране. В «Хадасса» в медкластере работает полноценный диагностический центр, позволяющий проводить полную комплексную диагностику.
В клиниках возможно обслуживание по ДМС, частным платежам и направлениям от благотворительных организаций. Благотворительные фонды принимают активное участие в оплате консультаций для детей с редкими заболеваниями. Примерно раз в месяц к нам приезжает известный онкогематолог Полина Степенская, и российским пациентам-детям точно удобнее приходить на прием здесь, чем лететь в Израиль.
Можете ли вы дать прогноз, через какое время все эти технологии станут частью медицинской практики по всей России — это вопрос нескольких лет или все же десятков?
Несмотря на то что медицина достаточно консервативна, в нее, как и в другие отрасли, активно проникают технологии: ведущие клиники мира оперируют при помощи роботов, переводят всю информацию в цифровой вид.
Но технологии не единственное, что может ускорить лечение и сделать его эффективнее, поэтому не стоит думать, что с повышением доступности новых технологий мгновенно улучшится качество медицинского обслуживания. Безусловно, они значительно повышают качество оказываемой помощи, позволяют выявить проблемы на ранних стадиях. Но не стоит забывать о навыках и знаниях самого врача: о чутком отношении к пациенту, об «исцеляющей» архитектуре, позволяющей снизить стресс и сделать нахождение в клинике более приятным, а также о развитии пациентской грамотности. Важно формировать и культуру заботы о своем здоровье, информировать население обо всех рисках, о необходимости регулярных чекапов, популяризировать проактивный подход к здоровью. Эти факторы действительно могут повысить качество жизни людей.
Когда пациент относится к здоровью как к индивидуальному капиталу, которым можно и нужно управлять, он превращается в партнера врача/медицины, а это, в свою очередь, позволяет избежать многих заболеваний или обнаружить их на ранней стадии и вылечить.
Роботы в медицине
Сегодня исследовательские группы по всему миру пытаются нащупать концепцию использования роботов в медицине. Хотя правильнее, пожалуй, говорить «уже нащупали». Судя по количеству разработок и интересу всевозможных научных групп, можно утверждать о том, что магистральным направлением стало создание медицинских микророботов. Сюда же можно отнести и роботов с приставкой «нано-». Причём первые успехи в этой области были достигнуты сравнительно недавно, всего восемь лет назад.
В 2006 году группа исследователей под руководством Сильвана Мартеля впервые в мире провела успешный эксперимент, запустив крошечного робота размером с шарик от авторучки в сонную артерию живой свиньи. При этом робот перемещался по всем назначенным ему «путевым точкам». И за прошедшие с тех пор годы микроробототехника несколько продвинулась вперёд.
Одной из главных целей для инженеров сегодня является создание таких медицинских роботов, которые будут способны перемещаться не только по крупным артериям, но и по относительно узким кровеносным сосудам. Это позволило бы проводить сложные виды лечения без столь травматического хирургического вмешательства.
Задача создания подобных микророботов находится на стыке целого ряда научных дисциплин. Например, с точки зрения физики — как заставить столь малый объект самостоятельно двигаться в вязкой жидкости, которой для него является кровь? С точки зрения инженерии — как обеспечить робота энергией и как отслеживать перемещение по организму крохотного объекта? С точки зрения биологии — какие использовать материалы для изготовления роботов, чтобы они не наносили вреда организму человека? А в идеале, роботы должны быть биоразлагаемыми, чтобы не пришлось ещё решать проблему их вывода из организма.
Одним из примеров того, как микророботы могут «загрязнять» тело пациента, является «биоракета».
Этот вариант микроробота представляет собой титановое ядро, окружённое оболочкой из алюминия. Диаметр робота 20 мкм. Алюминий вступает в реакцию с водой, в ходе которой на поверхности оболочки формируются пузырьки водорода, которые толкают всю конструкцию. В воде такая «биоракета» проплывает за одну секунду расстояние, равное 150 своим диаметрам. Это можно сравнить с человеком двухметрового роста, который за секунду проплывает 300 метров, 12 бассейнов. Работает такой химический двигатель около 5 минут благодаря добавке галлия, уменьшающего интенсивность образования оксидной плёнки. То есть максимальный запас хода составляет около 900 мм в воде. Направление движению задаётся роботу внешним магнитным полем, а использовать его можно для точечной доставки лекарств. Но только после иссякания «заряда», в пациенте окажется россыпь микрошариков с алюминиевой оболочкой, который отнюдь не благотворно влияет на организм человека, в отличие от биологически нейтрального титана.
Микророботы должны быть так малы, что просто масштабировать до нужного размера традиционные технологии не получится. Никаких стандартных деталей подходящего размера тоже не производят. А даже если бы и производили, они бы просто не подошли для таких специфических нужд. И потому исследователи, как это уже много раз было в истории изобретений, ищут вдохновения у природы. Например, у тех же бактерий. На микро, и тем более наноуровне действуют совсем другие физические законы. В частности, вода является очень вязкой жидкость. Поэтому нужно применять другие инженерные решения для обеспечения движения микророботов. Бактерии эту задачу зачастую решают с помощью ресничек.
В начале этого года группа исследователей из Университета Торонто создала прототип микроробота длиной в 1 мм, управляемого внешним магнитным полем и оснащённого двумя захватами. Разработчикам удалось с его помощью построить мост. Также этот робот может использоваться не только для доставки лекарств, но и для механического восстановления тканей в кровеносной системе и органах.
Мускульные роботы
Ещё одно интересное направление в микроробототехнике — роботы, приводимые в движение мускулами. Например, есть такой проект: стимулируемая электричеством мышечная клетка, к которой прикреплён робот, чей «хребет» сделан из гидрогеля.
Эта система, по сути, копирует природное решение, встречающееся в организмах многих млекопитающих. Например, в теле человека сокращение мышц передаётся костям через сухожилия. В данном биороботе, когда клетка сокращается под действием электричества, то «хребет» сгибается и поперечные перекладины, выполняющие роль ног, притягиваются друг к другу. Если одна из них при сгибании «хребта» перемещается на меньшее расстояние, то робот движется по направлению к этой «ноге».
Есть и другое видение, какими должны быть медицинские микророботы: мягкими, повторяющими формы различных живых существ. Например, вот такая робо-пчела (RoboBee).
Правда, она предназначена не для медицинских целей, а для целого ряда других: опыления растений, поисково-спасательных операций, обнаружения ядовитых веществ. Авторы проекта, конечно, не копируют слепо анатомические особенности пчелы. Вместо этого они внимательно анализируют всевозможные «конструкции» организмов различных насекомых, адаптируя и воплощая их в механике.
Или другой пример использования имеющихся в природе «конструкций» — микроробот в виде двустворчатого моллюска. Движется он с помощью хлопанья «створок», создавая тем самым реактивную струю. При размере около 1 мм он может плавать внутри человеческого глазного яблока. Как и большинство других медицинских роботов, этот «моллюск» в качестве источника энергии использует внешнее магнитное поле. Но есть важное отличие — он лишь получает энергию для движения, само поле его не двигает, в отличие от большинства других видов микророботов.
Большие роботы
Конечно, одними лишь микророботами парк медицинской техники не ограничивается. В фантастических фильмах и книгах медицинские роботы обычно представляются в виде замены хирурга-человека. Мол, это некое крупное устройство, которое быстро и очень точно производится всевозможные хирургические манипуляции. И не удивительно, что эта идея была реализована одной из первых. Конечно, современные хирургические роботы не способны заменить человека целиком, но зашивание им уже вполне доверяют. Также они используются в качестве продолжения рук хирурга, как манипуляторы.
Однако в медицинской среде не утихают споры относительно целесообразности использования таких машин. Многие специалисты придерживаются мнения, что особых выгод такие роботы не дают, а благодаря своей высокой цене существенно увеличивают стоимость медицинских услуг. С другой стороны, есть исследование, согласно которому пациентам с раком простаты, подвергавшимся хирургической операции с роботом-ассистентом, в дальнейшем требуется менее интенсивное применение гормональных средств и радиотерапии. В общем, неудивительно, что усилия многих учёных оказались направлены на создание микророботов.
Интересным проектом является Робонавт (Robonaut), телемедицинский робот, предназначенный для оказания помощи космонавтам. Это пока экспериментальный проект, но такой подход может быть использован не только для оказания таким важным и дорогим в подготовке людям, как космонавты. Телемедицинские роботы могут быть использованы и для оказания помощи в различных труднодоступных районах. Конечно, это будет целесообразно только в том случае, если дешевле будет установить в лазарете какого-нибудь глухого таёжного или горного посёлка робота, чем держать фельдшера на зарплате.
А этот медицинский робот ещё более узкоспециализирован, он используется для лечения облысения. ARTAS занимается автоматическим «выкапыванием» волосяных фолликул из кожи головы пациента, основываясь на фотографиях высокого разрешения. Потом врач-человек вручную внедряет «урожай» в облысевшие участки.
Всё-таки мир медицинских роботов вовсе не так однообразен, как может показаться неискушённому человеку. Более того, он активно развивается, идёт накопление идей, результатов экспериментов, ищутся наиболее эффективные подходы. И кто знает, возможно, ещё при нашей жизни слово «хирург» будет означать врача не со скальпелем, а с баночкой микророботов, которых достаточно будет проглотить или внедрить через капельницу.