Если друзья попросят вас поделиться впечатлениями от путешествия в Италию, то, вероятно, вы привезёте им не один десяток фотографий. Если ваших приятелей заинтересует итальянская опера, весьма кстати окажутся аудиозаписи «Аиды», «Кармен» или «Дон Жуана», сделанные в знаменитой Аренеди Верона. Однако если вас спросят о прославленной статуе Джульетты, прикосновение к которой, по преданию, гарантирует удачу в любви, то вам совершенно нечем будет подтвердить свои ощущения.
Человечество научилось успешно фиксировать, сохранять и передавать зрительные и звуковые образы, а вот с осязательными (тактильными) всё гораздо сложнее. На пути технической реализации передачи тактильных ощущений важные шаги делают учёные Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ). Вместе с ними работают электронщики из лабораторий Зеленограда, специалисты тульских оборонных предприятий и практикующие врачи.
Справка STRF.ru:
Проект «Организация производства медицинских и биологических устройств с тактильными возможностями» реализуется в рамках Постановления Правительства РФ №218 от 9.04.2010 года под руководством ректора МГУ имени М.В. Ломоносова Виктора Садовничего
Команда исследователей более чем в 250 человек, объединяющая математиков, медиков, физиологов и инженеров, изобрела устройство, которое знаменует собой открытие нового направления в науке – тактильной механорецепции. Это означает возможность фиксировать ощущения от прикосновения и передавать их. Прибор, получивший название медицинского тактильного эндохирургического комплекса, успешно проходит клинические испытания в ведущих лечебных учреждениях России.
Макеты механических рецепторов в форме флешек – на конце находится 19 датчиков
Борьба с неприкосновенностью
Встреча с координатором проекта, профессором МГУ Михаилом Соколовым начинается с сюрприза. Он дарит мне две флешки, которые представляют собой миниатюрные макеты механического рецептора, – это ключевой элемент тактильного комплекса. На кончике металлической трубки расположена «головка» – эластичная мембрана, которая при прикосновении к предмету «считывает» ощущение. Сами разработчики и врачи, использующие прибор, называют её просто «пальцем». В него встроено 19 датчиков давления – это микроэлектронный блок, выполняющий обработку поступающей от мембраны информации.
Во время операции хирург через разрез или прокол вводит рецептор в полость организма – брюшную, грудную или суставную – и «ощупывает» нужные органы и ткани. Показания давления регистрируются со скоростью 10 раз в секунду. За одно прикосновение, длящееся несколько секунд, производится около тысячи измерений. При этом хирург через специальный прибор-посредник чувствует то же самое, как если бы он своими руками, без перчаток, касался внутренних органов пациента. Тем самым врач получает бесценную информацию об их состоянии.
Давление – ключевой параметр при фиксации тактильного ощущения, поскольку ощупывание – процесс динамический, а не статический. Проще говоря, чтобы потрогать орган или ткань, нужно надавить. При простом прикосновении можно оценить только температуру, а для понимания свойств осматриваемого предмета нужно нажать на него с разными усилиями. И необходимо сделать это постепенно. Как говорят хирурги, «послойно», «поэтапно».
Один из первых приборов, признаётся Михаил Соколов, был сделан на чистом энтузиазме – из лыжной палки. На одном её конце располагались крупные датчики давления, а другая часть служила тем самым «пальцем», воспринимающим ощущения. С помощью этого примитивного прибора, сконструированного из подручных материалов, разработчики учились распознавать тактильные образы.
«Сравнить было не с чем. Ни у кого в мире нет данных по тактильным исследованиям», – говорит Соколов и обращает внимание на другую особенность подаренных флешек: на каждой отпечатан автограф ректора МГУ имени М.В. Ломоносова, академика РАН Виктора Садовничего.
«Задача состояла в том, чтобы получить изображение участка, к которому рука хирурга не может попасть. Это комплексная задача: важно учитывать и упругость ткани, и её пластичность. Здесь востребованы методы приближений, методы устойчивости и, конечно, знание физиологии, электроники, методик проведения операций», – перечисляет Садовничий.
Основная трудность состояла в том, что до сих пор нигде в мире нет библиотеки тактильных образов. Более того, не определены объективные характеристики ощущений.
«Врач всегда сравнивает с чем-то конкретным, но никакой определённой цифры он назвать не может. Каждый интерпретирует по-своему. Для вас хлеб, по ощущениям, мягкий, а для меня – жёсткий. Мы поставили перед собой цель создать такой аппарат, который бы позволял определять объективные параметры. Одним словом, создавать цифровой портрет ткани», – объясняет Михаил Соколов.
В решении подобных задач без математики не обойтись. Представители «царицы наук» помогают медикам механически имитировать ощущение, распознавать тактильные образы и устанавливать диагноз.
«Здесь очень сложная математическая работа, – подчёркивает Виктор Садовничий. – Надо провести точнейшую юстировку датчиков, их калибровку, их сравнение, затем построить алгоритм обработки информации, полученной от датчиков, – фактически сделать перевод этой информации в реальную картину, которую видит или ощущает хирург».
Передаваемое ощущение
В московской городской клинической больнице № 31 идёт плановая эндоскопическая операция на толстой кишке. Ежедневно в России производятся сотни подобных хирургических вмешательств на этом и других органах. Однако эта конкретная операция уникальна. Хирург «прощупывает» орган специальным устройством – так, как делал бы это с помощью руки. Искусственный «палец», введённый в брюшную полость через десятимиллиметровый разрез, позволяет не только определить наличие и расположение опухоли, но и распознать её форму.
Во время операции хирургам очень важно проверить ткани поражённого органа
На мониторе компьютера отображаются результаты обследования. Зелёный цвет показывает участки с наименьшей плотностью, тёмно-зелёный и бурый – с наибольшей. Красный цвет означает максимальную плотность и, возможно, свидетельствует о наличии опухоли.
Результаты обследования выводятся не только на монитор. В операционной стоит ещё один уникальный, специально созданный прибор – тактильный транслятор, или проще – тактильный дисплей. Аппарат содержит так называемый приёмник тактильного сигнала, к которому хирург прикасается пальцем и получает данные в режиме онлайн.
Но воспроизвести данные, когда-то записанные с механического рецептора, также возможно. В этом смысле тактильная запись аналогична видео- или аудиозаписи.
«Тактильный сенсор состоит из своеобразных иголочек. Усилие, развиваемое на них, отражает вязко-упругие свойства ощупываемой ткани и соответствует изображению на экране. Прикасаясь к сенсору пальцем, чувствуем то же самое», – комментирует главный конструктор проекта Владимир Буданов (МГУ).
Получается, что, даже находясь в другом городе или другой стране, можно получить тактильный сигнал. А так как задача хранения тактильного образа решена, то можно переслать его и в записи.
«Давно идут споры: хирургия – ремесло или искусство? В какой-то степени и то и другое. А для ремесленника, производящего что-то руками, очень важен обратный эффект – необходимо чувствовать ткань», – подбирает подходящее сравнение заместитель главного врача по хирургии ГКБ № 31 г. Москвы, хирург высшей категории Автандил Манвелидзе.
В медицинский тактильный эндохирургический комплекс входит ещё одно устройство – лабораторный механорецептор. Он предназначен для экспресс-диагностики удалённых во время операции тканей. Во время обследования изучается, как биологическая ткань реагирует на нажатие, определяются её плотность и однородность, вычисляются границы поражённого участка.
«В хирургической практике иногда очень сложно высказаться о природе тех находок, которые мы обнаруживаем во время операции. До тех пор пока не увидим образование на разрезе и не исследуем его с помощью морфологов, окончательно высказаться зачастую очень сложно», – констатирует заведующий кафедрой госпитальной хирургии № 2 РНИМУ им. Н.И. Пирогова профессор Сергей Шаповальянц.
Экспресс-исследование проводится прямо во время хирургического вмешательства одним членом операционной бригады без привлечения других специалистов. И по времени проведения, и по трудозатратам оно значительно превосходит срочное гистологическое исследование, для которого требуется круглосуточная работа специальной лаборатории.
«Онкологическое заболевание или неонкологическое – это, скорее, вопрос гистологический. Нам важно понять – мягкие ткани или жёсткие, плотные», – объясняет заведующий отделением оперативной эндоскопии ГКБ № 31 г. Москвы Евгений Фёдоров.
С помощью созданной технологии врачи во время операций диагностируют начальную стадию раковой опухоли. Глазами её не увидишь, а прибор позволят «потрогать» и составить объективный цифровой портрет.
Робот, будь человеком!
«Ни в одной стране мира – ни в США, ни в Японии, где ведутся лабораторные исследования в области инструментальной пальпации, – не удалось создать прибор, готовый к применению во время операций, а мы используем тактильный комплекс уже несколько лет, испытываем, совершенствуем», – Михаил Соколов отвечает на вопрос о том, существуют ли аналоги российскому прибору, и то ли в шутку, то ли всерьёз добавляет: «Нет в мире такого прибора, поэтому заимствовать нам было не у кого и нечего».
К серийному выпуску тактильного комплекса готовится ведущее тульское оборонное предприятие ОАО «НПО ‘‘СПЛАВ’’» – ведущий в мире производитель реактивных систем залпового огня.
«На предприятии строится новый цех, в нём будет подготовлено специальное помещение для производства техники. Закуплено новейшее оборудование. Это наш вклад, оборонщиков, в развитие медицины», – отмечает генеральный директор НПО «СПЛАВ», Герой России Николай Макаровец.
Тем временем учёные МГУ продолжают работать над совершенствованием тактильной техники, инициируя сотрудничество с зарубежными коллегами – ведущими специалистами в области роботизированной хирургии.
В ноябре 2011 года по инициативе МГУ и Университета Сока (Япония) был создан российско-японский научно-технический центр.
«Центр работает и в Москве, и в Токио, чтобы мы смогли дополнять друг друга. Наши технологические возможности достаточны для создания такого универсального прибора, который может быть включён в состав любой эндоскопической операционной», – говорит Михаил Соколов.
Задача на перспективу, которую определили для себя учёные, – создать такого робота-хирурга, который бы был способен, как человек, ощупывать органы и ткани во время операции. И который бы не просто осязал, но фиксировал этот процесс документально, анализировал полученную информацию и ставил диагноз.
Роботизированная хирургия развивается уже на протяжении трёх десятилетий. Компанией Intuitive Surgical (США) произведено более тысячи роботов-хирургов DaVinci. Они установлены в клиниках разных стран мира, в том числе в России. Однако этот «железный хирург», снабжённый четырьмя «руками» и способный выполнять операционные манипуляции в труднодоступных областях, ещё не умеет осязать. Российские учёные готовы научить робота чувствовать.
«DaVinci – это манипулятор, а не робот. Он выполняет определённые действия благодаря хирургу, который сидит за его управлением. Мы же думаем о роботе, который будет осуществлять хотя бы некоторые операции без вмешательства человека и сможет предоставлять обратную связь: визуальную, а также – тактильную», – делится программой-максимум Михаил Соколов.
Разработки учёных МГУ предназначены для медицины, и пока авторы не собираются расширять поле их применения. Но не исключено, что в будущем они получат такое широкое распространение, что мы сможем попытать счастья в любви, прикоснувшись к веронской Джульетте и без заезда в Италию. Потребуется лишь «тактильный» файл, переданный по электронной почте.