USE OF ROBOTS IN DENTISTRY. PART 1. ROBOTIC SYSTEM FOR TRAINING DENTAL STUDENTS AND PROFESSIONALS

Full Text

Введение В 1921 г. чешский писатель Карел Чапек использовал слово «робот» в своей научно-популярной пьесе «R.U.R» (Rossum’s Universal Robots - первый показ на сцене в Праге 25 января 1921 г.). Этимологическое происхождение слова «робот» можно найти в чешском языке - слово «робота» означает «принудительный труд», из древнецерковнославянского «работа» или «рабство» [1-3]. Первое применение робота в хирургической операции произошло в 1985 г. Робот PUMA 560 использовался для позиционирования иглы для биопсии головного мозга, по данным компьютерной томограммы [2, 4, 5]. В 1988 г. тот же робот выполнил первую хирургическую операцию - трансуретральную резекцию. Одно из основных отличий хирургического робота от шарнирного штатива заключается в том, что плечо робота, фиксирующее рабочий инструмент, соединяется несколькими суставами, и движения в каждом суставе высчитываются и регулируются компьютером [5]. В настоящее время в нейрохирургии применяется около 17 различных роботов (PUMA 200, Da Vinci, SOCRATES, Steady-hand Surgery, Neurolocate, Neuromate, Pathfinder, Neuroarm, Spine Assist, Renaissance, iArmS, EXPERT system, iSYS1 Robot, Spinal Robotics, Augmented Reality System, Neurosurgical Laser, ROSA и др.) [6]. В 1994 г. хирургическая роботическая система Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP), разработанная компанией Computer Motion, первой получила в США разрешение на применение в хирургической практике от Food and Drug Administration (FDA). В 2000 г. разрешение от FDA получил самый распространённый на сегодняшний день хирургический робот da Vinci от компании Intuitive Surgical Inc [2]. В 2012 г. в мире в различных клиниках работало около 2600 роботов da Vinci, только за 2012 г. ими выполнено 450 000 хирургических операций (из них 2 % - операции в области головы и шеи) [7]. Согласно отчету компании Intuitive Surgical Inc, в 2017 г. выполнено 875 000 операций с применением роботов da Vinci, 4666 операционных оснащены роботами da Vinci (из них 3010 расположены в США) [8]. Робот-ассистированные системы (robot-assisted systems - RAS) - комплекс автоматизированных, механотронных, электронно-вычислительных техник, связанных между собой в единую систему. Проведённый анализ литературных и патентных источников позволил нам предложить предварительную классификацию диапазона применения робот-ассистированных систем в медицине. Области применения робот-ассистированных систем (РАС) в медицине: - реабилитационные РАС - механотронные протезы, возмещающие утраченные функции; - сервисные РАС - системы, позволяющие производить контроль документооборота в медицинских учреждениях, осуществлять наблюдение и контроль за лежачими больными; - клинические РАС - системы, осуществляющие оперативное вмешательство. Все робот-ассистированные системы предназначены для предоперационной диагностики, а затем терапевтического или хирургического лечения. При планировании оперативного вмешательства следует учитывать: 1. Совместимость биофизических параметров пациента и технических параметров робот-ассистированной системы; 2. Совместимость получаемой информации между оператором и робот-ассистированной системой; 3. Совместимость эргономики робот-ассистированной системы по отношению как к пациенту, так и врачу-оператору. Современные робот-ассистированные системы оснащены механическими манипуляторами, помогающими снизить негативное влияние человеческого фактора во время лечения. Однако эти современные системы не способны проводить критический анализ сложившейся клинической ситуации. В будущем данные системы будут оснащены искусственным интеллектом. Искусственные нейронные сети способны обобщать клиническую информацию, проводить ее критический анализ. На основе получившегося анализа в будущем робот-ассистированные системы будут принимать решения о правильности проведения хирургического вмешательства. Проведённый анализ литературы позволяет сделать вывод, что современные робот-ассистированные системы не являются полноценными роботами, так как не обладают искусственным интеллектом. За рубежом помимо публикаций научных статей о методиках применения роботов в профильных медицинских журналах издается несколько журналов, посвящённых роботизированной медицине. Например, Journal of Robotic Surgery выпускается с 2007 г. по 4 выпуска в год https://link.springer.com/journal/11701) и The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery выпускается с 2004 г. по 4 выпуска в год (https://onlinelibrary.wiley.com/journal/1478596x). Первое клиническое применение робота в области челюстно-лицевой хирургии было выполнено Kavanagh K.T. в 1994 г. с применением системы Robodoc [9, 10]. Первый робот, специально разработанный для применения в челюстно-лицевой области, - это система «Otto», представленная в сентябре 1999 г. [9, 11]. Количество научных публикаций о применении роботов в операциях челюстно-лицевой области резко растёт, особенно с 2009 г. (рис. 1) [9]. Во-первых, такой резкий рост публикаций связан с тем, что в 2006 г. был разработан новый вид хирургической операции c применением робота в области головы и шеи, обладающий значимыми клиническими преимуществами по сравнению с традиционным подходом, - TORS (transoral robotic surgery), а в 2009 г. после ряда публикаций об успешном лечении онкологических заболеваний по методу TORS FDA выдало разрешение на применение TORS при ранних стадиях заболевания (T1-T2) [12, 13]. Во-вторых, это связано с ростом количества роботов в операционных, и третья причина - рост числа онкологических заболеваний в области головы и шеи из-за эпидемии папилломовируса, а роботы в основном применяются для иссечения опухолей [14]. На начало июля 2018 г. в России функционирует 25 роботов da Vinci. Планируется создать учебный центр по роботической хирургии на базе РАН, ведётся разработка российского хирургического робота [15]. В 2016 г. робот Yomi компании Neocis (США) получил разрешение от FDA на применение в клинической практике при установке дентальных имплантатов [16]. Цель статьи - представить информацию о возможностях применения роботов в стоматологии на сегодняшний день и перспективах их использования в будущем. При анализе научных статей, патентов, информации от фирм-производителей нами установлено, что на данный момент область применения роботов в стоматологии не ограничивается только хирургией, хотя именно в этой области произошло наиболее значимое внедрение роботов в клиническую практику, и подразделяется на четыре раздела: • использование роботов при обучении студентов и врачей-стоматологов, • в хирургической стоматологии и имплантологии, • для препарирования зубов в ортопедической стоматологии, • применение роботов в качестве функциональных тренажеров. Применение роботов для обучения врачей-стоматологов На сегодняшний день внедрение роботов как симуляторов дополненной и виртуальной реальности, так и физически имитирующих пациента, в процесс обучения врачей-стоматологов является желательным и даже необходимым в ответ на изменившиеся этические и социальные запросы общества: • пациентов больше заботит их безопасность во время стоматологического приема и они менее настроены быть «подопытными свинками» на первом клиническом приеме у студента; • также студенты-стоматологи испытывают значительный стресс, если первое лечение они выполняют друг на друге; • меньше пациентов с простыми клиническими случаями, подходящими для обучения; • меньше высококвалифицированных преподавателей, доступных для обучения студентов мануальным навыкам; • студенты ожидают внедрение новых технологий в процесс обучения. Первичное обучение на роботах сделает более плавным и менее сложным переход студентов-стоматологов к клинической практике. Позволит им отработать и закрепить навыки эргономики и инфекционной защиты в безопасных условиях, что, в свою очередь, снизит риски неудачи для их первого реального пациента [17-19]. В то же время было установлено, что виртуальный симулятор не может заменить традиционное обучение с инструктором и должен использоваться только в качестве дополнения [20]. 1. Роботы-симуляторы, использующие дополненную реальность и виртуальную реальность для препарирования зубов Дополненная реальность (AR) - когда 3D-виртуальные обьекты интегрируются в реальную 3D-окружающую среду в реальном времени. Виртуальная реальность (VR) предлагает пользователям реальность внутри виртуальной 3D-модели. Современные стоматологические тренажеры используют и дополненную, и виртуальную реальность, с их помощью можно улучшить мануальные навыки, эргономику, координацию глаза - руки; недостатки таких тренажеров - высокая стоимость и наличие уроков, связанных только с препарированием зубов [21, 22]. Примеры роботов-симуляторов DentSim (США) - виртуальный симулятор DentSim появился одним из первых на рынке в 1997 г. Он был разработан компанией DenX Ltd из Израиля, в настоящее время Image Navigation располагается в США (https://image-navigation.com/home-page/dentsim/). На сегодняшний день в различных университетах мира установлено 400 симуляторов DentSim. Система состоит из головы фантома, набора стоматологических инструментов (наконечник), инфракрасных датчиков, верхней инфракрасной камеры, монитора и двух компьютеров (рис. 2). Инфракрасные датчики сканируют фантом и пластмассовые зубы, передавая информацию на один из компьютеров. Второй компьютер используется для демонстрации обучающей программы. Симулятор позволяет демонстрировать препарирование зубов студентом на мониторе в реальном режиме времени, что дает возможность тренироваться и улучшать свои мануальные навыки [23-25]. В исследовании Jasinevicius T.R. и др. доказано, что применение виртуального симулятора DentSim значительно (в пять раз) снижает время на обучение препарированию зубов при таком же качестве знаний [26]. VirTeaSy Dental (Франция) - виртуальный симулятор для обучения студентов-стоматологов, разработанный компанией HRV (рис. 3). Содержит программы в области имплантологии, кариесологии, протезирования и эндодонтии, включены реальные клинические случаи (http://www.hrv-simulation.com/en/virteasy-dental/virteasy-dental-savoir-plus.html). SIMODONT - виртуальный симулятор, выпускаемый компанией Moog (Голландия) (рис. 4). Программа создана при участии ACTA (Academic Centre for Dentistry in Amsterdam). Для воссоздания реалистичной обстановки обучающийся держит в руках стоматологическое зеркало и наконечник, воспроизводится звук работающего наконечника, изменяется скорость вращения боров и свёрел при помощи педали. Программа содержит множество различных уроков и реальных клинических случаев. Кроме того, возможно отсканировать свои инструменты, клиническую ситуацию и создать собственный учебный курс. Mirghani I. и др. исследовали качество выполнения учебных задач на виртуальном симуляторе SIMODONT у 289 врачей с опытом работы от 1 до 5 лет [27]. Выявлено значительное различие между опытными врачами и теми, кто имел опыт не более 1 года. Однако каких-либо различий между врачами с опытом 3-5 лет не было обнаружено. В исследовании Bakr M.M. и др. не обнаружили существенной разницы в психомоторных навыках двух групп студентов второго года обучения (по 20 человек в каждой), при том, что одна из групп прошла вначале обучение по препарированию кариозных полостей на виртуальном симуляторе, а потом на традиционном фантоме, а вторая группа - наоборот [28]. Нужно отметить, что занятие на виртуальном симуляторе длилось всего 30 мин, и большинство (62,5 %) студентов считали, что тренировка на симуляторе улучшила их мануальные навыки (http://www.moogdentaltrainer.com/). Kobra - виртуальный симулятор, разработанный компанией Forsslund Systems (Швеция) (рис. 5). Состоит из тактильного устройства, имитирующего наконечник, большого монитора, 3D-стереоочков и ножной педали. Симулятор Kobra предназначен для обучения хирургической стоматологии: удаления зубов, в том числе ретенированных и третьих моляров, операции резекции верхушки корня и т. д. Разработан при участии двух университетов Швеции: Каролинского института и Королевского института технологий (http://www.kobrasimulator.com/). Voxel-Man Dental - виртуальный симулятор, разработанный компанией Voxel-Man (Германия). Компания Voxel-Man создана в 1984 г. исследовательской группой под руководством профессора Karl Heinz Höhne из медицинского центра университета Hamburg-Eppendorf для решения проблем 3D- визуализации человеческого тела. Стоматологический симулятор позволяет пользователю применять анимированные боры различной формы на низкой и высокой скоростях, которые регулируются ножной педалью. Программа дает возможность рассматривать зубы со всех сторон, используя виртуально стоматологическое зеркало. Изображения зубов, в том числе поперечные срезы, были получены с микротомографий реальных зубов (https://www.voxel-man.com/simulators/dental/). Леонардо - гибридный симулятор, разработанный российской компанией «ГЭОТАР» в 2017 г., апробирован на кафедре пропедевтики стоматологических заболеваний РУДН и презентован на стоматологической выставке в Кёльне (Германия) IDS2017, одобрен стоматологической ассоциацией России (СтАР). В комплект симулятора входит стоматологическая турбинная установка, турбинный наконечник, микромотор, рабочее место ассистента-стоматолога, самодренируемый манекен торса и головы стоматологического пациента со встроенными моделями зубных рядов на металлическом артикуляторе (рис. 7). Датчиками отслеживается расположение в пространстве турбинного наконечника, микромотора, боров, стоматологического зеркала, карпульного шприца. Доступны клинические задачи в области терапевтической стоматологии, ортопедической стоматологии, выполнения местной анестезии. (http://www.leonardo-dental.ru/). ASCLEPIA - виртуальный симулятор, разработанный компанией Лаборатория виртуальных систем (Россия). Содержит два гаптик-устройства, создающие тактильные обратные ощущения (рис. 8). Программным обеспечением симулируется работа всеми типами боров по ISO и ГОСТ, а также основными типа бормашин и их наконечников. Число оборотов регулируется ножной педалью. Включено 10 задач из раздела терапевтической стоматологии. Есть возможность создания собственных заданий. (http://lab-vs.ru). 2. Роботы, физически имитирующие пациента Фантом человеческой головы со встроенными пластиковыми челюстями и виртуальная модель челюстей слишком сильно отличаются от реального пациента. В Японии для обучения студентов-стоматологов разработаны роботы, полностью имитирующие тело человека [29, 30]. Dentaroid - робот, имитирующий пациента стоматолога, создан японской компанией tmsuk при участии университетов Showa, Waseda и Kogakuin (рис. 9). Первые варианты этого робота назывались Showa Hanako 1 и Showa Hanako 2. Рост Dentaroid - 157 см, кожу имитирует мягкая пластмасса, мягкие ткани в полости рта и язык сделаны из силикона. Робот может выполнять 12 различных движений: мигание, движение глаз, движения языка (физиологические), неожиданное покачивание головы при ощущении боли, чихание, кашель (удушье), движения рук, изменение пульса и формы дыхания и др. Встроена функция распознавания голоса. (http://www.tmsuk.co.jp/en/products/). Simroid - робот, имитирующий пациента врача-стоматолога, разработан компаниями Kokoro и Morita (Япония). Сенсорные датчики расположены в полости рта и на теле робота. Он отвечает на действия стоматолога движениями глаз, головы, губ, рук, может открывать и закрывать рот, имитируя естественную реакцию пациента. Робот распознает японский и английский языки, может отвечать на простые вопросы. Две видеокамеры записывают процесс лечения. Разработано несколько сценариев тренировочного урока для стоматолога. Доказано, что применение роботов Simroid улучшает не только мануальные навыки, но и навыки общения с пациентом как у студентов-стоматологов, так и у врачей, недавно получивших диплом [31]. Кроме того, в исследовании Abe S. и др. установлено, что после обучения на роботе Simriod студенты получают больше навыков в области эргономики, безопасности и инфекционного контроля по сравнению с применением стандартного фантома головы, и, согласно опросу, робот очень похож на реального пациента [32]. Однако мануальные навыки по препарированию зуба под коронку были одинаковы у всех студентов, независимо от вида фантома (https://www.morita.com/group/en/products/educational-and-training-systems/training-simulation-system/simroid/). 3. Хирургические роботы-симуляторы Виртуальные симуляторы применяются в различных областях медицины, но особенно важно их использование в хирургии, так как во время операции мануальные навыки имеют решающее значение [33, 34]. Использовать самого робота для обучения робот-ассистированной хирургии экономически неэффективно из-за высокой стоимости робота, поэтому были разработаны специальные виртуальные симуляторы. В 2015 г. на рынке представлено 5 систем для обучения RAS: Surgical Education Platform (SEP; SimSurgery, Oslo,Норвегия), Robotic Surgical Simulator (RoSS; Simulated Surgical Systems, США), dV-Trainer (Mimic,США), da Vinci Skills Simulator (dVS; Intuitive Surgical, США) и RobotiX Mentor (3D Systems, Simbionix Products,США) [35, 36]. Примеры виртуальных симуляторов RAS Surgical Education Platform - разработана в компании SimSurgery (1999 г.) (Норвегия). Robotic Surgery Simulator (RoSS) - это симулятор для обучения использования робота da Vinci, разработан компанией Simulated Surgical Systems (США). Программа обучения включает, в том числе реальные клинические случаи (http://www.simulatedsurgicals.com/ross.html). dV-Trainer - разработан компанией Mimic (США) в 2007 г. Обучает применению хирургического робота da Vinci (http://mimicsimulation.com/dv-trainer/). Компания Intuitive Surgical (США), производитель робота da Vinci, предлагает два варианта обучения: Da Vinci Simulator Box - освоение базовых навыков RAS, и Da Vinci Sim Now - развернутая программа обучения (https://www.intuitive.com/en/products-and-services/da-vinci/education). RobotiX Mentor - симулятор RAS от компании 3D Systems (США) (https://www.3dsystems.com/medical-simulators/simbionix-robotix-mentor). В 2012 г. Goh A.C. и др. разработали Global Evaluative Assessment of Robotic Skills (GEARS) - общую оценочную экспертизу роботизированных навыков [37]. Она включает в себя 6 сфер деятельности: восприятие глубины, бимануальная ловкость, эффективность, чувствительность к силе, автономность и роботизированный контроль. Каждая сфера оценивается по 5-бальной шкале, в которой есть 3 оценочные характеристики. В исследовании установлено, что такая экспертиза просто и эффективно определяет уровень владения RAS у хирургов с различным опытом работы. Dubin AK и др. сравнили экспертизу GEARS и оценку виртуальных симуляторов Mimic dV-Trainer (MdVT) и da Vinci [38]. Некоторые оценки совпадали, а некоторые - нет. Анализ этих данных поможет улучшить обучение RAS. По мнению Колонтарева К.Б. и др., без использования виртуальных симуляторов обучение врачей-хирургов на первоначальном этапе применению RAS малоэффективно и занимает более длительный период времени [39]. В обзорной статье описаны четыре виртуальных симулятора для хирургов - роботический хирургический симулятор (Robotic Surgical Simulator - RoSS), симулятор ProMIS (Haptica, Ирландия), симулятор Mimic dV-Trainer (MdVT) и симулятор da Vinci. Отмечено, что в большинстве центров обучения роботической хирургии в Европе и США предпочтение отдается симулятору da Vinci. Симулятор da Vinci отличается высокой эргономичностью - отсутствием дополнительных устройств. Выполнение симуляционного обучения происходит непосредственно за консолью реальной хирургической системы при помощи присоединения тренировочного оборудования к тыловой части консоли.

About the authors

Mikhail Mikhailovich Ukhanov

Clinic “DDC” (Moscow)

Email: uhanov1@yandex.ru
doctor-dentist-orthopedist 107392, Moscow

A. V Ivashchenko

“Innovative dental center”

443035, Samara

I. M Fedyaev

“Samara state medical University” Ministry of health of Russia

443079, Samara

A. E Yablokov

“Samara state medical University” Ministry of health of Russia

443079, Samara

I. N Kolganov

“Samara state medical University” Ministry of health of Russia

443079, Samara

V. P Tlustenko

“Samara state medical University” Ministry of health of Russia

443079, Samara

References

Supplementary files