Tương lai robot phẫu thuật tự động trong phòng mổ
Các hệ thống robot phẫu thuật thế hệ tiếp theo có thể khâu mô mềm với sự can thiệp tối thiểu của con người. Đây là một cảnh trong tương lai không xa. Trong một phòng phẫu thuật sáng sủa, công nghệ cao, một cánh tay robot bóng bẩy đứng cạnh bàn phẫu thuật. Robot tự động sẽ không hoạt động hoàn toàn một mình, nhưng nó sẽ hỗ trợ trong quy trình sắp tới, thực hiện các nhiệm vụ chính một cách độc lập với độ chính xác cao hơn và giảm rủi ro.
Nguồn bệnh nhân của robot phẫu thuật là hơn 150.000 bệnh nhân được chẩn đoán mắc bệnh ung thư ruột kết chỉ tính riêng tại Hoa Kỳ mỗi năm. Phương pháp điều trị duy nhất có hiệu quả là cắt bỏ phần ruột kết bị bệnh, lý tưởng nhất là trong một quy trình nội soi ít xâm lấn, được thực hiện bằng các dụng cụ phẫu thuật và một camera mỏng được đưa vào qua các vết rạch nhỏ. Nhưng phẫu thuật có xu hướng khó khăn. Kỹ năng, kinh nghiệm và kỹ thuật của bác sĩ phẫu thuật là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến kết quả phẫu thuật và các biến chứng, xảy ra ở 16% các trường hợp. Những biến chứng này có thể làm giảm chất lượng cuộc sống của bệnh nhân và làm tăng nguy cơ tử vong.
Trong quá trình phẫu thuật, robot sẽ thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác cao nhất. Đầu tiên, bác sĩ phẫu thuật sẽ điều khiển chuyển động của robot bằng tay để loại bỏ mô ung thư, sau đó giám sát chuyển động của robot khi nó tự khâu lại phần ruột kết khỏe mạnh còn lại. Sử dụng một số hình thức chụp ảnh và lập kế hoạch phẫu thuật theo thời gian thực, robot sẽ khâu từng mũi khâu với độ chính xác dưới milimet, một kỳ tích mà bàn tay con người không thể thực hiện được. Do đó, đường khâu tạo ra sẽ chắc chắn hơn và đồng đều hơn, giúp giảm khả năng rò rỉ, một biến chứng nguy hiểm có thể xảy ra khi kết nối không lành lại đúng cách.
Mặc dù robot tự động vẫn chưa được sử dụng để phẫu thuật cho con người theo cách vừa mô tả, nhưng hiện đã có các công cụ có khả năng thực hiện kiểu phẫu thuật tương lai này, với nhiều khả năng tự chủ hơn nữa. Nhóm nhà khoa học ở Đại học Johns Hopkins chuyên phát triển các robot có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, lặp đi lặp lại một cách nhất quán và chính xác hơn cả những bác sĩ phẫu thuật giỏi nhất. Chẳng bao lâu nữa, bệnh nhân có thể mong đợi được nghe phiên bản mới của lời chào quen thuộc: “Robot sẽ khám cho bạn ngay”.
Phẫu thuật hỗ trợ bằng robot có từ năm 1985, khi một nhóm bác sĩ phẫu thuật tại Trung tâm Y tế Long Beach Memorial, California, sử dụng một cánh tay robot công nghiệp được cải tiến để dẫn kim vào não để sinh thiết. Mặc dù quy trình diễn ra tốt đẹp, Westinghouse, nhà sản xuất robot, đã dừng các ca phẫu thuật tiếp theo. Công ty lập luận rằng vì robot được thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp nên nó thiếu các tính năng an toàn cần thiết. Bất chấp sự cố này, robot phẫu thuật vẫn tiếp tục phát triển. Năm 1994, các cơ quan quản lý của Hoa Kỳ đã phê duyệt robot phẫu thuật đầu tiên: Hệ thống nội soi tự động để định vị tối ưu (AESOP), một cánh tay robot điều khiển bằng giọng nói để định vị camera nội soi. Năm 2000 chứng kiến sự ra đời của robot da Vinci, một hệ thống điều khiển từ xa cho phép các bác sĩ phẫu thuật kiểm soát tốt các dụng cụ nhỏ.
Các bác sĩ phẫu thuật phải rất thận trọng, vì vậy ban đầu họ chậm áp dụng công nghệ này. Năm 2012, chưa đến 2% các ca phẫu thuật tại Hoa Kỳ liên quan đến robot, nhưng đến năm 2018, con số đó đã tăng lên khoảng 15%. Các bác sĩ phẫu thuật nhận thấy rằng robot mang lại những lợi thế rõ ràng cho một số thủ thuật nhất định, chẳng hạn như cắt bỏ tuyến tiền liệt – ngày nay, hơn 90% các thủ thuật như vậy tại Hoa Kỳ được hỗ trợ bởi robot. Nhưng lợi ích cho nhiều ca phẫu thuật khác vẫn chưa chắc chắn. Robot rất đắt và các bác sĩ phẫu thuật sử dụng chúng cần được đào tạo chuyên sâu, khiến một số chuyên gia đặt câu hỏi về tiện ích chung của sự hỗ trợ của robot trong các ca phẫu thuật.
Tuy nhiên, các hệ thống robot tự động, có thể tự xử lý các nhiệm vụ riêng biệt, có khả năng thể hiện hiệu suất tốt hơn với ít yêu cầu đào tạo của con người hơn. Phẫu thuật đòi hỏi độ chính xác tuyệt vời, đôi tay vững vàng và trình độ chuyên môn y tế cao. Học cách thực hiện các thủ thuật chuyên khoa an toàn cần nhiều năm đào tạo nghiêm ngặt và rất ít chỗ cho sai sót của con người. Với các hệ thống robot tự động, nhu cầu cao về tính an toàn và tính nhất quán trong quá trình phẫu thuật có thể dễ dàng đáp ứng hơn. Những robot này có thể quản lý các nhiệm vụ thường lệ, ngăn ngừa sai sót và có khả năng thực hiện toàn bộ các ca phẫu thuật với ít sự can thiệp của con người.
Nhu cầu đổi mới là rõ ràng: Số lượng bác sĩ phẫu thuật trên toàn thế giới đang giảm nhanh chóng, trong khi số lượng người cần phẫu thuật tiếp tục tăng. Một báo cáo năm 2024 của Hiệp hội các trường Cao đẳng Y khoa Hoa Kỳ dự đoán rằng Hoa Kỳ sẽ thiếu tới 19.900 bác sĩ phẫu thuật vào năm 2036. Robot phẫu thuật sẽ mở ra một con đường để hàng triệu người tiếp cận với dịch vụ phẫu thuật chất lượng cao. Vậy tại sao các ca phẫu thuật tự động vẫn chưa được thực hiện?
Thông thường, khi nghĩ đến robot tại nơi làm việc, chúng ta hình dung chúng thực hiện các nhiệm vụ trong nhà máy, chẳng hạn như phân loại hàng hóa hoặc lắp ráp ô tô. Robot đã phát huy hết khả năng trong những môi trường như vậy, với các điều kiện được kiểm soát và lượng thay đổi tương đối nhỏ trong các nhiệm vụ. Nhưng tính phức tạp của các quy trình phẫu thuật, được đặc trưng bởi các tương tác động với mô mềm, mạch máu và các cơ quan, không dễ dàng chuyển thành tự động hóa bằng robot. Không giống như các thiết lập nhà máy được kiểm soát, mỗi tình huống phẫu thuật đều có những tình huống bất ngờ đòi hỏi phải đưa ra quyết định theo thời gian thực. Đây cũng là lý do tại sao chúng ta vẫn chưa nhìn thấy robot trong cuộc sống hàng ngày; thế giới xung quanh chúng ta đầy rẫy những điều bất ngờ đòi hỏi phải thích nghi ngay lập tức.
Phát triển robot có khả năng điều hướng những phức tạp của cơ thể con người là một thách thức to lớn đòi hỏi thiết kế cơ học tinh vi, kỹ thuật hình ảnh sáng tạo và gần đây nhất là các thuật toán trí tuệ nhân tạo tiên tiến. Các thuật toán này phải có khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực để thích nghi với môi trường không thể đoán trước của cơ thể con người.
Năm 2016 đánh dấu một cột mốc quan trọng: robot phẫu thuật tự động STAR đã khâu các mô trong ruột non của lợn bằng một cánh tay robot có bán trên thị trường trong khi được một bác sĩ phẫu thuật giám sát. Robot di chuyển độc lập giữa các vị trí khâu dọc theo mép mô và chờ bác sĩ phẫu thuật chấp thuận trước khi tự động khâu. Chiến lược kiểm soát này, được gọi là tự động có giám sát, thường được sử dụng để đảm bảo bác sĩ phẫu thuật luôn tập trung khi tự động hóa một nhiệm vụ quan trọng.
Việc khâu của STAR là lần đầu tiên một robot chứng minh được hiệu suất phẫu thuật tự động tốt hơn tiêu chuẩn chăm sóc: so với hiệu suất của bác sĩ phẫu thuật, STAR đạt được khoảng cách khâu đồng đều hơn, tạo ra đường khâu chắc chắn và bền hơn. Và đường khâu chắc chắn hơn có thể chịu được áp lực cao hơn từ bên trong ruột mà không bị rò rỉ, so với các đường khâu được thực hiện bằng kỹ thuật nội soi thủ công. Đó được xem là một thành tựu mang tính đột phá, vì rò rỉ như vậy là biến chứng đáng sợ nhất đối với bệnh nhân trải qua bất kỳ loại phẫu thuật đường tiêu hóa nào. Có tới 20& bệnh nhân trải qua phẫu thuật để nối lại ruột kết bị rò rỉ, có thể gây nhiễm trùng đe dọa tính mạng và có thể cần phẫu thuật bổ sung.
Trước ca phẫu thuật năm 2016 này, phẫu thuật mô mềm tự động được coi là một điều viễn vông của khoa học viễn tưởng. Vì mô mềm liên tục thay đổi và biến dạng, nên trường phẫu thuật thay đổi mỗi khi mô được chạm vào và không thể sử dụng hình ảnh trước phẫu thuật để hướng dẫn chuyển động của robot. Các máy ảnh tốt nhất tương thích với ống soi phẫu thuật – các ống dài, mỏng được sử dụng để quan sát các ca phẫu thuật bên trong – thiếu thông tin độ sâu có thể định lượng mà robot tự động cần để điều hướng.
Những cải tiến quan trọng trong công cụ phẫu thuật và hình ảnh đã giúp STAR thành công. Ví dụ, hệ thống được khâu bằng kim cong, đơn giản hóa chuyển động cần thiết để đưa kim qua mô. Ngoài ra, một thiết kế mới cho phép một cánh tay robot duy nhất vừa dẫn kim vừa kiểm soát độ căng của chỉ khâu, do đó không có nguy cơ các dụng cụ va chạm vào nhau trong phạm vi phẫu thuật.
Nhưng cải tiến quan trọng nhất giúp STAR trở nên khả thi là việc sử dụng hệ thống camera kép mới cho phép theo dõi ruột theo thời gian thực trong quá trình phẫu thuật. Camera đầu tiên cung cấp hình ảnh màu và thông tin ba chiều có thể định lượng về phạm vi phẫu thuật. Sử dụng thông tin này, hệ thống đã tạo ra các kế hoạch phẫu thuật bằng cách chụp ảnh mô ruột và xác định vị trí tối ưu cho các mũi khâu để tạo ra khoảng cách chỉ khâu mong muốn. Nhưng vào thời điểm đó, tốc độ chụp ảnh của hệ thống bị giới hạn ở 5 khung hình mỗi giây, lại không đủ nhanh để ứng dụng theo thời gian thực.
Để giải quyết hạn chế này, các nhà khoa học đã giới thiệu một camera cận hồng ngoại thứ hai chụp khoảng 20 hình ảnh mỗi giây để theo dõi vị trí của các điểm đánh dấu cận hồng ngoại được đặt trên mô mục tiêu. Khi vị trí của một điểm đánh dấu nhất định di chuyển quá nhiều từ khung hình này sang khung hình tiếp theo, hệ thống sẽ tạm dừng và cập nhật kế hoạch phẫu thuật dựa trên dữ liệu từ camera chậm hơn, tạo ra hình ảnh ba chiều. Chiến lược này cho phép STAR theo dõi các biến dạng mô mềm trong không gian hai chiều theo thời gian thực, chỉ cập nhật kế hoạch phẫu thuật ba chiều khi chuyển động của mô gây nguy hiểm cho thành công của nó.
Phiên bản STAR này có thể đặt một mũi khâu ở đúng vị trí ngay lần thử đầu tiên chỉ hơn một nửa thời gian. Trên thực tế, điều này có nghĩa là hệ thống STAR cần một người di chuyển kim khâu – sau khi nó đã đâm thủng da – một lần sau mỗi 2,37 mũi khâu. Tỷ lệ đó gần bằng tần suất các bác sĩ phẫu thuật phải hiệu chỉnh vị trí kim khi điều khiển robot thủ công: một lần sau mỗi 2,27 mũi khâu. Số mũi khâu được áp dụng cho mỗi lần điều chỉnh kim là một số liệu quan trọng để định lượng lượng mô bên bị tổn thương trong quá trình phẫu thuật. Nhìn chung, càng ít lần đâm thủng mô trong quá trình phẫu thuật (tương ứng với số mũi khâu cao hơn cho mỗi lần điều chỉnh) thì kết quả phẫu thuật cho bệnh nhân càng tốt.
Vào thời điểm đó, hệ thống STAR là một thành tựu mang tính cách mạng. Tuy nhiên, kích thước và sự khéo léo hạn chế của nó đã cản trở sự nhiệt tình của các bác sĩ và nó chưa bao giờ được sử dụng cho bệnh nhân là con người. Hệ thống hình ảnh của STAR lớn hơn nhiều so với các camera và ống nội soi được sử dụng trong phẫu thuật nội soi, do đó, nó chỉ có thể thực hiện khâu ruột thông qua kỹ thuật phẫu thuật mở, trong đó ruột được kéo lên qua một vết rạch da. Để sửa đổi STAR cho phẫu thuật nội soi, cần một vòng cải tiến khác trong hình ảnh phẫu thuật và lập kế hoạch.
Vào năm 2020 (kết quả được công bố vào năm 2022), thế hệ STAR tiếp theo đã lập thêm một kỷ lục nữa trong thế giới phẫu thuật mô mềm: ca phẫu thuật nội soi tự chủ đầu tiên trên động vật sống (một lần nữa, phẫu thuật ruột ở lợn). Hệ thống có một ống nội soi mới tạo ra hình ảnh ba chiều của bối cảnh phẫu thuật theo thời gian thực bằng cách chiếu sáng mô bằng các mẫu ánh sáng và đo mức độ biến dạng của các mẫu này. Hơn nữa, kích thước của ống nội soi đủ nhỏ để camera có thể vừa với lỗ mở được sử dụng cho quy trình nội soi.
Việc điều chỉnh STAR cho phương pháp nội soi ảnh hưởng đến mọi bộ phận của hệ thống. Ví dụ, các quy trình này diễn ra trong không gian làm việc hạn chế ở bụng bệnh nhân, vì vậy các nhà khoa học phải thêm một cánh tay robot thứ hai để duy trì độ căng thích hợp của chỉ khâu – đồng thời tránh va chạm với cánh tay khâu. Để giúp STAR tự động điều khiển chỉ và giữ cho đường khâu không bị rối với các mũi khâu đã hoàn thành, các nhà khoa học đã thêm một khớp nối thứ hai vào các dụng cụ phẫu thuật của robot, cho phép thực hiện các chuyển động giống như cổ tay.
Bây giờ ruột sẽ được khâu bằng nội soi, mô phải được giữ cố định bằng các mũi khâu tạm thời để nội soi của STAR có thể hình dung được nó – một bước thường được thực hiện trong quy trình tương đương không phải robot của quy trình này. Nhưng bằng cách neo ruột vào thành bụng, mô sẽ di chuyển theo mỗi hơi thở của động vật. Để bù đắp cho chuyển động này, các nhà khoa học đã sử dụng máy học để phát hiện và đo các chuyển động do mỗi hơi thở gây ra, sau đó hướng robot đến đúng vị trí khâu. Trong các quy trình này, STAR đã tạo ra các tùy chọn cho kế hoạch phẫu thuật trước mũi khâu đầu tiên, phát hiện và bù đắp cho chuyển động bên trong bụng và hoàn thành hầu hết các chuyển động khâu trong kế hoạch phẫu thuật mà không cần sự can thiệp của bác sĩ phẫu thuật. Chiến lược kiểm soát này, được gọi là quyền tự chủ nhiệm vụ, là một bước cơ bản hướng tới quyền tự chủ phẫu thuật hoàn toàn mà các nhà khoa học hình dung cho các hệ thống trong tương lai.
Trong khi phương pháp phát hiện mô ban đầu của STAR vẫn dựa vào việc sử dụng các điểm đánh dấu gần hồng ngoại, những tiến bộ gần đây trong học sâu đã cho phép theo dõi mô tự động mà không cần các điểm đánh dấu này. Các kỹ thuật học máy trong xử lý hình ảnh cũng thu nhỏ nội soi xuống còn 10 mm đường kính và cho phép chụp ảnh ba chiều đồng thời theo dõi mô theo thời gian thực, đồng thời vẫn duy trì độ chính xác như các camera trước đó của STAR.
Tất cả những tiến bộ này cho phép STAR thực hiện các điều chỉnh tinh vi trong quá trình phẫu thuật, giúp giảm số lần bác sĩ phẫu thuật phải thực hiện các hành động khắc phục. Trên thực tế, hệ thống STAR mới này có thể tự động hoàn thành 5,88 mũi khâu trước khi bác sĩ phẫu thuật cần điều chỉnh vị trí kim – kết quả tốt hơn nhiều so với những gì bác sĩ phẫu thuật có thể đạt được khi vận hành robot thủ công trong toàn bộ quy trình, hướng dẫn kim qua từng mũi khâu. Để so sánh, khi bác sĩ phẫu thuật thực hiện phẫu thuật nội soi mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào của robot, họ sẽ điều chỉnh vị trí kim sau hầu hết mọi mũi khâu. Các phương pháp AI và học máy có thể sẽ tiếp tục đóng vai trò nổi bật khi các nhà khoa học mở rộng ranh giới về những công việc phẫu thuật có thể hoàn thành bằng cách sử dụng tự động hóa nhiệm vụ. Cuối cùng, những phương pháp này có thể dẫn đến một loại hình tự động hóa hoàn thiện hơn mà cho đến nay robot phẫu thuật vẫn chưa làm được.
Với mỗi tiến bộ về mặt kỹ thuật, robot phẫu thuật tự động lại tiến gần hơn đến phòng phẫu thuật. Nhưng để những robot này hữu ích hơn trong các bối cảnh lâm sàng, chúng ta cần trang bị cho chúng các công cụ để nhìn, nghe và điều khiển giống con người hơn. Robot có thể sử dụng thị giác máy tính để diễn giải dữ liệu trực quan, xử lý ngôn ngữ tự nhiên để hiểu hướng dẫn bằng lời nói và điều khiển động cơ tiên tiến để thực hiện các chuyển động chính xác. Việc tích hợp các hệ thống này có nghĩa là bác sĩ phẫu thuật có thể ra lệnh bằng lời cho robot “nắm lấy mô bên trái” hoặc “thắt nút ở đây”, chẳng hạn. Ngược lại, trong các hệ thống phẫu thuật bằng robot truyền thống, mỗi hành động phải được mô tả bằng các phương trình toán học phức tạp.
Để chế tạo những robot như vậy, các nhà khoa học cần các bộ điều khiển robot đa năng có khả năng học hỏi từ các tập dữ liệu lớn về các quy trình phẫu thuật. Những bộ điều khiển này sẽ quan sát các bác sĩ phẫu thuật trong quá trình đào tạo và học cách thích nghi với những tình huống không thể đoán trước, chẳng hạn như biến dạng mô mềm trong quá trình phẫu thuật. Không giống như bảng điều khiển được sử dụng trong các ca phẫu thuật bằng robot ngày nay, cho phép bác sĩ phẫu thuật kiểm soát trực tiếp, bộ điều khiển robot trong tương lai này sẽ sử dụng AI để tự động quản lý chuyển động và ra quyết định của robot trong các nhiệm vụ phẫu thuật, giảm nhu cầu phải liên tục can thiệp của con người – trong khi vẫn đảm bảo robot được bác sĩ phẫu thuật giám sát.
Các robot phẫu thuật thực hiện trên bệnh nhân sẽ thu thập một lượng lớn dữ liệu và cuối cùng, các hệ thống robot có thể đào tạo trên dữ liệu đó để học cách xử lý các nhiệm vụ mà chúng không được dạy rõ ràng. Vì những robot này hoạt động trong môi trường được kiểm soát và thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, nên chúng có thể liên tục học hỏi từ dữ liệu mới, cải thiện thuật toán của chúng. Tuy nhiên, thách thức nằm ở việc thu thập dữ liệu này trên nhiều nền tảng khác nhau, vì dữ liệu y tế rất nhạy cảm và bị ràng buộc bởi các quy định nghiêm ngặt về quyền riêng tư. Để robot phát huy hết tiềm năng của mình, sẽ cần sự hợp tác sâu rộng giữa các bệnh viện, trường đại học và ngành công nghiệp để đào tạo những cỗ máy thông minh này.
Khi robot tự động tiến vào thế giới lâm sàng, nhân loại sẽ phải đối mặt với những câu hỏi ngày càng phức tạp về trách nhiệm giải trình khi có sự cố xảy ra. Bác sĩ phẫu thuật theo truyền thống chịu trách nhiệm về mọi khía cạnh chăm sóc bệnh nhân, nhưng nếu một robot hoạt động độc lập, thì không rõ liệu trách nhiệm sẽ thuộc về bác sĩ phẫu thuật, nhà sản xuất phần cứng robot hay nhà phát triển phần mềm. Ví dụ, nếu việc hiểu sai dữ liệu của robot gây ra lỗi phẫu thuật, thì bác sĩ phẫu thuật phải chịu trách nhiệm vì không can thiệp hay lỗi thuộc về nhà cung cấp công nghệ? Các hướng dẫn và quy định rõ ràng sẽ rất cần thiết để điều hướng các tình huống này và đảm bảo rằng sự an toàn của bệnh nhân vẫn là ưu tiên hàng đầu. Khi các công nghệ này trở nên phổ biến hơn, điều quan trọng là bệnh nhân phải được thông báo đầy đủ về việc sử dụng các hệ thống tự động, bao gồm các lợi ích tiềm năng và các rủi ro liên quan.
Một kịch bản trong đó bệnh nhân thường xuyên được bác sĩ phẫu thuật và trợ lý robot tự động chào đón không còn là khả năng xa vời nữa, nhờ vào các công nghệ hình ảnh và điều khiển đang được phát triển ngày nay. Và khi bệnh nhân bắt đầu được hưởng lợi từ những tiến bộ này, robot tự động trong phòng phẫu thuật sẽ không chỉ là một khả năng mà còn là một tiêu chuẩn mới trong y học.
