Clinical Research Insider

Investigación de robótica médica

Por: Guillermo Caletti, MD, PhD

¿Qué es un robot?

La palabra robot fue acuñada por un novelista checo Karel Čapek en una obra teatral de 1920 intitulada Robots Universales Rossum (R.U.R.) *Robot en checo es una palabra para trabajador o sirviente.

“La palabra robot que Karel Čapek acuñó para la obra teatral, basada en la palabra checa robota “trabajo forzado” se ha vuelto parte de la mayoría de los idiomas modernos.”
– Lewis, Literatura Utópica, pp. 38-9.

“Un robot es manipulador reprogramable, multifuncional, diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados variables para la ejecución de una variedad de tareas”
–Robot Institute of America, 1979.

La anterior definición deja fuera las herramientas con una sola tarea (por ejemplo, una engrapadora), así como a cualquier cosa que no se pueda mover (algoritmos de análisis de imágenes) y mecanismos no programables (herramientas laparoscópicas meramente manuales). Como resultado, los robots están generalmente indicados para tareas que requieren movimientos programables, particularmente cuando esos movimientos deben ser rápidos, fuertes, precisos, incansables y por vía de articulaciones complejas(1).

Solemos imaginar que un robot debe lucir como un humano, pero este tipo es más precisamente un “androide”: un robot con apariencia humana. La realidad es que los androides son un porcentaje ínfimo entre la totalidad de los robots disponibles para ayudar a los humanos en sus actividades cotidianas.

Robótica

La robótica es la intersección de la ciencia, ingeniería y tecnología que produce máquinas, llamadas robots, que sustituyen o replican las acciones humanas. Conforme progresa la tecnología, lo mismo ocurre también con el alcance de lo que se considera como robótica. En 2005, 90% de los robots se encontraban ensamblando automóviles en fábricas automotrices. Consisten, principalmente, en brazos mecánicos cuya tarea es soldar o atornillar ciertas partes de un automóvil. Hoy estamos viendo una definición evolucionada y ampliada de la robótica, que incluye el desarrollo, creación y uso de robots que exploran las condiciones más duras de la Tierra, ayudan a la aplicación de la ley e incluso en casi cualquier faceta del cuidado de la salud.

Leyes de la robótica(2)

En su libro Yo, robot, Isaac Asimov propuso tres “Leyes de la robótica”. Y más tarde agregó la “Ley cero”:

Ley 0: un robot no puede lesionar a la humanidad o, a través de inacción, permitir que la humanidad sea dañada;

Ley 1: un robot no puede lesionar a un ser humano o, a través de inacción, permitir que se dañe a un ser humano, a menos que éste viole una ley del orden superior;

Ley 2: un robot debe obedecer órdenes que le sean dadas por un ser humano, excepto cuando dichas órdenes entren en conflicto con una ley de orden superior;

Ley 3: un robot debe proteger su propia existencia, en tanto que tal protección no entre en conflicto con una ley de orden superior.

Lo descrito anteriormente es ficción y necesita ser tomado como tal, pero sería útil y podría tomarse en cuenta, si empezamos a pensar en la inteligencia artificial (IA) que sería desarrollada como una herramienta para ayudar al humano en sus actividades diarias.

Con esto en mente, podemos pensar en toneladas de actividades útiles donde los robots auxilien a los humanos, como se describe enseguida: (adaptado de la publicación de Erika Mendes) (3).

Tareas sucias. En la manufactura, muchos trabajos en la fábrica son sucios. Las tareas sucias pueden incluir soldadura, molienda, moldeado y vaciado. Emplear los robots para realizar estas tareas, permite que los trabajadores humanos participen en actividades más significativas y creativas.

Tareas repetitivas. Los robots son trabajadores confiables. No tienen emociones y, por lo tanto, no se sienten inútiles cuando realizan tareas insignificantes. Para la mayoría de la gente, las tareas industriales repetitivas resultan muy aburridas. Por ejemplo, la única tarea de un robot puede ser recoger un objeto de una banda y ponerlo en una caja. El robot puede realizar esta tarea todo el día, todos los días, sin aburrirse. Algunos otros ejemplos serían: empacar productos en cajas o levantar objetos pesados repetitivamente.

Tareas peligrosas. En la manufactura, los robots a menudo realizan tareas que son muy peligrosas para las personas. Utilizar robots para tareas que involucren temperaturas extremas, reduce el riesgo de accidentes en el lugar de trabajo. Aparte de tareas peligrosas en la manufactura, los robots también se usan para llevar a cabo otras actividades importantes pero peligrosas, tales como remover minas terrestres, ayudar en misiones de rescate y neutralizar fugas tóxicas. Los robots policía son utilizados para desactivar y quitar dispositivos explosivos. A veces, la policía tiene que detonar el dispositivo en el sitio. Algunos robots son tan resistentes que pueden sobrevivir a múltiples explosiones.

Tareas imposibles. Trabajar a gran profundidad bajo el agua, explorando volcanes activos a distancias cortas o viajar a planetas muy lejanos, son tareas sencillamente imposibles para los humanos.

A menudo, los robots son llamados para realizar misiones de salvamento bajo el agua encontrar barcos hundidos o aviones. En 1985, un equipo de investigadores y un robot —llamado Jason Junior— encontraron el Titanic. Los robots submarinos, que operan a un kilómetro y medio bajo la superficie del océano, desempeñaron un papel vital en la lucha para detener el derrame de petróleo en el Golfo de México.

Tareas de asistencia. Los robots más sofisticados del mundo están ahora diseñados para apoyar a nuestra población en aumento de adultos mayores y de ciudadanos discapacitados. Hay una gama de robots domésticos que entienden instrucciones y ayudan en cualquier tarea del hogar. Los robots también pueden auxiliar en ambientes médicos, como por ejemplo asistir a los cirujanos cuando realizan operaciones. Igualmente, pueden apoyar a personas discapacitadas con el uso y control de miembros artificiales.

¿Por qué es importante la robótica?

Como ya vimos en los ejemplos referidos, la robótica es un campo emergente con aplicaciones en muchas facetas de nuestras vidas. Para todos los miembros de la sociedad es importante comprender la tecnología que nos rodea. Pero no es esa la única razón de su importancia. La robótica proporciona una combinación única de los pilares de STEM: ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas. Cuando se enseña en las escuelas, permite que los estudiantes experimenten una lección verdaderamente interdisciplinaria al estudiar un tema emocionante y de vanguardia. Además, la estética —el diseño y creación de los robots— permite a los estudiantes explorar su lado artístico, mientras trabajan con principios técnicos. Esta combinación recompensa a los participantes con una plétora de diferentes niveles de aprendizaje.

Robots en la medicina

Según un reciente reporte de Credence Research, el mercado global de robótica médica fue valorado en $7.24 miles de millones en 2015 y se espera que crezca a $20 miles de millones para 2023. Un impulsor clave de este crecimiento es la demanda para usar robots en cirugías mínimamente invasivas, especialmente para procedimientos neurológicos, ortopédicos y laparoscópicos. Como resultado, amplias gamas de robots están siendo desarrolladas para servir en una variedad de papeles dentro del ambiente médico. Los especializados en el tratamiento humano incluyen robots quirúrgicos y de rehabilitación.

El campo de dispositivos robóticos de asistencia y terapéuticos también se está expandiendo rápidamente. Incluyen robots que ayudan a rehabilitar pacientes en condiciones serias como apoplejías, robots empáticos que contribuyen al cuidado de personas mayores o con problemas físicos o mentales, así como robots industriales que asumen una gran variedad de tareas rutinarias, tales como esterilizar cuartos o entregar suministros médicos y equipo, incluyendo medicaciones (4,5). Los robots médicos han sido evaluados en diversos estudios aparecidos desde la década de 1990. Muchas de esas evaluaciones se refieren a áreas específicas, por ejemplo, robots quirúrgicos, robots urológicos, robots de columna, etcétera. Trataremos de hacer una evaluación comprensiva de aquellos disponibles, por área terapéutica, a fin de mostrar una panorámica de estas tecnologías y sus usos en el tratamiento de pacientes.

Neurológicos

La cirugía del cerebro involucra acceder a un blanco rodeado por tejido delicado. Una tarea que se beneficia de la habilidad de los robots para hacer movimientos precisos y exactos con base en imágenes médicas. Así pues, el primer reporte del que se tiene registro que investigó el uso de un robot en cirugía humana fue publicado en 1985, para una biopsia del cerebro que empleó una imagen de tomografía computarizada (CT) y un marco estereotáctico.

En 1991, el robot Minerva (Universidad de Lausana, Suiza) fue diseñado para dirigir herramientas en el cerebro en tiempo real, guía CT. Otro sistema robótico, Pathfinder (Prosurgics, anteriormente Armstrong Healthcare Ltd.) permite al cirujano especificar un blanco y trayectoria en una imagen médica preoperatorio. El robot guía al instrumento con precisión submilimétrica. Los usos reportados del sistema incluyen guiar agujas para biopsia y dirigir perforadores para hacer orificios.

Ortopedia


El beneficio esperado de la asistencia del robot en ortopedia es la resección de hueso precisa y exacta. Gracias a una buena resección de hueso, los sistemas robóticos pueden mejorar el alineamiento del implante y aumentar el área de contacto entre el implante y el hueso, ambos pueden mejorar los resultados funcionales y la longevidad del implante. Los robots ortopédicos hasta ahora han tenido como blanco la cadera y la rodilla, para reemplazos y resuperficiamiento.

Los sistemas iniciales requieren que los huesos estén fijos en su lugar, y todos los sistemas usan tornillos óseos o pernos para localizar el sitio quirúrgico.

Laparoscopia general


La asistencia del robot para cirugía de tejido blando fue primero hecha en 1988 utilizando un robot industrial para remover activamente tejido blando durante la resección transuretral de la próstata. Como ocurre con la neurocirugía, los investigadores consideraron el uso de un robot industrial en el quirófano como inseguro. La experiencia proporcionó el ímpetu para un sistema de investigación, probot, con el mismo propósito.

En 1995, Computer Motion combinó dos brazos sostenidos maquinados con Aesop para crear el sistema Zeus (descontinuado). Los brazos maquinados del Zeus fueron teleoperados, siguiendo los movimientos del cirujano hechos con controles de los instrumentos (también conocidos como brazos o mandos “maestros”) en la consola del cirujano. Técnicamente, el Zeus no es un robot porque no sigue movimientos programables, más bien es un telemanipulador remoto asistido por computadora con brazos robóticos interactivos.

Para mejorar la precisión en el movimiento de la herramienta, el Zeus filtra el temblor de la mano y puede escalar los movimientos grandes de la mano para acortar y precisar los movimientos de la herramienta. Entre tanto, Intuitive Surgical Inc. estaba desarrollando el Da Vinci.

Como el Zeus, el Da Vinci es un sistema teleoperado, donde el cirujano manipula los controles de los instrumentos en una consola y los brazos del robot siguen esos movimientos con escalamiento del movimiento y reducción del temblor. Como el Zeus, el Da Vinci fue inicialmente ofrecido con tres brazos, para sostener dos herramientas y un endoscopio, que se montan en un carrito.

Catéteres dirigibles

La cateterización vascular es utilizada para diagnosticar y tratar varias enfermedades cardíacas y vasculares, incluyendo mediciones de presión directa, biopsia, ablación para una fibrilación auricular y angioplastía para vasos sanguíneos obstruidos. Se inserta el catéter en un vaso sanguíneo y la porción externa es manipulada para mover la punta del catéter al sitio quirúrgico, mientras que la fluoroscopia proporciona guía de imagen. Debido al tejido de poyo, los catéteres únicamente requieren tres grados de libertad, típicamente: flexión de la punta, rotación de la punta y profundidad de la inserción. Los beneficios posibles de los catéteres dirigidos por robot son procedimientos más cortos, fuerzas reducidas ejercidas en la vasculatura por la punta del catéter, exactitud aumentada en el posicionamiento del catéter y teleoperación (reduciendo la exposición del médico a la radiación).

Radiocirugía

La radiocirugía es un tratamiento (no una cirugía), en la que rayos enfocados de radiación ionizada se dirigen hacia el paciente, principalmente para tratar tumores. Al dirigir el rayo a través del tumor en varias orientaciones, se dispensa radiación de alta dosis al tumor mientras que el tejido circundante recibe radiación significativamente menor. Antes del rastreo del tejido en tiempo real, la radiocirugía estuvo prácticamente limitada para tratar al cerebro usando marcos estereotácticos montados en el cráneo con tornillos óseos. Ahora es factible ese rastreo de tejido en tiempo real, puesto que los sistemas están comercialmente disponibles.

Respuesta de emergencia


Pocos sistemas de robots médicos son adecuados para usarse fuera del quirófano, a pesar de la investigación significativa que fondea a dispositivos médicos para la respuesta de desastre y medicina del campo de batalla. Las metas típicas para dicha investigación incluyen la extracción mejorada de los pacientes de ambientes peligrosos, diagnóstico rápido de lesiones y entrega semiautónoma de intervenciones de salvación de vidas. Los robots de respuesta de emergencia actuales no son más que pequeños sistemas sencillos de motor, pero esos sistemas pueden controlarse por monitores de salud para minimizar la atención necesaria por respondientes de emergencia. Dicho control de retroalimentación hace que sea más probable que tales sistemas sean autónomos (por ejemplo, desfibriladores externos automatizados).

Prostéticos y exoesqueletos

Los prostéticos controlados con microprocesador han estado disponibles desde 1993, específicamente la rodilla prostética inteligente (C has . A . B latchford & Sons, Ltd.). Varios prostéticos controlados con microprocesador están hoy disponibles, predominantemente para prótesis de rodilla, prostéticos de mano y exoesqueletos.

Sistemas asistenciales y de rehabilitación


Los sistemas robóticos asistenciales están diseñados para permitir que las personas con discapacidades tengan más autonomía; dichos sistemas cubren una amplia gama de tareas cotidianas. Investigación actual y desarrollo en robótica médica. La robótica médica es un campo joven y relativamente inexplorado. Surge gracias a las mejoras técnicas puestas en marcha durante las últimas dos décadas. Los sistemas disponibles actualmente llevan operando un tiempo muy corto como para permitir estudios a largo plazo. De hecho, los beneficios potencialmente proporcionados por los robots médicos aún no son completamente entendidos.

Los robots médicos han pasado a través de unas pocas generaciones tecnológicas. Y la tecnología continúa cambiando y salta a nuevas áreas. A partir del mercado actual y considerando los sistemas de investigación representativos, se pueden formular suposiciones fundamentadas acerca del impacto de los robots en la medicina del futuro cercano. Muchos más robots médicos están siendo actualmente investigados. Dicha investigación llevará a desarrollar las nuevas capacidades de sistemas comerciales futuros.

Las cápsulas ingeribles reducen el trauma del paciente al extremo, pero los sistemas actuales están limitados a usos de diagnóstico. La medición de la temperatura del núcleo ha sido liberada por la FDA desde 1990, por CorTemp (HQ Inc., anteriormente HTI Technologies). Más recientemente, contamos con los sistemas de endoscopia de cápsula, que consisten en una cámara gran angular que ve hacia adelante tomando fotografías regularmente temporizadas, una batería y luces, todo dentro de una cápsula que utiliza sensores múltiples para medir la presión, nivel de pH, tiempo de vaciamiento gástrico y de vaciamiento de los intestinos. Sayaka (RF Co Ltd.) es un diseño novedoso, no liberado por la FDA, donde una cámara lateral rota dentro de la cápsula para dar la imagen de todo el tracto; está diseñada sin batería, en vez de ello se vale de un campo magnético aplicado externamente como fuente inductiva de energía. Muchas mejoras han sido propuestas, incluyendo biopsia, localización en tiempo real de la cápsula, dispensación de medicamento, imágenes ultrasónicas, aumentando motilidad induciendo eléctricamente la peristalsis y utilizando un sistema de locomoción activo que involucra peldaños o patas.

En un enfoque más dramático a la robótica en vivo, la tecnología micro/nano es un área de investigación multimillonaria, incluyendo investigación de varios usos robóticos médicos tales como vehículos de dispensación de medicamentos dirigibles no costosos, biomoléculas radiocontroladas, plataformas de micromanipulación de tejidos, glóbulos blancos artificiales mecánicos y muchos otros enfoques terapéuticos que pueden beneficiarse de robots trabajando a nivel celular. La construcción de sistemas funcionales es un área en marcha de investigación, particularmente con respecto a generar y energizando el movimiento.

Muchos prototipos actuales son propulsados y guiados vía campos magnéticos, aunque algunos utilizan fuentes eléctricas de energía externas. Hasta donde sabemos, no hay estudios clínicos iniciados para ningún micro/nanorobot médico. En robótica quirúrgica se ha dado una tendencia lejos de movimientos autónomos o aun semiautónomos, y hacia la manipulación sinérgica y accesorios virtuales. Así pues, el robot actúa como una herramienta de guía, proporcionando información (y posiblemente un impulso físico) para mantener al cirujano en el blanco. Dicho uso requiere una localización exacta de los tejidos en el sitio quirúrgico, aun cuando los tejidos sean manipulados durante la cirugía. Los sistemas de imagenología mejorados (por ejemplo, Explorer, un rastreador de tejido blando intraoperatorio por Pathfinder Therapeutics o compatibilidad de robot con MRI o CT) proporcionarán esa localización.

En particular, los robots guiados por MRI se beneficiarán de imágenes 3D intraoperatorias con contraste excelente de tejido blando y registro exacto entre la herramienta y el tejido, así pues, permitiendo accesorios virtuales precisos, comportamientos de “ajustado” y “empate”. Además, dichas imágenes facilitarán el modelado y prototipo rápido de modelos/plantillas/implantes específicos del paciente. Los diseños físicos para los robots médicos continuarán mejorando, reduciendo su costo y tamaño, mientras que minimizan o compensan las cosas no ideales como la flexión (por ejemplo, el robot CRIGOS).

Con mejores diseños físicos, el comportamiento semiautónomo probablemente se volverá más útil. “Macros” se puede volver común: el cirujano presiona un botón y el robot ejecuta un movimiento preprogramado, tal como pasar una aguja de sutura entre grapas o la característica de autoretracción Sensei. Los robots tendrán más uso para propósitos de capacitación, reforzada por capacidades de modelado de tejidos, por la objetividad en aumento en la evaluación del cuidado de la salud, mediante avances en simulaciones computacionales y como resultado de la información aumentada que surge de la minería de información proveniente de la conectividad mejorada de la información entre dispositivos y entre instituciones.

Algunos de dichos sistemas ya están disponibles, como el mencionado Da Vinci Skills Simulator, el simulador virtual I.V. por Laerdal y el simulador quirúrgico EndoscopyVR por CAE. Por las mismas razones, la robótica continuará haciendo posibles nuevos procedimientos médicos y tratamientos tales como procedimientos de acceso de puerto único.

Aunque los robots son desarrollados para nuevas áreas médicas, otras herramientas pueden incidir sobre las necesidades médicas actualmente llenadas por los robots. Los robots médicos deben desarrollar una base firme sobre resultados médicos mejorados, o arriesgarse a ser desplazados por fármacos, ingeniería de tejidos, terapia genética e innovación rápida en herramientas manuales (por ejemplo, el sistema quirúrgico SPIDER por TransEnterix y el EndoStitch por Covidien).

Para ese fin, las mejoras en robótica médica deben manejar y resolver problemas reales en el cuidado de la salud, a fin de ofrecer una mejora clara en la calidad de vida cuando se les compare con las otras alternativas disponibles.

Bibliografía


1. Beasley, Ryan A. Journal of Robotics. Vol 2012, Article ID 401613.

2. Asimov, Isaac. I Robot. Gnome Press. December 2, 1950.

3. Erika Mendes. https://prezi.com/uatrfrr1rrmc/different-purposes-of-robots/

4. Crawford, Mark. ASME.org. Sep 14th, 2016. https://www.asme.org/topics-resources/content/top-6-robotic-applications-in-medicine

5. https://www.credenceresearch.com/press/global-medical-robotics-market

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