مقال بالانجليزية عن العمليات الجراحية بالروبوت 

Robotic surgery

Overview

Technology is revolutionizing the medical field with the creation of robotic devices and complex imaging. Though these developments have made operations much less invasive, robotic systems have their own disadvantages that prevent them from replacing surgeons. Minimally invasive surgery is a broad concept encompassing many common procedures that existed prior to the introduction of robots, such as laparoscopic cholecystectomy or gall bladder excisions. It refers to general procedures that avoid long cuts by entering the body through small (usually about 1cm) entry incisions, through which surgeons use long-handled instruments to operate on tissue within the body. Such operations are guided by viewing equipment (i.e. endoscope) and, therefore, do not necessarily need the use of a robot. However, it is not incorrect to say that computer-assisted and robotic surgeries are categories under minimally invasive surgery.

Both computer-assisted and robotic surgeries have similarities when it comes to preoperative planning and registration. Because a surgeon can use computer simulation to run a practice session of the robotic surgery beforehand, there is a close tie between these two categories and this may explain why some people often confuse them as interchangeable. However, their main distinctions lie in the intraoperative phase of the procedure: robotic surgeries may use a large degree of computer assistance, but computer-assisted surgeries do not use robots.

Computer-assisted surgery (CAS), also known as image-guided surgery, surgical navigation, and 3-D computer surgery, is any computer-based procedure that uses technologies such as 3D imaging and real-time sensing in the planning, execution and follow-up of surgical procedures. CAS allows for better visualization and targeting of sites as well as improved diagnostic capabilities, giving it a significant advantage over conventional techniques. Robotic surgery, on the other hand, requires the use of a surgical robot, which may or may not involve the direct role of a surgeon during the procedure. A robot is defined as a computerized system with a motorized construction (usually an arm) capable of interacting with the environment. In its most basic form, it contains sensors, which provide feedback data on the robot’s current situation, and a system to process this information so that the next action can be determined. One key advantage of robotic surgery over computer-assisted is its accuracy and ability to repeat identical motions.

Further division

Robotic surgery can be further divided into three subcategories depending on the degree of surgeon interaction during the procedure: supervisory-controlled, telesurgical, and shared-control. In a supervisory-controlled system, the procedure is executed solely by the robot, which will act according to the computer program that the surgeon inputs into it prior to the procedure. The surgeon is still indispensable in planning the procedure and overseeing the operation, but does not partake directly. Because the robot performs the entire procedure, it must be individually programmed for the surgery, making it extremely expensive to gather several images and data for one patient. A telesurgical system, also known as remote surgery, requires the surgeon to manipulate the robotic arms during the procedure rather than allowing the robotic arms to work from a predetermined program. Using real-time image feedback, the surgeon is able to operate from a remote location using sensor data from the robot. Because the robot is still technically performing the procedure, it is considered a subgroup of robotic surgery. The da Vinvi® Surgical System, the current leading device in this field, belongs to this section of robotic surgery. The third shared-control system has the most surgeon involvement. The surgeon carries out the procedure with the use of a robot that offers steady-hand manipulations of the instrument. This enables both entities to jointly perform the tasks.

Before these procedures can be carried out, robotic surgery requires the use of computer imaging to diagnose and perform the operation. These imaging modalities can generate either 3-D figures through computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) or 2-D ones through ultrasonography, fluoroscopy, and X-ray radiography. Out of the various methods of imaging, the main one in use is computer tomography (CT). CT scans use back projection and detectors to obtain cross-section images that are particularly useful when diagnosing cancers and viewing the chest and the abdomen. This kind of imaging is critical to diagnosis. Because these images can pinpoint pathologies, the surgeon is given a great degree of precision in guiding the instruments around healthy tissue with minimal injury. However, before the procedure can be carried out, there are three steps that must be overcome: planning, registration, and navigation. Planning is achieved through the careful observation of the images that are generated through these different imaging modalities. The surgeon uses this information to determine surgical pathways and methodologies. Following this step, the surgeon must coordinate the image data with the actual patient in a process known as registration. Once this is achieved, a surgeon or robot can implement the navigation step. Using the planning and images, surgeons can manually guide instruments through the patient (computer-assisted) or robotic arms can carry out the procedure (robotic) using sensor feedback. The decision between robotic or manual navigation depends on cost, safety concerns, difficulty of execution, and other factors. These variables are changing, however, with the advent of cheaper robotic production methods and added safety features.

Because computer-assisted and robotic surgeries are so integrated, the advanced imaging techniques and robotics we explore will be classified as robotic surgery, or computer-assisted robotic surgery. Even if nothing is ever one hundred percent safe, devices have the potential to be fatal if they malfunction. Therefore, considerable consternation exists in the medical field over these equipment. Industries have attempted to reduce these risks through redundant sensors and robot movement barriers, but these safety features increase cost, making them inaccessible to some physicians. Nevertheless, robotic arms can access the body much easily through the small incisions than a surgeon can, and can integrate large amounts of data and images to access areas deep within the body with precision. And though they cannot process qualitative information to make judgments during the surgery, they are still able to filter out hand tremors and scale the surgeon’s large movements into smaller ones in the patient.

Source: Table from Howe, RD, Matsuoka, Y. “Robotics for Surgery.” Annual Review Biomedical Engineering. 1999, 01:213.

As will be seen, robots do not actually replace humans but rather improve their ability to operate through the small incisions. In programming these devices, considerable effort is put into creating proper algorithms, accurate sensors, and improved user interfaces. Technology is becoming more and more integrated into the medical system. From imaging systems to preprogrammed robots, each specialty is finding benefits from these advances. In this website, we will explore the influence of computer-assisted surgery on neurosurgery, orthopedics, urology, and cardiology as well as look into current trends and future outlooks for this growing field in medicine.

الأطراف الصناعية و البديلة (البِدْلِيَّات) – (Prosthetics)

الأطراف الصناعية من أهم المجالات الواجب دراستها في العالم العربي، فطالما نحن في مشكلاتنا السياسية التي لا تنتهي و الحروب التي آلت على نفسها إلا ألّا تفارقنا، بالإضافة إلى آلاف الألغام المبعثرة على طول مئات الكيلومترات من الأرض العربية يحتم علينا كعرب الاستعداد لعواقب ذلك.
في واقع الأمر هناك محوران أساسيان نتحدث عنهما هنا: نقل و زراعة الأطراف بالتوازي مع الأطراف البديلة و الصناعية. أما نقل و زراعة الأطراف فقد سمعنا كيف تم نقل و زراعة قلوب و قرنيات و كلى و أكباد و الكثير من الأعضاء التي باتت اليوم مثل قطع الغيار تماماً! و مع ازدياد الطلب على هذه العمليات، صرنا نلاحظ ازدياد و إلحاح الطلب على وجود متبرعين لهذه الأعضاء، و نقل الأعضاء و زراعتها مرتبط بكثير من العوامل التي تحدد نجاحها مثل استعداد الطرف المستقبِل و تقبل جسمه للعضو المزروع. يرى العاملون في هذا المجال بأنه من المهم استثمار الوقت و الجهد و المال في هذا المجال، إذ أنه لا يمكن لأي جهاز مصنع مضاهاة الوظائف و الدقة و التحكم بالمقارنة مع العضو الطبيعي. اليوم نسمع عن زراعة أياد و كلام عن زراعة وجوه كاملة و مستوى جديد تماماً يتعدى مفاهيمنا التقليدية عن زراعة الأعضاء.
و لأن الزراعة لم تصل إلى حد استبدال الأطراف الصناعية بشكل كامل نجد أن هناك تطويراً دائماً لعلم الأطراف الصناعية. فهو ليس علماً جديداً، لكن الجديد فيه هو حجم العلوم التي دخلت على هذا الخط و التقدم الحتمي الذي نجم عن دخولها. الأذرع و الأرجل الصناعية سبقت النقل و الزراعة بكثير فكان من الطبيعي أن تكون أساليب صناعتها و ملائمتها و استخدامها نضجت بشكل أكبر من حيث المبدأ و التطبيق. و إذا تساءلنا عن تاريخ و بدايات هذا العلم، فليس أبلغ كلاماً من الصور:

فهذه الصورة تمثل قدماً صناعية قديمة تعود إلى مئات السنين ما قبل الميلاد!
مرت هذه الأطراف بالعديد من مراحل التطور و التحويل. كلنا نتذكر الأشكال الملفتة للصغار و هم متسمرون أمام شاشة التلفزيون عند عرض فيلم أو مسلسل كرتون عن القراصنة. و كلنا نتذكر الشخصية الكرتونية للقرصان…

نعم إنه القرصان جون سلفر من جزيرة الكنز، و هو لا يزال يسمى أسطورة الساق الخشبية في الكثير من المنتديات العربية على الإنترنت.

تلك الجاذبية الخاصة لهذه الشخصية و التي لاقت الكثير من الاستحسان منا وقت كنا أطفال. قرصان شجاع و يقوم بما لا يقدر عليه شديد البحارين و هم بساقين! و القراصنة بشكل عام معروفون باستخدام أساليب مبتكرة بتوظيف أدوات غريبة لتحل محل أطرافهم المبتورة. و إذا كانت قطعة من الخشب و عكاز حلت مشكلتهم في ساق مبتورة، فقد حلّو مشكلة اليد المقطوعة بخطاف حديدي!

حتى الفرسان و البحارة فلم يكونوا أوفر حظاً!

حتى الحيوانات لها من الحب جانب! فالصورة التالية تبين حصانا يسير على ساق بديلة…

و بتطور العلم و التكنولوجيا صرنا نلاحظ العديد من المعادن التي بدأت تستبدل الخشب و الحديد التقليديات. صرنا نلاحظ مواداً غير قابلة للصدأ تدخل على الخط، صرنا نلاحظ دخول التينانيوم (Titanium) و الألومنيوم (Aluminum). صرنا كذلك نلاحظ دخول اللدائن (Plastic) و المطاط و مواد مثل البيلون (Pylon) و المَكْثُوْرات (المبلمرات – Polymers) من مثل عديد الإيثيلين (Polyethylene)، عديد البروبيلين (Polypropylene)، الأكريليك (Acrylics) و عديد اليوريثين (Polyurethane). هذه المواد كانت على درجة من الرواج و الفعالية لدرجة أنها استبدلت صوف جوارب السيقان الصناعية التي كانت تستخدم في السابق لتحل محلها. طبعاً الأمر بديهي باعتبار أن المكثورات تصنع من النفط.من الأمثلة المهمة على استخدام عديد اليوريثين هو استخدامه كرغوة قابلة للتشكيل و تشكيلها على شكل العضو المبتور. و اليوم تساعد برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (Computer Aided Design - CAD) في هذه المهمة بشكل كبير.
اليوم نحن في مستوى آخر عن ذلك التاريخ. اليوم نحن نستخدم الإلكترونيات و التحكم في الآليات الكبيرة و الصغيرة و البسيط منها و المعقد. بما اننا قادرون على ذلك، لم لا نستعمل هذه التكنولوجيا في مجال الأعضاء المبتورة؟ و بالفعل نحن نفعل ذلك. إلا أن هناك قضايا يجب وضعها في الحسبان.
إذا نظرنا إلى كيف تعمل آلية الحركة في جسم الإنسان فإننا يمكن لنا إيجازها كما يلي:

1. الدماغ يرسل سيالاً عصبياً إلى العضلة الهدف المراد تحريكها.
2. الحبل العصبي و شبكة من الأعصاب نتقل هذه الإشارة إلى العضلة الهدف.
3. تنقبض العضلة الهدف مستندة على العظام التي نتزلق بدورها على الغضاريف.

إذا حدث أي خلل أثناء هذه العملية سواء بعدم اكتمالها إلى آخرها أو بغياب الطرف المتسبِّب بها أو المنفعِل بها فإن العملية تفشل أو لا تتم كما ينبغي.
معظم مبتروي الأطراف تتوقف عندهم العملية عند النقطة رقم (3). المطلوب هنا عضلة من شكل معين و طريقة للسيطرة على حركتها. إذا أردنا دراسة ذراع مثلاً، فيجب علينا أن نتذكر أن فيها من المتحسسات و المحركات و آليات الاستجابة مما يُعجَز عنه حقاً. هذا العمل المعجز يوجب علينا تسبيح الخالق في شدة تعقيدها و قدرتها الفريدة على أداء وظيفتها. فمن بعض ما يجب دراسته عن الذراع الطبيعية و الواجب إسقاطه على الصناعية مثلاً:

• الحركة في اتساعات و زوايا محددة تقدم أفضل أداء لللإنسان. إذا أردت تحديد هذه الحسابات و الزوايا و تسارعات الحركة و الاستجابة الراجعة (Feedback) الواجب حسابها فلا بد من حاسوب ليساعدك على أدائها و إن كنت أشك في القدرة على حسابها كلها دفعة واحدة و بكامل الدقة دون اللجوء إلى حاسوب عملاق (Super Computer)!  و الشكل التالي ليس إلا حسابات يسيرة:

• الذراع الطبيعية قادرة على الثبات على وضعها. فهي قادرة على تحمل الأوزان و الضغوط دون تغيير يذكر في مكانها و إن كانت تستدعي في تلك الحالات أنماط انقباض عضلية معيبة و ارتكازات على العظام محددة. قصة ليست سهلة بالتأكيد.

و ما يمكن إجماله عن عجز الساق الصناعية عن مضاهاته في الطبيعية ما يلي:

• أحد القضايا التي يستحيل على الذراع الصناعية محاكاتها هو وجود ملايين النهايات العصبية القادرة على تحسس الضغط و الحرارة و الحكة و اللمس و هو ما يكاد يستحيل وجوده كله في ذراع صناعية مهما تقدمت.
• أصعب ما يمكن أن تملكه الذراع البشرية و التي لا تملكها اليد الاصطناعية مثلاً هو قدرتها على إصلاح نفسها بنفسها في حال تعرضت لكسور بسيطة أو جروح أو خدوش. فهي قادرة على إصلاح نفسها بنفسها و دون مساعدة أحد!
• هي كذلك فهي ذات مساعدة فعالة في نتظيم حرارة الجسم من خلال تعرق جلدها و قدرتها على اختزان المعذيات في تراكيبها! ناهيك عن قضايا نتظيم الضغط كذلك. سأي ذراع صناعية تلك التي تستطيع فعل ذلك؟

الأطراف الصناعية الحديثة يتم ربطها بالأعصاب البشرية و هي تستقبل الإشارة من النظام العصبي البشري. الإشارة تتم ملائمتها (Signal Conditioning) و إسقاط الحسابات اللازمة و إجراء المعالجة المطلوبة عليها (Processing) لترسل بعدها إلى محركات عالية الدقة (Servo) و التي تتقيد إلى درجة كبيرة بالمعلومات القادمة إليها من أجهزة ملائمة الإشارة.
الأمر الأكثر أهمية من إصدار الأوامر بالحركة هو الاستجابة الراجعة على القادمة من المتحسسات. بمعنى آخر إذا استطاعت الذراع الآلية الإمساك ببيضة دون كسر قشرتها أو مصافحة شخص دون إيذاء يده فهذا يعني أننا حققنا مرادنا. الكثير من التطوير منصب على هذه الخانة و الكثير من التقدم أحرز فعلاً في هذا المجال فالحساسات هنا هو جوهر الأمر كله! تتكلف حساسات مهمة الإخبار بالوصول إلى حد معين من الضغط و السيطرة و على المعالج في الذراع الصناعية التقرير.
بالنسبة لموضوع تحسس الضغط و الحرارة، فقد تمكن بعض الباحثين من "إعادة توصيل" (Rewire) بعض الأعصاب التي كانت تنتهي إلى الأطراف المبتورة إلى عضلات الصدر لتعمل كمضخم إشارة حيوي (Biological Amplifier)! تنقبض عضلات الصدر لدى إصدار أوامر الحركة لتستشعرها مجسات الطرف البديل و تستجيب لها تباعاً. ليست حلاً سحرياً جداً و لكنه يفترض بأنه يحل مشكلة! و سترى هذه التكنولوجيا بالتفصيل في الفيديو الثالث: (Cutting Edge Prosthetic Arms).
أحد المشكلات التي كانت مصاحباً دائماً للأذرع الآلية هو عدم قدرتها على الحصول على الطاقة من الجسم مباشرة (يجب علينا أن ننسى موضوع عمل العضلات على حرق سكر الجسم هنا فلدينا محركات كهربائية و معادن هنا). الطاقة التي تستمدها هذه الآذرع الآلية يتم من خلال بطاريات تشحن دورياً.
من أوائل الأذرع الناجحة التي ظهرت كانت هذه:
أما اليوم فتبدو الأذرع الصناعية اليوم:

و هذا تقرير عن أحدثها:

أما مستقبلها و بالنظر إلى حاضرها فلربما يبدو هكذا:

الأمر ليس بسهل و لكن علوم الهندسة الميكانيكية و الإلكترونية و معالجة الإشارة و الهندسة الآلية و الرياضيات و الطب تجتمع كلها في بوتقة واحدة و تنصهر هنا لتخرج لنا بهذا العلم الرفيع…و ما العلم الطيب إلا لرسم بسمة لا أكثر…

 بعض مقاطع الفيديو التي توضح عمل الروبوتات الجراحية

 

 بعض مقاطع الفيديو التي توضح عمل الأطراف الصناعية

المهام الاكلينيكية للنظم الخبيرة.

          توجد العديد من المهام الاكلينيكيه (السريريه) التي يمكن تطبيق النظم الخبيرة لها مثل

   -    إصدار تنبيهات

في الحالات التي تسمى حالات الزمن الحقيقي real-time ،يمكن لنظام خبير متصل بمرقاب ان ينبه الى تغييرات في الحاله الصحيه للمريض

-          المساعدة في التشخيص

حينما تكون حالة المريض معقدة او ان الشخص الذي يقوم بالتشخيص غير ذي خبرة، يمكن للنظام الخبير تقديم تشخيصات مجديه اعتمادا على بيانات المريض

-          اقتراح العلاج

يمكن للنظام الخبير ان يصيغ خطه علاجيه بناء على حالة المريض وأدلة العلاج المعتمدة

-          تمييز الصور وتفسيرها

يمكن الآن تفسير الصور الطبيه آليا ابتداء من أشعة X  والى الصور المعقدة مثل صور الاوعية الدمويه وتخطيط MRI.

نماذج لأنظمة خبيره في مجال الطب

• نظام Dxplain

    يستخدم هذا النظام للمساعدة في عمليات التشخيص، ويستقبل فئة من الخصائص الاكلينيكيه مثل العلامات والاعراض وبيانات معمليه ثم يُنتج قائمة من التشخيصات ، ويقدم تبرير لكل تشخيص ويقترح المزيد من الفحوصات. يحتوي هذا النظام على قاعدة بيانات لأكثر من 4500 ظاهرة اكلينيكيه ذات علاقه بأكثر من 2000 مرض مختلف. ويستعمل Dxplain في عدد من المسشفيات والمدارس الطبيه لأغراض التعليم السريري، ولكنه ايضا متاح للإستشارات السريريه. ويلعب كذلك دورا بمثابة كتاب طبي الكتروني

• نظام PUFF

يستعمل هذا النظام لتفسير اختبارات وظائف الرئة وقد بيع بشكل تجاري لعدة مئات من المواقع

• نظام PEIRS

يعمل هذا النظام على تقديم تفسيرات لعدد 100 تقرير يوميا مع التشخيص اللازم وبدقة حوالي 95% في مجالات مثل

-          إختبارات الغدة الدرقيه

-          Hcg   (       human chorionic gonadotrophin          )

-          AF  (Alpha fetoprotein            )

-          اختبارات تحمّل  مواد مثل كورتيزول Cortisol، جاسترين Gastrin

مفهوم العمليات الجراحيه عن بعد 

هي مقدرة الجراح على إجراء عملية جراحية لمريض ما حتى وإن لم يكونوا  فيزيائيا  في نفس الموقع ، وحتى يتم لنا ذلك يجب أن نجمع بين :

* روبوتات الجراحه عن بعد.

*أحدث تكنولوجيا الإتصالات مثل الإتصالات عالية السرعه.   

*التبادل الفعال لنظم المعلومات الإدارية بين الجهتين .

و مع أن القليل من المستشفيات تسطيع توفير مستلزمات هذه التقنيه إلا أن الأطباء والعلماء يعولون عليها الكثير من الآمال منها : أن لا يحتاج أي مريض للسفر لأجل تلقي العلاج ، حيث يستطيع الطبيب إجراء عمليات دقيقه عن بعد مهما كان المسافه بينه وبين المريض .

ماهية الذكاء الإصطناعي في المجال الطبي وتعريفه

 

في البداية حتى نتعرف على دور الذكاء الإصطناعي في المجال الطبي لابد لنا من فهم ماهيته وتعريفه، فالذكاء الإصطناعي هو  فرع من فروع علم الحاسب  ، الذي يسعى لمحاكاة  العقل البشري ، وتصنيع آلات تقوم بعمل المهام التي تحتاج العقل البشري لإنجازها عادة ، ولها تطبيقات كثيره في كل المجالات ، ولكننا سنكتفي بعرض بعض الأمثله المتصلة بالمجال الطبي والرعاية الصحية :

 

الإنسان الآلي أوالروبوت :

هي ألات مصممة لتبدو  وتتصرف مثل الإنسان ،  فهي تستطيع الكلام ، المشي ، وفهم الكلام البشري حتى أن بعضها يستجيب للإيحاءات والتأثيرات الصوتية ، وبعضها الآخر يتعلم من البيئة المحيطه .

هي تخزن المعلومات وتكيف تصرفاتها تبعا لخبرتها السابقه .

الإنسان الآلي الجراحي :

وهو الذي يساعد الجراحين على إجراء العمليات الجراحيه ، إذ تتم برمجته إما لمساعدة الجراحين في العمليات الجراحية الشديدة الدقه ، أو ليحاكي حركات الجراحين في العمليات التي تتم عن بعد .

الأطراف التعويضية الذكية :

   يوجد بين كل مليون شخص في العالم نحو 390 فقدوا أطرافاً ، ويمتلكون أو قد لا يمتلكون أطراف تعويضية بديلة، وفي دول الاتحاد الأوربي ما يقترب من 156

         ألف شخص يعيشون بأطراف تعويضية. وللأسف لا تزال مطحنة الحروب تزيد من هذه المأساة العالمية . إن فكرة الأطراف التعويضية قديمة قدم التاريخ ، ولكن الجديد هنا هو استخدام أطراف ذكيه تستطيع القيام بمعظم الوظائف التي تقوم بها اليد الطبيعية ، وقد تكون قادرة على الإحساس في يوم ما !!

           بدأت مراحل المشروع العلمي الذي يجمع ما بين الطب والتكنولوجيا في مايو 2002م . ويهدف إلي صناعة نوع فريد من الأطراف الصناعية عالية التعقيد  والمميزات، تُمكن الإنسان باستخدامها من الإحساس بما تلمسه اليد الصناعية المثبتة بدل المبتورة، وأيضاً التمكن من استخدامها في عمل نفس الأمور التي بإمكان اليد أن تقوم بها من الحركة والتقاط الأشياء والكتابة والضرب على الآلة الكاتبة وغيرها من المهارات.

         وقد تم بالفعل إعلان نتائج تجربة رائدة في مجال تصميم الأطراف الصناعية أبطالها فريق من علماء الأعصاب في جامعة بتسبرغ الأمريكية إذ تمكنوا من تصنيع أطراف صناعية تعويضية تحت سيطرة الدماغ ، ويعتمد تحريك مثل هذه الأذرع على جهاز يتم زرعه في الدماغ يتيح التقاط بعض أشكال النشاط العصبي و تحويله إلى فعل ( تحويل الفكرة في الدماغ إلى تصرف تقوم به اليد الصناعية من خلال التقاط الإشارات العصبية ).

وقد تمت تجربة هذا الجهاز على مجموعة من القردة التي تعرضت لحوادث بتر ، وتمكنت هذه القردة بالفعل من التقاط طعامها و الاعتماد على نفسها...وفيما يلي مجموعة من الصور الموضحه لهذه الأطراف :