thumb|upright|Ramiona robota chirurgicznego da Vinci, przystosowanego do przeprowadzania teleoperacji.
Teleoperacja, telechirurgia, zdalna chirurgia – rodzaj operacji, przeprowadzanej przy pomocy robota chirurgicznego, sterowanego przez chirurga zdalnie. Dziedzina ta jest specjalistyczną formą telemedycyny. Łączy w sobie elementy chirurgii, telekomunikacji, informatyki oraz robotyki. W odróżnieniu od chirurgii zrobotyzowanej, telechirurgia pozwala na przeprowadzenie operacji, w której fizyczna odległość między pacjentem a lekarzem przestaje być istotna. Zadania chirurgiczne są wykonywane bezpośrednio przez robota medycznego, wyposażonego w odpowiednie narzędzia chirurgiczne. Robotem za pomocą konsoli sterowania zawierającej manipulatory kieruje lekarz, znajdujący się w innej lokalizacji. Ruchy manipulatorów przesyłane są za pomocą bezpiecznego połączenia telekomunikacyjnego do urządzenia na sali operacyjnej, które zamienia je na precyzyjne akcje narzędzi chirurgicznych. Chirurg przez cały czas trwania operacji otrzymuje sygnał audiowizualny wraz z pomiarami czujników, w które wyposażony jest robot.
Rozwój teleoperacji stał się możliwy dzięki osiągnięciom technologicznym (szczególnie informatycznym i telekomunikacyjnym), pozwalającym uzyskać szybkie, bezpieczne oraz stabilne połączenie telekomunikacyjne pomiędzy robotem na sali operacyjnej a konsolą sterowaną przez lekarza, znajdującego się w znacznej odległości (na przykład na innym kontynencie). W systemach tych bowiem wymagane jest minimalne opóźnienie (najwyżej rzędu setek milisekund) pomiędzy ruchem manipulatora konsoli sterowniczej a odpowiednim ruchem robota.
Historia Pierwsze wykorzystanie telekomunikacji w chirurgii Próby wykorzystania telekomunikacji w medycynie rozpoczęły się na początku lat 60. XX wieku wraz z początkiem intensywnego rozwoju tej gałęzi przemysłu. W 1964 roku dr Michael DeBakey, kardiochirurg z Houston w Teksasie przeprowadził transmitowaną telewizyjnie operację endarterektomii tętnicy szyjnej. Obserwatorami byli lekarze z Genewy, zaś zabieg odbywał się w Szpitalu Metodystów w Houston. Sygnał transmitowano za pomocą prywatnej sieci telekomunikacyjnej przy wykorzystaniu pierwszego satelity telekomunikacyjnego Early Bird, uruchomionego przez NASA w 1964 roku.
Roboty AESOP, ZEUS i Da Vinci Rozwój teleoperacji rozpoczął się na początku lat 90. XX wieku, wraz z rozwojem laparoskopii oraz chirurgii zrobotyzowanej. W 1994 na rynek amerykański dopuszczony został pierwszy robot chirurgiczny wykorzystywany przy przeprowadzaniu zabiegów laparoskopowych – AESOP firmy Computer Motion. System ten pozwalał na automatyczne pozycjonowanie kamery endoskopowej podczas operacji, umożliwiając otrzymanie obrazu wnętrza ciała pacjenta. Posiadał możliwość sterowania manualnego lub zdalnego, za pomocą ręcznych i nożnych manipulatorów. Kolejne wersje wykorzystywały do sterowania komendy głosowe.
AESOP stał się z czasem częścią większego robota medycznego o nazwie ZEUS, wykonanego przez tego samego producenta. ZEUS pojawił się na rynku amerykańskim w roku 1998. Wyposażony był w 3 ramiona, z których jedno służyło do trzymania kamery (funkcjonalność przeniesiona z robota AESOP), natomiast pozostałe spełniały rolę prawej i lewej ręki chirurga. Podobne rozwiązanie zastosowano w konkurencyjnym robocie da Vinci firmy Intuitive Surgical. Robot ten, zaprojektowany przy współudziale NASA i przeznaczony był pierwotnie dla armii amerykańskiej.
W 2003 roku nastąpiło połączenie firm Computer Motion oraz Intuitive Surgical, w wyniku którego na rynku pozostał tylko robot da Vinci.
Operacja Lindbergh 7 września 2001 roku zrealizowano projekt o nazwie Operacja Lindbergh (nazwa pochodzi od nazwiska pilota, który zasłynął pierwszym przelotem między lądem Ameryki Północnej a Europą bez międzylądowań). Była to pierwsza międzykontynentalna teleoperacja. Robotem wykonującym zadania chirurgiczne był ZEUS. 68-letnia pacjentka znajdująca się w Strasburgu została poddana zabiegowi usunięcia pęcherzyka żółciowego (cholecystektomia) przez francuskiego lekarza, znajdującego w tym czasie w Nowym Jorku, doktora Jacques'a Marescaux. Ponieważ odległość między miastami wynosiła 6230 km, potrzebne było szybkie i niezawodne łącze o minimalnym czasie opóźnienia. Zastosowano w tym przypadku światłowodowe łącze ATM o przepustowości 10 Mb/s. Opóźnienie między ruchem manipulatora konsoli sterowania a ruchem robota wynosiło 155 ms. Operacja zakończyła się pomyślnie po 54 minutach. Chociaż zabieg ten mógł być przeprowadzony mniejszym kosztem przez lekarzy-asystentów nadzorujących stan pacjentki, prezentacja ta wykazała realność teleoperacji na znaczną odległość oraz możliwość ich wykorzystania w przyszłości w różnych warunkach, np. w środku działań wojennych lub w kosmosie.
Budowa systemu teleoperacyjnego Robotami wykorzystywanymi w warunkach klinicznych, zdolnymi do przeprowadzenia teleoperacji są ZEUS i da Vinci. Są to urządzenia typu Master-Slave, gdzie rozdzielona jest część sterownicza (Master), służąca do kontrolowania systemu oraz część wykonawcza (Slave), na którą składają się ramiona robota wraz z narzędziami chirurgicznymi, niezbędnymi do przeprowadzenia zabiegu. Poza robotem chirurgicznym na system teleoperacyjny składają się także inne urządzenia oraz technologie. W ogólności system teleoperacyjny składa się z komponentów wymienionych w dwóch kolejnych podsekcjach.
Elementy systemu po stronie chirurga Głównym elementem wykorzystywanym przez chirurga podczas teleoperacji jest konsola sterowania wyposażona w manipulatory oraz dodatkowe urządzenia, dzięki którym lekarz może sterować robotem medycznym. Na przykład konsola robota da Vinci zawiera:
Ergonomiczne stanowisko przy którym siedzi chirurg. Okular wizjera (przypominający lornetkę), wyświetlający wysokiej rozdzielczości trójwymiarowy obraz przesyłany z kamer laparoskopowych robota. Alternatywnie do podglądu sytuacji na sali operacyjnej mogą posłużyć monitory i okulary stereoskopowe (w przypadku obrazowania 3D). Manipulatory, służące do sterowania narzędziami robota, umieszczone poniżej głowy, w linii prostej do kierunku wzroku. Pozycja ta przypomina rzeczywiste ustawienie lekarza w trakcie standardowej operacji, daje iluzję bezpośredniego używania narzędzi chirurgicznych.
Pozostałymi elementami systemu teleoperacyjnego po stronie chirurga są: połączenie głosowe z lekarzami znajdującymi się na sali operacyjnej (np. w technologii VoIP), kamera/y dające podgląd działań chirurga oraz komputer odpowiedzialny za połączenie audiowizualne.
Elementy systemu po stronie pacjenta Po stronie pacjenta znajduje się robot medyczny wyposażony w chwytaki odpowiedzialne za wykonywanie zadań chirurgicznych oraz kamery endoskopowe wraz z osprzętem niezbędnym do jego działania. Robot medyczny zawiera:
3 lub 4 ramiona o 5-7 stopniach swobody, z których jedno kontroluje endoskop zamontowany na ruchomej podstawie, poruszającej się blisko stołu operacyjnego. Końcowe chwytaki robota, zawierające potrzebne narzędzia chirurgiczne (wymienialne). Ruchy manipulatorów konsoli zamieniane są przez wysokiej rozdzielczości czujniki na precyzyjne ruchy tych narzędzi. Częścią robota jest również system zabezpieczeń, chroniący przed drganiem rąk (głównie drgania o częstotliwości ok. 6Hz) oraz przed wykonywaniem wszelkich niewywołanych przez chirurga ruchów.
Analogicznie jak po stronie lekarza niezbędne jest także połączenie audiowizualne z salą operacyjną oraz komputer odpowiedzialny za to połączenie. System wizyjny musi dostarczać wysokiej jakości obraz pochodzący z kamer endoskopowych, dostępny dla całego zespołu znajdującego się po stronie pacjenta, który kontroluje działanie robota oraz jest gotów do dokończenia zabiegu w przypadku problemów technicznych bądź nieprzewidzianych sytuacji.
600px|mały|Diagram przepływu informacji w systemie teleoperacyjnym
Połączenie telekomunikacyjne Niezbędnym elementem systemu teleoperacyjnego jest bezpieczne, niezawodne, szybkie (przynajmniej 10 Mb/s) połączenie sieciowe o małym czasie opóźnienia transmisji (poniżej 200 ms). Łącze to musi obsługiwać 3 niezależne kanały komunikacji:
Obraz video przekazany od urządzenia typu Slave (robot) do urządzenia Master (konsola sterownicza). Komendy sterujące emitowane przez urządzenie Master do Slave. Sprzężenie zwrotne (zależne od budowy robota) od urządzenia Slave do Master.
Opóźnienia w kanałach wymagają odpowiedniej synchronizacji, ze względu na to, że komunikacja w każdym z nich cechuje się innymi czasami transmisji. W teleoperacjach wykorzystuje się sieci LAN lub WAN, zaś ochronę przed nieupoważnionym dostępem zapewnia VPN. Sieci te działają w modelu TCP/IP, dając możliwość przesyłu danych w formie pojedynczych pakietów. Innym modelem sieci jest UDP/IP, który nie posiada mechanizmów naprawy błędów, oferując zamiast tego szybki i bezpośredni sposób wysyłania i odbioru informacji. Model ATM/AAL1, który przesyła dane w postaci małych pakietów także jest stosowany, podobnie jednak jak UDP/IP model ten nie posiada odpowiednich systemów zabezpieczeń przed błędami. Niezawodne połączenie sieciowe jest wymagane, ponieważ zarówno robot ZEUS jak i da Vinci zostały tak zaprojektowane, by odrzucać każdy błędny pakiet. Nie mają one też mechanizmów naprawy błędów na poziomie bitów. Jeśli kilka pakietów zostanie straconych w wyniku błędów transmisji, roboty przerywają aktualnie wykonywaną czynność.
Osobną rolę odgrywają algorytmy kodowania audio i video, pozwalające na przesyłanie wysokiej jakości obrazu i dźwięku, nie powodując przy tym nadmiernego obciążenia sieci. Korzystając z formatu MPEG-2 opóźnienie kodowania sygnału video można zmniejszyć do 90 milisekund, zaś używając formatu lepszej jakości MPEG-4 Level 10 (H.264) opóźnienie kodowania wynosi 120-180 milisekund.
Zastosowanie teleoperacji Telementoring Poza usunięciem pęcherzyka żółciowego, którego dokonano podczas pierwszej teleoperacji, technologię tę wykorzystuje się również do innych zabiegów. Kanadyjska grupa doktora Mehran'a Anvari jako pierwsza wykorzystała zdalne operacje w typowych warunkach szpitalnych. Działanie to polegało na pomocy i doradztwie stażystom w zabiegach wymagających zaawansowanych umiejętności laparoskopowych w szpitalu odległym o ponad 400 km. Począwszy od lutego 2003 roku (rok po „Operacji Lindbergh”), w ciągu 2 lat przeprowadzono 21 teleoperacji laparoskopowych. Wszystkie zakończyły się sukcesem, bez dalszych komplikacji. Były to: 13 zabiegów fundoplikacji, 3 resekcje esicy, 2 zabiegi hemikolektomii prawostronnej, 1 resekcja przednia oraz 2 operacje przepukliny pachwinowej. Czas spędzony na zadaniach chirurgicznych był równo podzielony pomiędzy mentorem i stażystą. Ponadto istniała możliwość jednoczesnego operowania przez obu chirurgów. Skorzystano z komercyjnie dostępnej sieci o przepustowości 15 Mb/s. Średnie opóźnienie wynosiło 135-140 ms, a robotem medycznym wykorzystywanym we wszystkich przypadkach był ZEUS. Prace doktora Anvari przybliżyły powszechną dostępność telechirurgii, choć w tym przypadku zastosowana była ona jako uzupełnienie telementoringu, służące do kształcenia przyszłych lekarzy.
Operacje w trudnych warunkach Poza możliwością przeprowadzania coraz bardziej skomplikowanych operacji, teleoperacje przynoszą ułatwienia dla lekarzy i pacjentów. Korzystając z telechirurgii fizyczna odległość staje się nieistotna. Pacjenci nie muszą być transportowani do innych szpitali, a chirurdzy mogą dokonywać zabiegów bez potrzeby przemieszczania się w miejsca trudno dostępne ze względu na sytuację polityczną lub ogarnięte działaniami wojennymi. Obecnie w Iraku armia amerykańska wykorzystuje technologię teleoperacji w formie mentoringu (doradztwa) w trudnych przypadkach. Lekarz znajdujący się na terenie bazy wojskowej ma możliwość konsultacji podczas operacji z lekarzami z USA.