Rymdrobotar i människans inre

Forskaren och ingenjören Dr Shane Farritor från University of Nebraska, Lincoln (UNL) och kirurgen Dr Dmitry Oleynikov från University of Nebraska Medical Center (UNMC) träffades av en slump på ett forskningsseminarium som anordnades på initiativ av båda skolornas respektive vicerektorer. De hade även utlyst en tävling, hela tanken var att främja samarbete och diskussion mellan forskare från vardera skola. I minst ett fall gick det över förväntan.

Efter deras första möte presenterade Dr Oleynikov fem idéer för Dr Farritor. Nummer tre på listan var kirurgi med minirobotar. Dr Farritor har sedan dess skämtat med Dr Oleynikov om att hans andra fyra förslag var hemska men att han var inne på rätt spår med robotarna.

Idén fångade intresset av de båda vice rektorerna som delade ut 60 000 dollar för att finansiera projektet. UNMC var vid den tiden inte främmande för robotkirurgi. Universitetet var det åttonde medicinska centret som hade införskaffat Intuitive Surgicals da Vinci-kirurgi system, en stor robot som härmar kirurgens handrörelser men eliminerar mänskliga faktorer som handskakningar.

Även om da Vinci-roboten kan utföra komplicerade procedurer med minsta möjliga ingrepp så kan den inte komma ifrån vissa av problemen som automatiskt medföljer vid laparaskopisk kirurgi (titthålskirurgi). Eftersom man vill minimera storleken på snittet får man en begränsning i kamerornas omfång och ljusmängd. Därför började Dr Oleynikov att tänka litet. Han föreställde sig en minirobot som var liten nog att kunna sättas in i patienten genom redan existerande hålligheter, antingen naturliga eller sådana som redan gjorts för andra instrument. Trots att den inte vore större än ett läppstift skulle den vara utrustad med kameror, ljus och verktyg så att kirurgen fick ett större spelrum att operera med.

-Skillnaden skulle främst vara att kirurgen kan sätta in roboten genom ett litet hål och operera utan att behöva göra flera snitt eller ett tillräckligt stort för att händerna ska kunna komma in. En annan fördel är att läkningstiden för patienten blir kortare, förklarar Dr Oleynikov.

Dr Farritor, som tidigare hade jobbat åt Nasa med att utveckla robotar som skulle utföra tester på Mars yta var fascinerad av idén.

-Konceptet som används för att få en robot att åka runt på Mars är egentligen samma som att få den att åka omkring inne i kroppen. Båda är avlägsna miljöer där roboten styrs i en ”konstig” miljö, säger Dr Farritor.

Robotar på hjul åkte runt i kroppen

Doktorernas forskning fokuseras på bukkirurgi. Enligt Dr Farritor är det för att det området passar för denna typ av forskning samt att de anser att det finns många viktiga ingrepp som skulle kunna förbättras. Men i framtiden utesluter de inte olika former av lung- och hjärtkirurgi, eller till och med ryggradsoperationer.

Ingenjörsmässigt finns det många svårigheter som måste övervinnas. Teamets första utvecklade prototyper hade hjul som möjliggjorde att de kunde åka omkring inuti kroppen. Problemet som uppstod var att kroppens organ är olika känsliga och har olika texturer. Hjulen fick inte skada organ som gav bra fäste men de fick heller inte glida omkring på organ som inte hade det.

-Det var en stor utmaning men jag tror att vi har löst problemet. Dessutom får man komma ihåg att kirurgi i sig innefattar att man drar, tar tag och skär upp olika saker där inne. Vad vi gör är att försöka härma det som kirurgerna gör, påpekar Dr Farritor.

Det tog ett år att få fram en fungerande prototyp av hjulroboten. Sedan dess har de två forskarna tillsammans med deras team skapat ett 30-tal olika varianter. Vissa robotar har kameror, andra har ljus och vissa kan utföra en biopsi eller till och med avlägsna organ.

Eftersom flera robotar kan föras in i patienten via samma ingång eller snitt gör det inte så mycket att de enskilt besitter olika funktioner. Men målsättningen är att skapa robotar som ensamma kan göra samma saker som det krävs flera för i dagsläget. Det största hindret som måste överkommas är storleken. Den minsta roboten teamet har gjort är 10 mm i diameter, den största är 25 mm i diameter. Att trycka in en kamera, sändare, aktuator, strömkälla och rörliga leder på en så liten yta är ingen lätt sak. Samtidigt kan större ibland vara bättre, särskilt när man ska avlägsna större organ.

Materialet som robotarna görs av är sådant som redan idag används inom sjukvården, som kirurgiskt stål och medicinsk plast. De flesta robotar får strömförsörjning via en kabel. Även videolänken till kameran är på samma sätt men teamet har även utvecklat prototyper med trådlös överföring. Anledningen till att använda sladdar istället för batterier är att det sistnämnda kräver mera plats. Dessutom störs inte kirurgen av sladdarna.

Robotarna har ofta ett grepp som gör att de är lättare att ta ut ur patienten och de går även in i ett ”extraktionsläge” då det rätar ut sig och blir mer ”orm-aktig”. In i patienten åker de via svalget medan patienten är nedsövd.

Hittills bara djurförsök

I slutändan är förhoppningen att kirurgin med robotarna kan utföras utan att kirurgen måste göra ytterligare ingrepp, det vill säga att slippa gå in i patienten med titthålskirurgi eller med verktyg genom ett extra snitt. Då kommer proceduren verkligen att tillhöra ”Natural orifice translumenal endoscopic surgery” (NOTES)-kategorin. Den innefattar att instrumentet, eller roboten som Dr Oleynikov och Dr Farritors forskning kretsar kring, går in via en kroppsöppning och sedan lägger ett litet snitt för att ta sig vidare in i kroppen. Fördelen är att det inte blir någon som helst ärrbildning som är synlig på patientens utsida. Notes-kirurgi har bara utförts på cirka 75 patienter i USA (maj 2008) och då har det mest handlat om vaginala och transvaginala operationer.

-Det är det området där det redan finns en mängd etablerade procedurer. Vår första procedur kommer förmodligen inte vara Notes utan istället laparaskopisk kirurgi med endast ett snitt. Jag tror att vi är bra positionerade för att kunna bidra inom det området säger Dr Farritor.

Hittills har teamet gjort ett 30-tal djurförsök då det främst har handlat om att operationer som att avlägsna gallblåsan. I vissa av procedurerna har djuret väckts och övervakats efteråt men i andra fall måste djuret avlivas i slutet av operationen. Det har enligt Dr Farritor inte något att göra med komplikationer med robotarna utan de strikta reglerna som gäller för medicinska tester på djur.

-Det tar emot att ens nämna avlivning, men det har att göra med att inte skada djuret och att det inte ska lida.

Han tror att det ungefär två år kvar tills de kan söka och få tillstånd att börja göra försök på människor. Det är fortfarande en del frågor kring sterilisering, pålitlighet och storlek.

Dr Oleynikov flikar in med en kommentar.

-Det kan hända att robotar inte fungerar som de ska och då får man göra ett snitt och plocka ut dem. Vi hoppas att det kommer vara en sällan förekommande företeelse. Men sen måste också robotarnas rörlighet bli bättre. De bästa robotarna kommer att ha samma rörlighet som kirurgens händer men eliminera skakningar och kunna göra mer exakta snitt.

De enklaste robotarna kontrolleras med en joystick. De mer avancerade använder sig av ett ”mästare/slav”-system som innefattar två robotar som ser likadana ut. Kirurgen rör ”mästaren” och då gör ”slaven” likadant inne i kroppen. För robotar som inte har inbyggd kamera används en standard titthållskamera. I framtiden ska dock alla robotar ha egen kamera och ljuskälla eftersom det ger en mycket bättre sikt för kirurgen.

Under resans gång har de båda kollegorna lärt sig mycket av varandra. Dr Farritor har enligt egen utsago bevittnat ett 50-tal kirurgiska ingrepp, allt från operationer på djur till generella kirurgiska och gynekologiska ingrepp på människor. Båda forskarna bidrar till utformningen av robotarna. De träffas minst en gång i veckan och utför djurförsök ungefär var sjätte vecka.

-Dmitry har en väldigt bra uppfattning om hur roboten ska användas och vad den behöver klara av. Jag å andra sidan vet vad roboten är kapabel till och hur den kan byggas.

Finansieras av försvarsdepartementet och Nasa

En tanke som diskuterades tidigt var att kunna ge kirurgisk hjälp på avlägsna platser där det inte finns tillgång till traditionella sjukhus och resurser. Dessutom kan robotarna, eftersom de styrs av datorer, kontrolleras över långa avstånd. Det är något som både Nasa och den amerikanska militären är intresserade av, vilket har lett till att de är med och sponsrar forskningen.

-I fall som utspelar sig på ett slagfällt kan roboten ha ett externt batteri som den kopplas till. Ett möjligt användningsområde som vi ser är att roboten går in och klämmer ihop en blödande artär så att soldaten inte hinner förblöda innan denne har transporterats till ett riktigt sjukhus. Men sedan finns det även fältsjukhus där det kan vara en kirurg på tio patienter och där skulle man med hjälp av robotarna kunna förstärka kirurgens kapacitet eller bidra med fjärrtelekirurgi. För Nasa är det främst användningen på rymdskepp, rymdstationer och andra planeter som är intressant, förklarar Dr Farritor.

För att marknadsföra robotarna och andra kringliggande tekniker som kan uppstå på vägen har Doktorerna tillsammans startat ett företag. Och att Dr Oleynikov tror på de små elektroniska hjälparna råder det inget tvivel om.

-Robotar är framtiden inom kirurgi, jag tror verkligen på det. Jag ser framför mig en framtid då kirurgerna överhuvudtaget inte behöver gå in i patienten med händerna.

Dr Farritor går ännu längre i sin vision om framtiden.

- Om 50 år kommer du inte att behöva åka in till ett sjukhus när du ska opereras. Istället kommer du få en låda hemskickad. I den kommer det att finnas två piller, den ena söver ner dig och den andra är en robot som opererar på dig under tiden du sover.