Bioengenheiros do Hospital Infantil de Boston relatam a primeira demonstração de um robô capaz de navegar autonomamente dentro do corpo. Em um modelo animal de reparo de válvula cardíaca, a equipe programou um cateter robótico para encontrar seu caminho ao longo das paredes de uma surra, coração cheio de sangue para uma válvula com vazamento - sem a orientação de um cirurgião. Eles relatam seu trabalho hoje em Ciência Robótica .

Os cirurgiões têm usado robôs operados por joysticks por mais de uma década, e as equipes mostraram que pequenos robôs podem ser dirigidos através do corpo por forças externas, como o magnetismo. Contudo, investigador sênior Pierre Dupont, Ph.D., chefe de Bioengenharia Cardíaca Pediátrica da Boston Children's, diz que para seu conhecimento, este é o primeiro relato do equivalente a um carro autônomo navegando para um destino desejado dentro do corpo.

A Dupont imagina robôs autônomos auxiliando cirurgiões em operações complexas, reduzindo a fadiga e liberando os cirurgiões para se concentrarem nas manobras mais difíceis, melhorar os resultados.

“A maneira certa de pensar sobre isso é por meio da analogia de um piloto de caça e um avião de caça, "diz ele." O avião de combate assume as tarefas de rotina, como pilotar o avião, para que o piloto possa se concentrar nas tarefas de nível superior da missão. "

Visão guiada pelo toque, informado por AI

O cateter robótico da equipe navegou usando um sensor óptico de toque desenvolvido no laboratório de Dupont, informado por um mapa da anatomia cardíaca e exames pré-operatórios. O sensor de toque usa inteligência artificial (IA) e algoritmos de processamento de imagem para permitir que o cateter descubra onde está no coração e para onde deve ir.

Para a demonstração, a equipe realizou um procedimento altamente exigente tecnicamente conhecido como fechamento de vazamento aórtico paravalvar, que repara válvulas cardíacas substitutas que começaram a vazar nas bordas. (A equipe construiu suas próprias válvulas para os experimentos.) Assim que o cateter robótico atingiu o local do vazamento, um experiente cirurgião cardíaco assumiu o controle e inseriu um tampão para fechar o vazamento.

Em tentativas repetidas, o cateter robótico navegou com sucesso para vazamentos de válvula cardíaca em aproximadamente o mesmo período de tempo que o cirurgião (usando uma ferramenta manual ou um robô controlado por joystick).

Navegação com inspiração biológica

Por meio de uma técnica de navegação chamada "seguimento de parede, "o sensor de toque óptico do cateter robótico amostrou seu ambiente em intervalos regulares, da mesma forma que as antenas dos insetos ou os bigodes dos roedores testam seus arredores para construir mapas mentais de pessoas desconhecidas, ambientes escuros. O sensor disse ao cateter se estava tocando sangue, a parede do coração ou uma válvula (por meio de imagens de uma câmera montada na ponta) e o quão forte ela estava pressionando (para evitar que danificasse o coração batendo).

Dados de imagens pré-operatórias e algoritmos de aprendizado de máquina ajudaram o cateter a interpretar os recursos visuais. Desta maneira, o cateter robótico avançou sozinho a partir da base do coração, ao longo da parede do ventrículo esquerdo e ao redor da válvula com vazamento até atingir o local do vazamento.

"Os algoritmos ajudam o cateter a descobrir que tipo de tecido está tocando, onde está no coração, e como ele deve escolher seu próximo movimento para chegar aonde queremos, "Dupont explica.

Embora o robô autônomo tenha demorado um pouco mais do que o cirurgião para alcançar a válvula com vazamento, sua técnica de seguir uma parede significava que ele tomava o caminho mais longo.

"O tempo de navegação foi estatisticamente equivalente para todos, o que achamos muito impressionante, dado que você está dentro de um coração pulsante cheio de sangue e tentando alcançar um alvo em escala milimétrica em uma válvula específica, "diz Dupont.

Ele acrescenta que a capacidade do robô de visualizar e sentir seu ambiente pode eliminar a necessidade de imagens fluoroscópicas, que é normalmente usado nesta operação e expõe os pacientes à radiação ionizante.

Uma visão do futuro?

Dupont diz que o projeto foi o mais desafiador de sua carreira. Enquanto o colega cirurgião cardíaco, que executou as operações em suínos, foi capaz de relaxar enquanto o robô encontrou o vazamento da válvula, o projeto estava custando caro para os colegas de engenharia da Dupont, que às vezes precisavam reprogramar o robô no meio da operação à medida que aperfeiçoavam a tecnologia.

"Lembro-me de ocasiões em que os engenheiros da nossa equipe saíram da sala de cirurgia completamente exaustos, mas conseguimos retirá-lo, "diz Dupont." Agora que demonstramos a navegação autônoma, muito mais é possível. "

Alguns intervencionistas cardíacos que estão cientes do trabalho de Dupont prevêem o uso de robôs para mais do que navegação, realizando tarefas de mapeamento cardíaco de rotina, por exemplo. Alguns imaginam essa tecnologia fornecendo orientação durante casos particularmente difíceis ou incomuns ou auxiliando em operações em partes do mundo que carecem de cirurgiões altamente experientes.

À medida que a Food and Drug Administration começa a desenvolver uma estrutura regulatória para dispositivos habilitados para IA, A Dupont prevê a possibilidade de robôs cirúrgicos autônomos em todo o mundo agruparem seus dados para melhorar continuamente o desempenho ao longo do tempo - da mesma forma que veículos autônomos em campo enviam seus dados de volta para a Tesla para refinar seus algoritmos.

"Isso não apenas nivelaria o campo de jogo, iria aumentá-lo, "diz Dupont." Cada clínico no mundo estaria operando em um nível de habilidade e experiência equivalente ao melhor em seu campo. Essa sempre foi a promessa dos robôs médicos. A autonomia pode ser o que nos leva lá. "