Нейроспутник: Левша (LevshAI)
Роботизированный комплекс для эндоваскулярной нейрохирургии

Основные статьи:

• Роботы в медицине
• Роботы-хирурги
• Эндоваскулярная хирургия

2023

Разработка технологии передачи тактильных ощущений для роботов-хирургов

Отечественную интеллектуальную роботизированную систему копирования движений LevshAI («Левша») для дистанционных нейрохирургических эндоваскулярных операций представили ученые из компании «Нейроспутник». Она обладает тактильной обратной связью и возможностью предоперационного персонализированного 3D-моделирования. Доклиническое экспертное тестирование проведено ассоциацией эндоваскулярных нейрохирургов имени академика Ф. А. Сербиненко. Об этом 26 июня 2023 года Zdrav.Expert сообщил Университет науки и технологий МИСИС.

Ученые в России создали технологию передачи тактильных ощущений для роботов-хирургов

LevshAI («Левша») использует искусственный интеллект до и во время операции, моделирует сосуды пациента в 3D-формате, корректирует дрожь пальцев, выявляет критические ситуации. Большинство роботизированных устройств не используют изоморфную тактильную обратную связь и не адаптируют устройство для удобства хирургов. Например, эндоваскулярная роботизированная система GRX (Corindus) для операций на сердце использует джойстики без тактильной обратной связи, которые требуют от хирургов переучивания. Поэтому разрабатываемая нами система особенная, более удобна для медиков и безопасна для пациентов, сообщила Александра Бернадотт, к.м.н., доцент кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС, генеральный директор компании «Нейроспутник».

Необходимость внедрения роботизации и мехатроники для реализации эндоваскулярной телехирургии назрела по ряду причин. Во-первых, она обеспечивает доступ к операции из любой точки мира. Поскольку количество опытных нейрохирургов ограничено, возникает необходимость проводить операции дистанционно. Во-вторых, позволяет защитить врача от воздействия рентгеновских лучей, так как при выполнении эндоваскулярных операций хирурги стоят близко к источнику излучения, который используется для визуального контроля хода операции. Кроме того, экосистема «Левша» позволяет отработать навыки на тренажере как в режиме обучения, так и в режиме персонализированной симуляции.

Благодаря архитектуре системы копирования движений можно интегрировать ассистивные интеллектуальные модули в операционный процесс, что позволит снизить вероятность критических операционных осложнений.

Экосистема «Левша» предоставляет возможность 3D-реконструкции сосудов головного мозга и позволяет учитывать особенности конкретных пациентов, планировать операцию, изменять тактику во время хирургического вмешательства, минимизируя риск осложнений.

Особенность эндоваскулярной хирургии – минимальная инвазивность. Во время такого вмешательства микрокатетер перемещается по внутренним стенкам сосудов. Контролирующий блок системы «Левша» находится за пределами операционной, защищая медиков от радиации. Врач дистанционно с помощью специальных контроллеров приводит оперирующее устройство в движение. Оцифрованный сигнал с рук хирурга предоставляет интеллектуальному блоку зашифрованную информацию в виде команд для перемещения катетера и других инструментов.

Оперирующий блок копирует движения хирурга и перемещает катетеры и другие хирургические инструменты по сосудам головного мозга. Контролировать их движение помогает рентгенофлуороскоп и оптические датчики. Встроенный ИИ обрабатывает информацию и передает ее на визуальный блок управления «Левши».

Контролирующий и оперирующий блоки взаимодействуют друг с другом через Ethernet-соединение. Связь может быть как проводной, так и беспроводной. Модуль визуализации показывает рентгеновское изображение сосудов головного мозга пациента в режиме онлайн, позволяя хирургу контролировать перемещение. Для обнаружения скручивания и вибрации, используются пьезодатчики, расположенные вдоль катетера. Данные из операционной подвергаются дополнительной обработке искусственным интеллектом (фильтрация шума, линеаризация сопротивления, удаление артефактов), чтобы обратная связь на стороне хирурга была максимально точной.

«Левша» максимально точно имитирует тактильную обратную связь, чтобы обеспечить кинестетическое ощущение, когда в сосуде головного мозга возникает механическое сопротивление или катетер упирается в стенку. Более того, хирург получает информацию о силе и направлении механического сопротивления визуально – в виде диодной шкалы.

Особое значение в экосистеме LevshAI имеет тренажер. Система оснащена обучающей программой, которая позволяет хирургам практиковаться на 3D-симуляторе и выбирать наилучшую тактику.

Сначала с помощью изображений компьютерной или магнитно-резонансной томографии (МРТ) пациента перед операцией воссоздается трехмерная архитектура сосудистой системы головного мозга. На этой базе создается 3D-реконструкция, которая интегрируется в симулятор, также разработанный нашей командой. Это сложная математическая и алгоритмическая задача, требующая обучения искусственного интеллекта на обширном наборе данных, рассказала Александра Бернадотт.

В ближайшем будущем начнется этап клинических исследований в сотрудничестве с ассоциацией эндоваскулярных нейрохирургов имени академика Ф. А. Сербиненко. В перспективе, для ускорения восприятия информации устройством в критических ситуациях, разработчики внедрят интерфейс «мозг-компьютер», который в 300 раз быстрее распознает мысленные команды, чем движения.

Метод защиты робота-хирурга от кибератак

Команда российских ученых предложила подход к обеспечению кибербезопасности интеллектуальных телеоперационных хирургических систем с учетом современных требований. Как Zdrav.Expert 3 апреля 2023 года сообщили представители компании «Нейроспутник», подход уже был применен для обеспечения безопасности разработки компании – отечественного интеллектуального роботизированного комплекса для эндоваскулярной нейрохирургии «Левша» (LevshAI).

Российские ученые предложили метод защиты роботов-хирургов от кибератак
Демонстрация работы комплекса LevshAI

По их словам, предложенная модель кибербезопасности позволяет обеспечить должную работу комплекса во время различных атак на устройство. Она сочетает интеллектуальные автономные контроллеры для вычисления аномальных и подозрительных действий, а также анализирует сетевой трафик на предмет наличия признаков кибератак.

По состоянию на апрель 2023 года «Левша» – это единственная в мире специальная экосистема, обеспечивающая персонализированный и безопасный подход к пациентам, передовое для начинающих хирургов обучение нейрохирургии и возможность дистанционной операции сосудистых патологий мозга, уточнили в «Нейроспутнике».

Как пояснила глава компании «Нейроспутник», доцент кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС, к.м.н. Александра Бернадотт, интеллектуальные роботизированные системы в хирургии – новая область, которая еще не имеет устоявшихся решений. Подходы к обеспечению безопасности интеллектуальной телеоперационной хирургической системы почти не освещены в литературе. При этом, по её словам, существуют сугубо специфические проблемы, которые связаны с необходимостью обеспечить безопасность пациентов и хирургов при использовании таких систем при обрыве связи, отказе работы оборудования, кибератаках.

Александра Бернадотт, глава компании «Нейроспутник», доцент кафедры инженерной кибернетики НИТУ МИСИС

«Безопасность сети необходимо учитывать в дополнении к криптографической безопасности транспортного протокола. Существует необходимость изолированного контура для обеспечения двойного контроля во время операции», – добавила Александра Бернадотт.

Безопасность телехирургической системы «Левша» концептуально обеспечивается двумя основными частями, блоком управления и исполнительным блоком, которые соединены с помощью VPN, но могут находится далеко друг от друга. Одна часть системы кибербезопасности – менеджер сессий, подключен к VPN, предоставляя услуги безопасности для сетевого подключения основных блоков. Кроме того, IP- и MAC-адреса взаимодействующих устройств заранее фиксируются в распределенном реестре. Для защиты сервера аутентификации от неконтролируемого генерирования большого количества ложных сеансов и последующего отказа в обслуживании созданы правила фильтрации, рассказали в «Нейроспутнике».

«Правильная стратегия заключается в предотвращении кибератак на всех этапах. Как при подготовке к операции, во время неё, так и впоследствии для сохранения здоровья пациента, – подчеркнула исследовательница. – Мы предложили надежные методы для расширения протоколов безопасности с использованием интеллектуальных агентов и резервных автономных схем. Эта модель безопасности позволяет хирургу управлять процессом операции во время различных атак. Коммуникационный блок отделяется от операционного и отключается до устранения угрозы. При необходимости хирург, имеющий физический доступ к автономной части, мог бы управлять исполнительным блоком из локальной палаты. Этот подход к обеспечению безопасности реализован в системе "Левша"».

По оценкам некоторых экспертов, роботизированная хирургия дешевле классических методов. Она также избавляет врачей от радиоактивного облучения, так как операции на сосудах мозга и сердца проводятся в режиме рентгеновского мониторинга. Кроме того, система активно использует искусственный интеллект, который информирует о критических состояниях, подсказывает оптимальное решение и расширяет возможности для совместных сложных операций, одновременно повышая уровень безопасности пациента.

Несмотря на острую необходимость развития симуляторов, телехирургии и персонализированной хирургии существует ряд строгих требований к архитектуре и компонентам подобного оборудования. Основным сдерживающим фактором для выхода такой системы на рынок являются гарантии надежности и безопасности для пациентов. Телехирургические роботизированные комплексы сложны для внедрения и защиты, так как любая неполадка или кибератака может причинить существенный вред здоровью, рассказали в «Нейроспутнике».

Интеллектуальный роботизированный комплекс LevshAI

Экосистема «Левша» активно использует искусственный интеллект под разные задачи и состоит из трёх продуктов, работающих независимо друг от друга: тренажер со специальным устройством ввода с тактильной обратной связью и симулятором сосудов мозга (дает возможность хирургам и студентам-медикам отрабатывать навыки), оперирующее устройство и серверное приложение с искусственным интеллектом для симуляции сосудов мозга конкретного пациента.

В свою очередь, каждый продукт системы оснащён разнообразными моделями глубокого обучения и алгоритмами математического моделирования. Так, проект «Левша» создает индивидуальный 3D-макет сосудов мозга пациента, позволяя до операции потренироваться и выбрать оптимальную стратегию, что может снизить риски осложнений с 30% до 0. Тренажер Левша воссоздает условия, почти идентичные условиям в операционной, имеет тактильную обратную связь, позволяющую хирургам в привычной манере взаимодействовать с областью патологии. Ассистирующий искусственный интеллект автоматически корректирует работу хирургов, помогает оценить особенности анатомии пациентов, дает рекомендации предоперационного и послеоперационного ведения больных с персонализированным подбором рекомендаций на основе данных пациента. «Левша» также имеет собственную обширную базу данных, которая позволяет запускать 3D-симуляции, выявлять индивидуальные особенности пациентов, распознавать критические состояния, ошибки хирургов и др. Оперирующий блок по состоянию на начало апреля 2023 года еще находится в разработке, а тренажер и персонализированный симулятор – уже на стадии подготовки пилота.

Процесс разработки системы «Левша» проходит при консультации Российского общества эндоваскулярных нейрохирургов (RENS) в ФМБА России. Участие практикующих хирургов позволяет адаптировать аппарат к работе в условиях реальной операции.