В данной статье анализируются роль робот-ассистенции в стоматологии и основные пути ее дальнейшего развития. Рассматриваются основные конструкции механотронных устройств и особенности их применения в стоматологии [1].

Роботизированная стоматология — новое направление медицины, которое ориентировано на теоретическое обоснование, разработку и внедрение робот-ассистированных систем в качестве неотъемлемой части хирургических инструментов [2]. При использовании возможностей робота стоматолог может дополнить свои навыки клинического мышления мануальной точностью робота [3].

Первое упоминание о применении робот-ассистированной системы «Puma-560» в челюстно-лицевой области относится к 1985 г. [4]. За 30 лет с момента первого сообщения об успешном применении роботов в стоматологии в патентном и литературном поле сформировались основные требования, которым должны соответствовать данные устройства [5].

1. Наличие эффективного управления — робот должен во всех конфигурациях обеспечивать контроль за движением инструмента с использованием схем отслеживания скорости и сил, обеспечивая безопасность пациента. При работе в автоматическом режиме механотронного устройства хирург может вмешаться на любом этапе оперативного вмешательства.

2. Возможность постоянного контроля за вмешательством — сила, создаваемая механотронным устройством, должна иметь безопасный диапазон. При автономном режиме работы усилие, создаваемое роботом на операционное поле, должно адекватно тактильно передаваться руке оператора.

3. Бесперебойность работы — сохранение положения инструмента в запланированном положении, когда источник питания потерян или произошел сбой программы.

4. Безопасность вмешательства — при движении механотронного устройства оно должно автоматически избегать прохождения вблизи важных анатомических объектов.

5. Наличие стерильности — механотронные устройства должны либо стерилизоваться, либо герметично закрываться стерильными чехлами с целью предупреждения инфицирования раны.

Анализируя современное состояние данного вопроса, можно сделать вывод, что основная масса стоматологических робот-ассистированных систем представляет собой промышленные манипуляторы, адаптированные к стоматологии [6]. Ряд авторов отмечают, что отдельные серийно выпускаемые роботы не могут достичь высокого уровня точности, в связи с чем от дальнейшего применения их в стоматологической практике стоит отказываться в пользу узкоспециализированных роботов.

К другим недостаткам серийно выпускаемых механотронных устройств можно отнести повышенные габариты и вес устройств, которые зачастую усложняют проведение операции. Перечисленные недостатки побудили разработчиков вести поиск новой архитектуры узкоспециализированных механотронных устройств, применяемых в стоматологической практике [7]. Исследования с применением узкоспециализированных робот-ассистированных и роботизированных стоматологических устройств в литературе встречаются крайне редко.

В стоматологии наибольшее распространение получили три архитектуры роботов: последовательная, параллельная и контурная. Последовательная архитектура представляет собой кинематическую руку-манипулятор, состоящую из серии последовательных балок, соединенных между собой узлами-двигателями.

На завершающем участке кинематической конструкции неподвижно закрепляется стоматологический инструмент. Параллельная архитектура отличается наличием двух плоскостей, соединенных серией микролифтов, приводимых в движение шаговыми двигателями. На одной из плоскостей манипулятора неподвижно закрепляется стоматологический инструмент.

Из двух архитектур роботов (последовательных и параллельных) наиболее совместимый с фундаментальными требованиями медицины робот с параллельной архитектурой. В отличие от громоздкой последовательной архитектуры компактная и легкая параллельная архитектура упрощает расположение робота в операционной, экономит необходимое рабочее пространство и позволяют легко готовить устройство к работе путем упаковки стерильными чехлами. Относительно небольшие размеры робота параллельной компоновки позволяют обеспечить важную функцию — безопасность. Поэтому большинство исследователей сосредоточили свое внимание на изучении возможностей параллельных роботов в стоматологической практике [8].

Ряд авторов предлагают автоматизировать стоматологическое вмешательство с применением контурных станков с числовым программным обеспечением. Контурные станки с числовым программным обеспечением — это устройства, позволяющие перемещать стоматологический инструмент относительно операционного поля в соответствии с предоперационным планом, записанным в управляющей программе. Данная конструкция робот-ассистированных систем позволяет сохранить высокую точность работы при значительно небольших размерах и весе [9]. В связи с этими положительными свойствами мы обратили наше особое внимание на контурные станки с числовым программным управлением при разработке нашего оборудования.

В 2016 г. впервые была предложена классификация механотронных устройств, применяемых в челюстно-лицевой области [10].

1. Робот-ассистированные системы, управляемые дистанционно, представляют собой комплекс механотронных и электронно-вычислительных элементов, связанных в единую систему, не имеющую автономности. В их число входят дистанционные робот-ассистированные системы, обладающие эффектом телеприсутствия. Кроме того, к данным системам относятся учебные механотронные фантомы.

2. Полуавтоматические робот-ассистированные системы, в которых в процессе выполнения работы часть рядовых поставленных задач по оперативному вмешательству реализуется устройством, а наиболее сложные — врачом. Данная функция упрощает оперативное вмешательство.

3. Полностью автономные системы (способны к автономному выполнению операции без помощи человека). Данные устройства неспособны принимать решения во внештатных ситуациях. За процессом работы устройства врач производит наблюдение. В случае возникновения внештатных ситуаций врач вмешивается в ход выполняемого оперативного вмешательства.

4. Роботизированные системы с элементами искусственного интеллекта являются полноценными роботами. Способны самостоятельно поставить и выполнить задачу. При сложившейся экстренной ситуации во время операции самостоятельно принимают верное решение. Обладают элементами искусственных нейронных сетей. Способны к самообучению и накоплению полученных знаний.

Робот-ассистированные системы, управляемые дистанционно, и полуавтоматические робот-асситированные системы, а также полностью автоматические не способны самостоятельно поставить точный, независимый диагноз, рекомендовать план будущего лечения или решить объем и глубину вмешательства.

Основная отличительная особенность медицинских роботизированных систем — наличие искусственных интеллекта в виде нейронных сетей, которые помогают принять своевременное и правильное решение в сложившейся сложной клинической ситуации и на его основании совершить верное действие. В этом выражаются автономность роботов и их принципиальное отличие от робот-ассистированных, полуавтоматических и полностью автономных систем [10].

Анализ источников литературы позволил нам предложить классификацию назначения механотронных систем в стоматологии: обучающие механотронные устройства позволяют накапливать мануальные навыки у обучающихся; сервисные механотронные устройства — системы, позволяющие производить контроль документооборота в медицинских учреждениях, осуществлять наблюдение и контроль за тяжелыми стационарными больными; клинические механотронные устройства — системы, осуществляющие оперативное вмешательство.

В 2016 г. впервые проведен эксперимент по автоматическому одонтопрепарированию с применением робота со встроенным лазерным генератором ультракороткой длиной волны [11]. Авторы в рамках эксперимента объединили «селективное» препарирование твердых тканей зуба с механотронным устройством. Разработчики реализовали концепцию внутриротового расположения автоматизированного устройства. Назубный участок устройства представлял собой прямоугольный металлический «корпус-каппу» (15´15´20 мм), который неподвижно фиксировался относительно препарируемого зуба. К внутриротовой части устройства неподвижно закреплялся световод генератора лазерного излучения. Внутри «корпуса-каппы» располагалась одна фокусирующая линза, направляющая лазерный луч в 6 степенях свободы на ткани зуба в соответствии с планом препарирования. Толщина одного слоя препарирования, реализуемая устройством, составляла 46 мкм, точность шага 1 мкм. Средняя погрешность «селективного» препарирования поверхностей зуба с применением данного устройства составила 0,097 мм, при этом средняя погрешность угловых отклонений составила менее 1°. Время препарирования с устройством в среднем достигало 17 мин.

С целью снижения влияния человеческого фактора на качество эндодонтического лечения была разработана внутриротовая робот-ассистированная система [12].

Она представляла собой каппу размером 20×20×28 мм, имеющую седлообразную основу с опорными кронштейнами, неподвижно закрепленными на зубах в полости рта. Грани каппы были сглажены таким образом, чтобы риск повреждения слизистой оболочки полости рта был сведен к минимуму. На ней располагалось три рентгеноконтрастных опорных точки для определения системы координат станка относительно зубного ряда. Для определения пространственного положения устройства относительно зубного ряда проводилось рентгенологическое исследование.

Рабочая часть, содержащая привод эндодонтического инструментария, передвигалась в мезиодистальном направлении по двум опорным кронштейнам, расположенным на зубном ряду.

Микрошаговые двигатели, расположенные в рабочей части, использовались для обеспечения движения в пяти степенях свободы эндодонтического инструментария. Диапазон передвижения по оси Х составлял 5 мм, по оси Y — 4 мм, по оси Z — 25 мм. Угловые перемещения эндодонтического инструмента по осям X, Y и Z±12°. Максимальное усилие, оказываемое устройством на эндодонтический инструмент, составляло 4,9 Н. Каждый привод независимо управлялся ЧПУ-контроллером. В конструкцию устройства входили ирригационная система и система вакуум-аспирации для удаления зубной пыли и отработанной жидкости. Устройство было снабжено фиброоптическим освещением.

Устройство в автоматическом режиме выполняло зондирование, прохождение, очистку и заполнение корневых каналов. При отклонении от выбранного плана лечения врач корректировал либо останавливал ход работы.

Ни движение головы, ни движение челюстей не влияли на точность работы устройства.

В 2017 г. специалистами ФГБОУ ВО МГТУ «СТАНКИН» и МГМСУ им. А.И. Евдокимова впервые в России был применен серийно выпускаемый промышленный кинематический манипулятор KUKA LBR4+ в стоматологическом эксперименте. Устройство позволило производить вмешательство в семи степенях свободы с допустимой погрешностью ±0,05 мм. Устройство представляло собой последовательно соединенную кинематическую конструкцию [13].

В рамках эксперимента было определено, что поддержание заданной скорости движения рабочего инструмента при проведении вмешательства более точное (в 4 раза), отклонение от заданной траектории лучше в 3,3 раза по сравнению с работой человека. Авторы отнесли полученные погрешности в случае работы хирурга к негативному влиянию человеческого фактора. Было подтверждено, что погрешности, возникшие при работе автоматизированной системы (МХК), возникли из-за неточности конструкции и накопления нежелательных погрешностей [14].

Компания «Neocis Inc.» (США) впервые реализовала автоматизированную установку имплантатов в рамках эксперимента и в клинической практике. Во время использования устройства врач удерживал манипулятор, направлял его в выбранное место на челюсти и давал указание для окончательной установки имплантата. Этот способ контроля носит определение «soft robotics» или «hands-on robots». Описанный принцип реализован в автоматизированной системе YOMI [15, 16].

В 2016 г. была предложена роботизированная система для позиционирования дентальных имплантатов. В связи с тем, что устройство обладало элементами искусственной нейронной сети, его можно отнести к роботизированным системам. Устройство включало две кинематические конструкции, одна из которых была оснащена наконечником физиодиспенсера, а вторая неподвижно фиксировалась относительно челюсти, в которую устанавливался дентальный имплантат. Устройство позволяло в автоматическом режиме отслеживать траекторию перемещения челюсти, в которую устанавливается имплантат, и одновременно производить его установку [17].

В 2018 г. впервые в мире китайскими учеными была разработана и внедрена в клиническую практику роботизированная платформа дентальной имплантации. Она включала промышленный робот-манипулятор (адаптированный под медицинские цели) с несколькими кинематическими звеньями. Благодаря наличию элементов искусственной нейронной сети устройство способно анализировать свойства костной ткани (онлайн-режим), в которую устанавливается имплантат, и контролировать усилие, с которым он устанавливается [18].

Перед операцией в соответствии с клинической картиной на компьютерной томограмме выбирались позиция и глубина установки имплантата, полученные данные загружались в контроллер устройства. Относительно устройства производилась калибровка положения головы пациента. Контроль передвижения головы пациента относительно устройства обеспечивался благодаря неподвижно фиксированным видеотрекером, расположенным на челюсти пациента и наконечнике физиодиспенсера.

В процессе работы робот-ассистированной системы одновременно за двумя маркерами наблюдало «роботизированное зрение» и обеспечивало обратную связь между роботом и пациентом. При такой архитектуре устройства во время операции не требовалась неподвижная фиксация головы пациента. Во время непосредственной установки имплантата система фиксировала любое перемещение головы пациента и соответственно этому в автоматическом режиме совершала соразмерное движение в ее сторону, компенсируя негативное влияние человеческого фактора. За ходом всей операции наблюдал врач-имплантолог, и при отхождении робот-ассистированной системы от предоперационного плана останавливал операцию либо вносил поправки в операционный процесс [19].

В конструкцию робота были включены датчики изменения положения кинематических участков манипулятора. В данном устройстве для измерения положения робот-ассистированных систем применялись оптические, магнитные датчики, а также датчики с эффектом Холла. На базе института робототехники и электроники Германского аэрокосмического центра была разработана система обратной связи, препятствующая нанесению травмы пациенту или оперирующему хирургу [1].

Взаимосвязь автоматизированной системы и человека возможна посредством джойстиков или сенсорных панелей [20].

Da Vinci в реальном времени отслеживал естественные движения операционной области. Одновременно с этим осуществлялась коррекция движений манипулятора с движениями операционного поля (обратная связь машина—пациент).

Органами управления робот-ассистированной хирургической системы Da Vinci являлся пульт 3D-визуализации, на экран которого проецировалось трехмерное изображение операционного поля. В состав управляющего пульта автоматизированной системы входила серия джойстиков, позволяющих управлять манипуляторами: первые два выполняли функцию режущего инструмента, третий был оборудован видеокамерой, четвертый выполнял роль ассистента.

Конструкция каждого манипулятора представляла собой последовательно соединенные кинематические конструкции. Da Vinci позволял нивелировать естественный физиологический тремор руки хирурга. В литературе отмечен опыт применения «трансоральной роботизированной хирургии» (Transoral Robotic Surgery — TORS) с применением Da Vinci при лечении онкологических заболеваний ЛОР-органов [21].

На заседании РАН, прошедшем 14 марта 2018 г., главным внештатным стоматологом О.О. Янушевичем было предложено новое направление «Здравоохранение 4.0», в основе которого будет заложена концепция автоматизации оказания оперативной помощи с применением цифровых роботизированных платформ, обладающих элементами искусственного интеллекта.

Роботизированные системы, по мнению О.О. Янушевича, имеют ряд преимуществ как для врача, так и для пациента.

Преимуществами роботизированных систем для больного являются:

— эффективная диагностика на ранних стадиях развития заболевания;

— сокращение в 2—3 раза времени выполнения оперативных вмешательств;

— как правило, минимальный радикализм оперативного вмешательства, осуществляемый роботом;

— выше на 30% по сравнению с обычным оператором точность выполняемых операций роботизированной системой.

Преимуществами роботизированных систем для врача являются следующие: в руках врача появляется многофункциональная диагностически-хирургическая платформа, позволяющая в кратчайшие сроки сформировать точный диагноз и назначить план оперативного лечения; применение роботов, составляющих основу диагностически-хирургической платформы, позволяет производить хирургическое вмешательство с точностью 0,1 мм.

Реализация проекта «Здравоохранение 4.0» включает пять этапов:

1. В настоящее время имеются прототипы робот-ассистированных систем в челюстно-лицевой хирургии и других отраслях медицины.

2. К 2019 г. планируется создание первого прототипа цифровой роботической платформы, цифровое планирование операций, сертификация роботизированных систем.

3. В 2021 г. будет реализовано первое клиническое применение цифровой роботической платформы.

4. До 2023 г. предполагается создание прототипа «Умной операционной», объединяющего диагностические и роботизированные платформы.

5. К 2025 г. планируется создание «Умной операционной» и ее серийное внедрение в практическое здравоохранение («Здравоохранение 4.0») [22].

Исходя из изученных данных литературы, возможность создания роботизированной системы, а также цифровой роботизированной платформы сопряжена с трудностями, так как нет научно-технической базы в мировой практике для создания искусственного интеллекта.

Можно заключить, что робот-ассистированные системы на фоне появления новых материалов будут продолжать свое дальнейшее развитие и станут более компактными, точными, при этом скорость оперативного лечения будет возрастать.

По нашему мнению, развитие робот-ассистированных и роботизированных систем должно включать усовершенствование методов интраоперационной визуализации, средств диагностики, совершенствование хирургического инструментария, а также появление новых роботизированных разработок.

Мы предполагаем, что будущее медицинских операционных технологий за механотронными и роботизированными устройствами, однако применение данных систем требует рационального подхода. Применение этого оборудования оправдано только в случае, если невозможно или значительно затруднено проведение операции врачом. По нашему мнению, к таким направлениям могут быть отнесены высокоточное препарирование опорных зубов под несъемные ортопедические конструкции, прецизионное одонтопрепарирование в терапевтической стоматологии, установка дентальных имплантатов в сложных клинических условиях, а также при сложных реконструктивных операциях в челюстно-лицевой области.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflicts of interest.

Сведения об авторах

Иващенко А.В. — https://orcid.org/0000-0002-2965-963X

Яблоков А. Е. — https://orcid.org/0000-0002-3392-4803

Комлев С. С. — https://orcid.org/0000-0002-7400-203X

Степанов Г. В. — https://orcid.org/0000-0002-4328-0923

Цимбалистов А. В. — https://orcid.org/0000-0439-8328-4103

Автор, ответственный за переписку: Иващенко Александр Валериевич — e-mail: ivachencoaveg@rambler.ru