ΜΙΚΡΟ-ΡΟΜΠΟΤ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ: ΝΕΟΙ ΟΡΙΖΟΝΤΕΣ ΣΤΗ ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΚΑΙ ΣΤΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ


Σταδιακά αναπτύσσονται όλο και περισσότερες εφαρμογές της Ρομποτικής που στόχο έχουν να συμβάλουν στη διάγνωση και τη θεραπευτική αντιμετώπιση των παθολογικών καταστάσεων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το ρομποτικό σύστημα λαπαρασκοπικών επεμβάσεων daVinci και άλλα υπό ανάπτυξη συστήματα που αποσκοπούν στη βελτίωση της καθημερινής άσκησης της Ιατρικής. Όμως, ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πεδία της σχετικής έρευνας είναι ο σχεδιασμός ιατρικών μικρο-ρομπότ για την απεικόνιση και τη λήψη βιοψιών σε δυσπρόσιτες περιοχές του σώματος, την εφαρμογή στοχευμένων θεραπειών ή τη μεταφορά άλλων συσκευών εντός του οργανισμού. Βέβαια, οι ερευνητές πρώτα θα πρέπει να βρουν τις κατάλληλες λύσεις σε διάφορα προβλήματα, όπως ο αποτελεσματικότερος μηχανισμός κίνησής τους μέσα στο σώμα, πέρα από το πρωταρχικό της κατασκευής μιας λειτουργικής συσκευής με τόσο μικροσκοπικές διαστάσεις.

Τη δεκαετία του 1970 εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Χειρουργική η τάση για την εφαρμογή όσο το δυνατό λιγότερο επεμβατικών τεχνικών. Αντί της πραγματοποίησης μεγάλων χειρουργικών τομών στο σώμα, η προσέγγιση των λαπαροσκοπικών τεχνικών περιελάμβανε την εισαγωγή κατάλληλων χειρουργικών εργαλείων μέσω τομών που δεν ήταν μεγαλύτερες από ένα εκατοστό. Ο χειρουργός χειριζόταν αυτά τα εργαλεία με ειδικούς εξωτερικούς βραχίονες. Σήμερα, διάφορες χειρουργικές επεμβάσεις πραγματοποιούνται με αυτόν τον τρόπο, μεταξύ των οποίων το γαστρικό bypass και η εκτομή της χοληδόχου κύστης. Στα βασικά πλεονεκτήματα των λαπαροσκοπικών τεχνικών περιλαμβάνονται ο περιορισμός της αιμορραγίας κατά την επέμβαση, η εμφάνιση ηπιότερου μετεγχειρητικού πόνου και η μείωση του απαιτουμένου χρόνου ανάρρωσης. Τα προηγούμενα χρόνια οι λαπαροσκοπικές τεχνικές εξελίχθηκαν ακόμα περισσότερο με την προσθήκη του ρομποτικού συστήματος daVinci βάσει του οποίου ο χειρουργός δεν κρατάει πλέον χειρουργικά εργαλεία, αλλά πραγματοποιεί τους χειρισμούς μέσω ειδικής κονσόλας. Το σύστημα αυτό επιτρέπει μεγαλύτερη χειρουργική ακρίβεια και εξαλείφει την πιθανότητα αστοχιών λόγω της αστάθειας του χεριού του ιατρού. Σήμερα, πάνω από 1.000 συστήματα daVinci λειτουργούν σε χειρουργικές κλινικές σε διάφορες χώρες. Είναι πιθανό, όμως, οι χειρουργοί του μέλλοντος να έχουν στη διάθεσή τους μικροσκοπικά ρομπότ, τα οποία θα εισέρχονται στο σώμα των ασθενών και θα επιτελούν το έργο τους χωρίς καν να υπάρχει ανάγκη για χειρουργική τομή. Βέβαια, τέτοιες συσκευές με διαστάσεις της τάξεως των νανομέτρων παραμένουν ακόμα σε πολύ πρώιμο ερευνητικό στάδιο, αλλά ήδη διάφορες ερευνητικές ομάδες αναπτύσσουν συσκευές μεγέθους μερικών χιλιοστών. Οι προκλήσεις για τον τομέα της Μηχανικής είναι μεγάλες καθώς πρέπει να αναπτυχθούν νέοι μέθοδοι προώθησης και παροχής ενέργειας. Παρόλα αυτά, οι πρώτες πρότυπες συσκευές έχουν ήδη ελεγχθεί σε πειραματόζωα και είναι δυνατό να αρχίσουν μελέτες σε ανθρώπους στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον. Ο Brad Nelson, ο οποίος είναι ειδικός στη Ρομποτική στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη, αναφέρει ότι αυτές οι μελέτες θα ήταν δυνατό να αρχίσουν σε περίπου πέντε χρόνια.

Η Ρομποτική έχει αναπτύξει διάφορες εφαρμογές που αναμένεται να συμβάλουν σημαντικά στην εξέλιξη της Ιατρικής. Για παράδειγμα, ερευνητές από το Hamlyn Centre for Robotic Surgery του Imperial College του Λονδίνου επιχειρούν να προσθέσουν στο ήδη καινοτόμο ρομποτικό σύστημα daVinci μια συσκευή, η οποία θα κατευθύνει τα επικουρικά εργαλεία (όπως μια πηγή laser) στο σώμα του ασθενούς βάσει του βλέμματος και μόνο του χειρουργού. Η συσκευή αυτή αναγνωρίζει την κίνηση των οφθαλμών του ιατρού και στρέφει τα εργαλεία προς το σημείο που εκείνος κοιτάζει στο σώμα μέσω του ρομποτικού συστήματος. Δεδομένου ότι δεν απαιτείται η συνεχής χρήση επικουρικών εργαλείων σε όλη τη διάρκεια των χειρουργικών επεμβάσεων, η συσκευή μπορεί να απενεργοποιηθεί ή να επανενεργοποιηθεί με έναν ποδοδιακόπτη. Η ακρίβεια της συσκευής φθάνει στον εντοπισμό της σωστής θέσης με εύρος 3 χιλιοστών, αν και οι ερευνητές αναφέρουν ότι αυτό είναι ένα στοιχείο που στοχεύουν να βελτιώσουν περαιτέρω. Σκοπός είναι να παρέχει πιο άμεσο και ακριβή έλεγχο των εργαλείων σε σχέση με τους άλλους ιατρούς και βοηθούς που συμμετέχουν σήμερα στις επεμβάσεις. Αναμένεται να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε καρδιοχειρουργικές τεχνικές και επεμβάσεις στο γαστρεντερικό σύστημα, στις οποίες συχνά απαιτούνται πολύπλοκοι χειρισμοί με διάφορα εργαλεία.

Το ρομποτικό σύστημα SpineAssist αποσκοπεί στη βελτίωση του προγραμματισμού και της εφαρμογής των χειρουργικών επεμβάσεων που πραγματοποιούνται στη σπονδυλική στήλη. Το λογισμικό του συστήματος επιτρέπει στον χειρουργό να πραγματοποιεί τρισδιάστατο προεγχειρητικό σχεδιασμό της επέμβασης βάσει εικόνων αξονικής τομογραφίας σε προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή. Επίσης, υποστηρίζει τη χρήση διαφόρων εργαλείων εκτίμησης των διαταραχών βάσει των εικόνων της αξονικής τομογραφίας. Ακόμα, ο ιατρός μπορεί να προσομοιώσει το αποτέλεσμα των σχεδιαζόμενων διορθωτικών παρεμβάσεων, δυνατότητα που είναι ιδιαίτερα σημαντική σε περιπτώσεις παραμορφώσεων και σκολίωσης. Στην αίθουσα του χειρουργείου, το SpineAssist διαθέτει πίνακα ελέγχου από τον οποίο ο ιατρός αξιολογεί τη σωστή τοποθέτηση του ασθενούς μέσω συστήματος απεικόνισης. Αυτό πραγματοποιείται σε σύγκριση με τις προεγχειρητικές εικόνες της αξονικής τομογραφίας. Εφαρμόζεται μικρο-ρομποτική τεχνολογία βάσει της οποίας τοποθετούνται με ακρίβεια εμφυτεύματα με τη βοήθεια συσκευής που έχει το μέγεθος μεταλλικού κουτιού αναψυκτικού. Με ειδική πλατφόρμα επιτυγχάνεται η σταθερότητα μεταξύ της συσκευής και του ασθενούς. Υπό τον έλεγχο του ιατρού μετακινείται ο βραχίονας της συσκευής σύμφωνα με την προαποφασισμένη τροχιά και υποδεικνύεται η ακριβής θέση για την εισαγωγή των εργαλείων και την τοποθέτηση των εμφυτευμάτων. Η εισαγωγή και η τοποθέτηση γίνεται από τον ιατρό. Σύμφωνα με μελέτες, η ακρίβεια της συσκευής έχει ένα εύρος 1,2 χιλιοστών.

Διάφορα ακόμα συστήματα έχουν αναπτυχθεί που θέτουν εφαρμογές της Ρομποτικής στην υπηρεσία της Ιατρικής, όπως είναι:
1. Το σύστημα FreeHand που επιτρέπει στον χειρουργό να έχει ελεύθερα τα χέρια του κατά τη διάρκεια της επέμβασης, ενώ χειρίζεται τη λαπαροσκοπική κάμερα με το κεφάλι και τα πόδια του.
2. Το σύστημα Probot που δίδει τη δυνατότητα στον χειρουργό να πραγματοποιεί με ακρίβεια προστατεκτομές σε ασθενείς με καλοήθη υπερπλασία του αδένα. Ο ιατρός προσδιορίζει τον όγκο του ιστού που πρέπει να αφαιρεθεί και το σύστημα πραγματοποιεί την εκτομή χωρίς άλλη παρέμβαση.
3. Τα ιατρικά ρομπότ ARES (Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical System) που καταπίνονται από τον ασθενή ή εισάγονται στον οργανισμό από φυσιολογικά στόμια. Μετά την είσοδό τους στο σώμα, τα διαφορετικά τμήματα συναρμολογούνται από μόνα τους αφού κατευθυνθούν στην προσβεβλημένη περιοχή. Το πλήρες σύστημα είναι ικανό για την πραγματοποίηση χειρουργικών τεχνικών. Σκοπός είναι η εφαρμογή των μεθόδων χωρίς εξωτερικές τομές. Ο ασθενής θα πρέπει να καταπιεί έως και 15 διαφορετικά τμήματα.
Επιπλέον, η Ρομποτική έχει αναπτύξει συστήματα που συμβάλλουν στη βελτίωση της καθημερινής κλινικής πράξης. Το ρομπότ RP-7 φέρει κάμερα και οθόνη που επιτρέπουν την επικοινωνία του ασθενούς με τον ιατρό, ο οποίος βρίσκεται σε διαφορετικό χώρο. Επίσης, μπορεί να συνδεθεί με στηθοσκόπιο, ωτοσκόπιο ή συσκευή λήψης υπερηχοτομογραφήματος. Όλες αυτές οι δυνατότητες επιτρέπουν στον ιατρό να έχει μια πληρέστερη εικόνα της κατάστασης του ασθενούς χωρίς να πρέπει να βρίσκεται δίπλα του. Το RI-MAN είναι ένα άλλο πρότυπο νοσοκομειακό ρομπότ που έχει σχεδιαστεί ώστε να μεταφέρει ασθενείς με προσοχή και άνεση. Τέλος, το Bloodbot είναι ένα ρομποτικό σύστημα που αναπτύχθηκε από ερευνητές στο Imperial College του Λονδίνου για τη λήψη αίματος από ασθενείς.

Πέρα από αυτά, ορισμένες από τις πλέον εντυπωσιακές εξελίξεις στον τομέα της Ρομποτικής αφορούν τον σχεδιασμό ιατρικών συσκευών μικροσκοπικών διαστάσεων. Αναπτύσσονται διάφορες συσκευές με σκοπό να καταστεί ευκολότερη η πρόσβαση σε δυσπρόσιτες θέσεις του σώματος. Όσο βελτιώνεται η τεχνολογία κατασκευής συσκευών πολύ μικρών διαστάσεων, αυξάνονται και οι δυνατότητες εφαρμογής ιατρικών παρεμβάσεων στον οργανισμό με πρωτοποριακούς τρόπους. Γενικά, τα τελευταία χρόνια το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει επικεντρωθεί στην ανάπτυξη μικρο-ρομπότ για ελάχιστα επεμβατικές εφαρμογές διάγνωσης και θεραπείας εντός του σώματος του ασθενούς. Τα ιατρικά μικρο-ρομπότ είναι δυνατό να ταξινομηθούν σε δύο βασικές κατηγορίες. Στην πρώτη ανήκουν εκείνα που έχουν σχεδιαστεί με δυνατότητα πλοήγησης σε σωματικά υγρά και στη δεύτερη ομάδα όσα έχουν σχεδιαστεί ώστε να κινούνται πάνω σε εσωτερικές επιφάνειες. Οι συσκευές της πρώτης ομάδας θα ήταν χρήσιμες σε ιατρικές εφαρμογές όπου σχεδόν μηδενική ροή ασκείται από το υγρό στο μικρο-ρομπότ. Αντίθετα, θεωρητικά, οι συσκευές της δεύτερης κατηγορίας θα μπορούσαν να ανταπεξέλθουν ακόμα και στην ισχυρή ροή του αίματος των αγγείων του ανθρώπου.

Η εφαρμογή τέτοιων καινοτόμων προσεγγίσεων έχει ήδη αρχίσει στην Ιατρική. Στη Γαστρεντερολογία χρησιμοποιείται μια κάψουλα που περιλαμβάνει κάμερα και είναι τόσο μικρή ώστε να είναι δυνατή η κατάποσή της. Κατά τη συμβατική μέθοδο ενδοσκόπησης του πεπτικού σωλήνα, μια κάμερα στη μια άκρη ενός εύκαμπτου ενδοσκοπίου εισέρχεται είτε μέσω της στοματικής κοιλότητας είτε του πρωκτού (γαστροσκόπηση ή κολονοσκόπηση, αντίστοιχα). Όμως, με αυτούς τους τρόπους δεν είναι δυνατός ο έλεγχος του μεσαίου τμήματος του εντέρου. Από την άλλη πλευρά, η κάψουλα μήκους 25 χιλιοστών παρέχει – μέσω της κάμερας που φέρει – εικόνες από όλο το μήκος του εντέρου καθώς περνάει από τον γαστρεντερικό σωλήνα του εξεταζόμενου. Βέβαια, η κάψουλα αυτή δεν υπόκειται σε έναν περιορισμό, που αποτελεί σημαντικό πρόβλημα στην ανάπτυξη άλλων σχετικών εφαρμογών. Δεν χρειάζεται να διαθέτει σύστημα κίνησης, καθώς προωθείται παθητικά λόγω της συστολής των μυών του τοιχώματος των οργάνων του πεπτικού. Για συσκευές, που σχεδιάζονται να χρησιμοποιηθούν σε άλλες περιοχές του οργανισμού, το πρόβλημα της προώθησης και της ενεργειακής παροχής θα μπορούσε να επιλυθεί με τη χρήση καλωδίων, που θα συνδέουν τη συσκευή με μια μονάδα ελέγχου εκτός του σώματος.

Η προσέγγιση της σύνδεσης του μικρο-ρομπότ μέσω καλωδίων με την εξωτερική μονάδα ακολουθήθηκε για την ανάπτυξη μιας συσκευής (HeartLander) με εφαρμογές στην Καρδιοχειρουργική. Σύμφωνα με τη συμβατική μέθοδο, η καρδιακή λειτουργία διακόπτεται κατά τις καρδιοχειρουργικές επεμβάσεις και ο ασθενής συνδέεται με ειδικό μηχάνημα υποστήριξης της κυκλοφορίας. Μια περισσότερο σύγχρονη προσέγγιση περιλαμβάνει την εφαρμογή λαπαροσκοπικών τεχνικών με διατήρηση της καρδιακής λειτουργίας. Όμως και πάλι πραγματοποιούνται αρκετές τομές στο θωρακικό τοίχωμα, πρέπει να αφαιρεθεί ο αέρας από τον αριστερό πνεύμονα (ώστε να επιτραπεί η πρόσβαση στην καρδιά) και η διαδικασία εφαρμόζεται υπό γενική αναισθησία.

Το μικρο-ρομπότ HeartLander έχει σχεδιαστεί ώστε να εισάγεται στη σωστή θέση μέσω μιας μικρής τομής που πραγματοποιείται ακριβώς κάτω από το στέρνο. Η λειτουργικότητα της καρδιάς και του αριστερού πνεύμονα δεν χρειάζεται να επηρεαστούν, οπότε ο ασθενής μπορεί να αναπνέει φυσιολογικά υπό τοπική αναισθησία. Κατόπιν ο χειρουργός πραγματοποιεί μια δεύτερη τομή στο περικάρδιο (το οποίο περικλείει τον καρδιακό μυ) και τοποθετεί ο ίδιος τη συσκευή στην επιφάνεια της καρδιάς. Με αυτόν τον τρόπο οι χειρουργικές επεμβάσεις των στεφανιαίων αγγείων θα ήταν δυνατό να πραγματοποιούνται χωρίς καν να απαιτείται εισαγωγή των ασθενών στο νοσοκομείο, αναφέρουν οι ερευνητές. Το μικρο-ρομπότ HeartLander έχει μήκος 20 χιλιοστών και φέρει πρόσθιο και οπίσθιο τμήμα, τα οποία του επιτρέπουν να κινείται σαν κάμπια. Κάθε τμήμα έχει ύψος 5 χιλιοστών και πλάτος 8 χιλιοστών. Η συσκευή προσκολλάται στον εξωτερικό χιτώνα της καρδιάς με αναρρόφηση, η οποία επιτυγχάνεται μέσω αντλίας που περιλαμβάνεται στην εξωτερική μονάδα. Η κίνηση της συσκευής ελέγχεται από την εξωτερική μονάδα μέσω μεταβολής της δύναμης αναρρόφησης μεταξύ πρόσθιου και οπίσθιου τμήματος και παράλληλης ρύθμισης της απόστασης μεταξύ των δύο τμημάτων. Η γωνία του προσθίου ως προς το οπίσθιο τμήμα είναι δυνατό να μεταβληθεί ώστε να μπορεί η συσκευή να στρίψει ή να προσαρμοστεί στη φυσιολογική επιφάνεια της καρδιάς. Ο χειρουργός έχει τη δυνατότητα σε πραγματικό χρόνο να παρακολουθεί τη θέση της συσκευής, καθώς ένας μικροσκοπικός μαγνητικός αισθητήρας έχει προστεθεί στο πρόσθιο τμήμα του μικρο-ρομπότ.

Οι πιθανές εφαρμογές είναι πολλές. Για παράδειγμα, είναι δυνατή η προσθήκη βελόνας στη συσκευή για τη συλλογή δειγμάτων ιστού, την έγχυση βλαστικών κυττάρων ή την εφαρμογή γονιδιακών θεραπειών εντός του καρδιακού μυός. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι που βρίσκονται υπό μελέτη ώστε να καταστεί δυνατή η αναγέννηση των μυοκαρδιακών κυττάρων και των αιμοφόρων αγγείων μετά από ένα καρδιακό επεισόδιο. Η ερευνητική ομάδα, που αναπτύσσει τη συσκευή, έχει ήδη δοκιμάσει τη λειτουργικότητά της σε χοίρους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μελετών είναι ικανή να κινείται στην καρδιά, χωρίς να χρειάζεται διακοπή της λειτουργίας της, και να εγχύει ειδικούς χρωματικούς δείκτες σε προεπιλεγμένα σημεία. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτροδίων στην καρδιά για την πραγματοποίηση μιας μεθόδου που αποσκοπεί στον επανασυγχρονισμό του καρδιακού ρυθμού (Cardiac Resynchronisation Therapy). Σήμερα, η μέθοδος εφαρμόζεται με την προώθηση των ηλεκτροδίων μέσω μιας φλέβας. Το HeartLander θα μπορούσε να μεταφέρει τα ηλεκτρόδια στην εξωτερική επιφάνεια της καρδιάς. Η ερευνητική ομάδα έχει δοκιμάσει την εφαρμογή σε καρδιά χοίρου και αναμένει να αρχίσει μελέτες σε ασθενείς σε περίπου τέσσερα χρόνια. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι υπάρχουν πολλά δεδομένα που υποστηρίζουν ότι η μέθοδος είναι περισσότερο επιτυχής όταν τα ηλεκτρόνια εφαρμόζονται σε συγκεκριμένα σημεία. Η προσέγγιση των σημείων αυτών μέσω της φλέβας είναι δυσχερής, οπότε οι ερευνητές θεωρούν ότι το HeartLander μπορεί να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα.

Όπως αναφέρθηκε, το μικρο-ρομπότ HeartLander πρέπει να εισάγεται στο σώμα του ασθενούς μετά από πραγματοποίηση μικρής τομής εξαιτίας του μεγέθους και της σύνδεσής του μέσω καλωδίων με την εξωτερική μονάδα. Δεν συμβαίνει, όμως, το ίδιο για μικρότερες συσκευές που δεν ελέγχονται μέσω καλωδίων. Μια τέτοια υπό ανάπτυξη συσκευή έχει μήκος 5 χιλιοστών, διάμετρο μόνο ενός χιλιοστού και αποτελείται από ένα κεντρικό τμήμα που φέρει 16 δονούμενους βραχίονες, μέσω των οποίων συγκρατείται σε επιφάνειες. Σε πρώιμα πρότυπα αυτής της συσκευής (ViRob) περιλαμβανόταν μονάδα ώθησης, αλλά οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό καθιστούσε τη συσκευή «υπερβολικά ογκώδη». Πλέον, η κίνηση της συσκευής εξασφαλίζεται από έναν εξωτερικό ηλεκτρομαγνήτη, του οποίου το πεδίο μεταβάλλεται περίπου 100 φορές το δευτερόλεπτο προκαλώντας την κίνηση των βραχιόνων προς τα εμπρός και πίσω. Οι βραχίονες της δεξιάς και της αριστερής πλευράς ανταποκρίνονται καλύτερα σε διαφορετικές συχνότητες κατά αντιστοιχία, με συνέπεια να είναι δυνατή η στροφή της συσκευής με κατάλληλη προσαρμογή της συχνότητας. Η πηγή του μαγνητικού πεδίου πρέπει να βρίσκεται σε απόσταση περίπου 150 χιλιοστών από τη συσκευή και το μέγεθος του πεδίου είναι της τάξης των 2 mT. Οι ερευνητές θα ήθελαν η συσκευή να μπορεί να κινηθεί μέσα σε μεγάλα αιμοφόρα αγγεία. Παρόλα αυτά, δεν έχει ακόμα αρκετή δύναμη ώθησης ώστε να αντισταθμίζει την αιματική ροή.

Η ερευνητική ομάδα στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Χάιφα στο Ισραήλ, που ασχολείται με την ανάπτυξη του ViRob, αναφέρει ότι οι πιθανές εφαρμογές είναι αρκετές και περιλαμβάνουν τη λήψη βιοψιών, τη χορήγηση αντικαρκινικών φαρμάκων και την παροχή εικόνας από δυσπρόσιτες περιοχές μέσω κάμερας (όπως από σημεία στο εσωτερικό των βρόγχων, του νωτιαίου μυελού ή των ουρητήρων). Βέβαια, το μέγεθος της κάμερας αποτελεί περιοριστικό παράγοντα. Τα μικρότερα μοντέλα έχουν διάμετρο 1,5 χιλιοστού. Όμως, η σχετική τεχνολογία λήψης εικόνων εξελίσσεται συνεχώς. Στη θεραπευτική αντιμετώπιση των ασθενών με κακοήθεις νεοπλασίες, το ViRob μπορεί να διευκολύνει την εκτέλεση της βραχυθεραπείας. Η βραχυθεραπεία αποτελεί μια σχετικά πρόσφατη μορφή αντικαρκινικής θεραπείας κατά την οποία είτε η ακτινοβολία μέσω κατάλληλων πηγών (σε Ακτινοθεραπεία) είτε τα φάρμακα (σε Χημειοθεραπεία) χορηγούνται απευθείας επί του όγκου. Εφαρμόζεται συνήθως σε κακοήθεις όγκους της κεφαλής και του τραχήλου, του προστάτη και σε γυναικολογικές κακοήθειες. Το μικρο-ρομπότ θα μπορούσε να εξασφαλίσει την ακριβέστερη εφαρμογή της θεραπείας σε ορισμένους τύπους όγκων, ενώ η ταυτόχρονη λειτουργία περισσότερων της μιας συσκευής θα ήταν δυνατό να βελτιώσει την αντιμετώπιση ασθενών με πολλαπλές καρκινικές μεταστάσεις. Η εφαρμογή του ViRob στη Νευροχειρουργική είναι πιθανό να παρέχει οφέλη σε άτομα με υδροκεφαλία. Πρόκειται για παθολογική κατάσταση κατά την οποία η ύπαρξη υπερβολικής ποσότητας εγκεφαλονωτιαίου υγρού δεν επιτρέπει τη φυσιολογική ανάπτυξη του εγκεφάλου. Αντιμετωπίζεται με την τοποθέτηση ειδικού σωληναρίου – βαλβίδας στις κοιλίες του εγκεφάλου για την παροχέτευση της πλεονάζουσας ποσότητας υγρού. Με τον χρόνο, τα υλικά παροχέτευσης που χρησιμοποιούνται αποφράσσονται, με αποτέλεσμα ο ασθενής να πρέπει να υποβληθεί σε μια μείζονα νευροχειρουργική επέμβαση περίπου κάθε 10 χρόνια για την αντικατάστασή τους. Με τη μόνιμη τοποθέτηση του ViRob εντός ενός συστήματος παροχέτευσης του εγκεφαλονωτιαίου υγρού, θα ήταν δυνατή η αποφυγή της απόφραξης με κατάλληλους χειρισμούς του μικρο-ρομπότ. Η ενεργοποίηση του μικρο-ρομπότ θα μπορούσε να γίνεται μια φορά το μήνα, χωρίς ο ασθενής να χρειάζεται να απομακρυνθεί από το σπίτι του. Αυτό θα βελτίωνε σημαντικά τη διάρκεια παραμονής των υλικών παροχέτευσης περιορίζοντας την απαιτούμενη συχνότητα αντικατάστασής τους. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή αφορά την υποβοήθηση εισαγωγής των κοχλιακών εμφυτευμάτων. Τα εμφυτεύματα αυτά τοποθετούνται στον κοχλία του ωτός ατόμων, που εμφανίζουν συγκεκριμένο τύπο κώφωσης, και φέρουν ηλεκτρόδια που αποσκοπούν στη διέγερση του ακουστικού νεύρου. Το ViRob θα μπορούσε να μεταφέρει το εμφύτευμα βαθύτερα στον κοχλία από το σημείο που αυτό είναι εφικτό σήμερα, παρέχοντας ακόμα πιο βελτιωμένο επίπεδο ακοής στους ασθενείς. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η πραγματοποίηση κλινικών μελετών σε ανθρώπους σε αυτόν τον τομέα βρίσκεται μόνο μερικά χρόνια μακριά.

Μια άλλη ερευνητική ομάδα στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη έχει καταφέρει να μικρύνει ακόμα περισσότερο τις διαστάσεις των συσκευών (μήκος 0,9 – διάμετρος 0,3 χιλιοστών) αφαιρώντας τους μηχανισμούς προώθησης και μεταβολής διεύθυνσης. Η συσκευή που αναπτύσσουν κατευθύνεται μέσω ηλεκτρομαγνητών, που βρίσκονται εκτός του σώματος. Στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα μεταλλικό κέλυφος σχήματος μπάλας του αμερικανικού ποδοσφαίρου που φέρει μια ακίδα στη μία του άκρη. Οι ερευνητές επικεντρώνονται στις χειρουργικές εφαρμογές στον οφθαλμό. Οι επεμβάσεις σε αυτό το όργανο απαιτούν εξαιρετική ακρίβεια. Ακόμα και η ελάχιστη αστάθεια των χεριών του ιατρού μπορεί να αποδειχθεί σημαντική. Μια εφαρμογή του Ophthalmic Robot, όπως το ονόμασαν, θα μπορούσε να ήταν η μέτρηση των επιπέδων οξυγόνου στην επιφάνεια του αμφιβληστροειδούς χιτώνα. Τα επίπεδα αυτά αποτελούν ένδειξη της επάρκειας παροχής αίματος στον χιτώνα. Με αυτόν τον σκοπό, το κέλυφος επικαλύφθηκε από μια φθορίζουσα ουσία, η φωτεινότητα της οποίας εξαρτάται από τη συγκέντρωση του οξυγόνου. Η συσκευή θα μπορούσε, επίσης, να χρησιμοποιηθεί για τη θεραπευτική αντιμετώπιση της απόφραξης της κύριας φλέβας του αμφιβληστροειδούς εξαιτίας σχηματισμού θρόμβου. Η κατάσταση αυτή αποτελεί συχνή αιτία τύφλωσης. Διάφοροι φαρμακευτικοί παράγοντες μελετώνται (όπως και ένας με θρομβολυτικές ιδιότητες), αλλά η χορήγησή τους είναι δύσκολη. Σήμερα, πραγματοποιείται παρακέντηση στην επιφάνεια του οφθαλμού και μια λεπτή βελόνα χρησιμοποιείται για την έγχυση των ουσιών στη φλέβα. Όμως, δεδομένης της μικρής διαμέτρου των αγγείων της περιοχής, αυτό απαιτεί εξαιρετική τεχνική από τον ιατρό. Το Ophthalmic Robot θα μπορούσε να διέλθει από τη βελόνα παρακέντησης και να οδηγηθεί από το εξωτερικό σύστημα καθοδήγησης στην αποφραγμένη φλέβα. Εκεί, η ακίδα θα διερχόταν από το τοίχωμα του αγγείου και η ουσία από τη συσκευή θα περνούσε στη φλέβα. Η ερευνητική ομάδα πειραματίζεται με συσκευές ακόμα μικρότερων διαστάσεων που θα ήταν δυνατό να φθάσουν στον στόχο χωρίς να απαιτείται η παρακέντηση που πραγματοποιείται σήμερα στον οφθαλμό. Ακόμα μια σημαντική βελτίωση θα ήταν η ανάπτυξη μιας βιοδιασπώμενης συσκευής, η οποία δεν θα απαιτούσε αφαίρεσή της από τον οφθαλμό. Το κέλυφος μπορεί να κατασκευαστεί από πολυμερή με την προσθήκη ενός μεταλλικού στοιχείου για να ανταποκρίνεται η συσκευή στους ηλεκτρομαγνήτες. Μετά από την πλήρη διάσπαση του πολυμερούς, το μεταλλικό στοιχείο θα εισέρχεται στην αιματική κυκλοφορία και τελικά θα αποβάλλεται από τον οργανισμό.

Αν και το ViRob μπορεί να κινείται μέσω σωληνοειδών δομών ή επιφανειών, δεν είναι δυνατό να πλοηγηθεί μέσα σε υγρό. Η ίδια ερευνητική ομάδα στο Ισραήλ έχει αναπτύξει μια άλλη συσκευή (SwiMicRob), η οποία είναι ελαφρώς μεγαλύτερη (μήκος 10 – διάμετρος 3 χιλιοστών) και φέρει δυο «ουρές» που κινούνται όπως τα μαστίγια των βακτηρίων. Η συσκευή αυτή έχει σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να κινηθεί σε περιοχές που περιέχουν κάποιο τύπο σωματικού υγρού, όπως εντός της σπονδυλικής στήλης. Παρόλα αυτά, η σχετική ερευνητική διαδικασία βρίσκεται σε πιο πρώιμη φάση σε σύγκριση με το ViRob. 

Άλλοι ερευνητές στην Αυστραλία έχουν αναπτύξει μικρο-ρομπότ με ικανότητα πλοήγησης σε αιμοφόρα αγγεία. Εξαιτίας του μικρού της μεγέθους (μήκος 0,25 χιλιοστού), η συσκευή μπορεί να κινηθεί ακόμα και στα μικρού μεγέθους εγκεφαλικά αγγεία και πιθανώς να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση θεραπευτικών μεθόδων που θα ήταν αδύνατες χωρίς αυτή την τεχνολογία. Όπως αναφέρει ο James Friend, κύριος ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Monash της Αυστραλίας, για την αντιμετώπιση μιας βλάβης ή ενός θρόμβου στον εγκέφαλο ο χειρουργός σήμερα πρέπει να προωθήσει έναν καθετήρα από την περιοχής της βουβωνικής χώρας στον εγκέφαλο μέσω της καρωτίδας. Εξαιτίας της δύσκολης πρόσβασης σε αυτές τις περιοχές, περίπου το 40% των επεμβάσεων αποτυγχάνουν καθώς ο καθετήρας καταστρέφει την ακεραιότητα του τοιχώματος των αρτηριών. Το μικρο-ρομπότ, στο οποίο δόθηκε το όνομα Proteus, έχει σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να διέρχεται από αυτά τα αγγεία μικρών διαστάσεων, να στρίβει βάσει υποδείξεων του εξωτερικού συστήματος ελέγχου και να μην προκαλεί τραυματισμό των αγγείων κατά την πορεία του. Οι συσκευές Proteus αποτελούνται από μαστιγοειδείς ουρές που προστίθενται σε ένα μικροσκοπικό σύστημα προώθησης. Προφανώς, το δυσκολότερο σχεδιαστικό πρόβλημα ήταν η ανάπτυξη ενός συστήματος προώθησης με αρκετή ισχύ ώστε να αντισταθμίζεται η αντίθετη αιματική ροή. Αυτό επιτυγχάνεται με τις μαστιγοειδείς ουρές που δίδουν τη δυνατότητα στα μικρο-ρομπότ να κινούνται σαν βακτήρια. Η ερευνητική ομάδα αναφέρει ότι θα έχει έτοιμο ένα ολοκληρωμένο πρότυπο της συσκευής τον επόμενο χρόνο. Θεωρούν ότι μπορεί να βρει εφαρμογές για τη λήψη εικόνων από το εσωτερικό του σώματος, τη χορήγηση φαρμάκων και τη μεταφορά άλλων ιατρικών μικρο-εργαλείων, εκτός από την ενδεχόμενη συμβολή του σε επεμβάσεις σε αγγεία.

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης έχουν αναπτύξει μικρο-ρομπότ τόσο μικρά όσο τα βακτήρια. Έχουν σπειροειδή δομή με μικροσκοπική κεφαλή, αντιστοιχούν στο μέγεθος φυσικών μαστιγοφόρων βακτηρίων και κινούνται σε υγρό μέσο όπως ένα ανοιχτήρι εισέρχεται στο πώμα ενός μπουκαλιού. Είναι δυνατό να γίνουν ορατά μόνο στο μικροσκόπιο καθώς το συνολικό τους μήκος είναι της τάξης των 5 – 15 μm και σε μερικά μόνο φθάνει τα 60 μm. Η ερευνητική ομάδα του καθηγητού Bradley Nelson, που σχεδίασε και ανέπτυξε τις συσκευές αυτές, ονόμασε τα μικρο-ρομπότ ΑΒFs (Artificial Bacterial Flagella). Ο σχεδιασμός τους βασίστηκε στα φυσικά βακτήρια, όπως το κολοβακτηρίδιο (E. coli). Όμως, αντίθετα από τα φυσικά τους πρότυπα, οι συσκευές αποσκοπούν στη θεραπευτική αντιμετώπιση των νοσημάτων. Η κατασκευή αυτών των τεχνητών βακτηρίων, που φέρουν ένα άκαμπτο μαστίγιο, κατέστη δυνατή κυρίως βάσει της αυτο-περιελισσόμενης τεχνικής σύμφωνα με την οποία επετεύχθη η σπειροειδής δομή τους. Τα μικρο-ρομπότ κατασκευάζονται με την επικάλυψη ενός βασικού υποστρώματος από διαδοχικά εξαιρετικά λεπτά φύλλα συγκεκριμένων χημικών στοιχείων (ίνδιο, γάλλιο, αρσενικό και χρώμιο) με συγκεκριμένη σειρά. Με αυτόν τον τρόπο διαμορφώνονται ιδιαίτερα λεπτές και πολύ μακριές στενές δομές σαν κορδέλες, που αναδιπλώνονται λαμβάνοντας σπειροειδή μορφή μόλις αποχωριστούν από το βασικό υπόστρωμα. Η ιδιότητα αυτή οφείλεται στην ανόμοια δικτυωτή δομή των διαφόρων στρωμάτων. Ανάλογα με το πάχος και τη χημική σύνθεση των στρωμάτων, η σπειροειδής δομή των μικρο-ρομπότ διαμορφώνεται σε ποικιλία μεγέθους και διεύθυνσης περιέλιξης, που μπορεί να καθοριστούν επακριβώς από τους ερευνητές. Το μικρο-ρομπότ δεν χρειάζεται μονάδα παροχής ενέργειας για να κινηθεί και δεν περιλαμβάνει κινούμενα τμήματα. Στη μια άκρη της δομής τοποθετείται μια κεφαλή που αποτελείται από χρώμιο, νικέλιο και χρυσό σε τρία στρώματα. Το νικέλιο είναι ελαφρώς μαγνητικό υλικό σε αντίθεση με τα υπόλοιπα που δεν είναι μαγνητικά. Η μικροσκοπική μαγνητική κεφαλή επιτρέπει στα μικρο-ρομπότ να κινούνται με ειδικό τρόπο εντός μαγνητικού πεδίου. Με ένα ειδικό λογισμικό, τα ABFs είναι δυνατό να κατευθυνθούν σε προεπιλεγμένους στόχους μεταβάλλοντας την ισχύ και τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από μια ομάδα σπειρών. Συνεπώς, ο μοναδικός καθοριστικός παράγοντας για την κίνηση της συσκευής είναι το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Τα μικρο-ρομπότ μπορούν να κινηθούν προς τα πάνω, κάτω, εμπρός και πίσω και να στρίψουν προς όλες τις διευθύνσεις. Η ταχύτητα της κίνησής τους ανέρχεται σε 20 μm το δευτερόλεπτο, αλλά οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα ήταν δυνατό να αυξήσουν την ταχύτητα σε άνω των 100 μm το δευτερόλεπτο (σε σύγκριση, η ταχύτητα κίνησης του E. coli είναι 30 μm το δευτερόλεπτο).

Τα ABFs έχουν σχεδιαστεί για βιοϊατρικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να μεταφέρουν φαρμακευτικές ουσίες σε προεπιλεγμένες θέσεις του σώματος, να απομακρύνουν αθηρωματικές πλάκες από τις αρτηρίες ή να «βοηθήσουν» τους βιολόγους να τροποποιήσουν κυτταρικές δομές που είναι πολύ μικρές για άμεσους χειρισμούς. Στα προκαταρκτικά πειράματα, οι ερευνητές επέτυχαν τα ABFs να μεταφέρουν μικροσφαιρίδια πολυστυρενίου. Παρόλα αυτά, εξελίσσονται ακόμα τμήματα της βασικής έρευνας, καθώς επιπλέον δεδομένα απαιτούνται μέχρι να έρθει η στιγμή των πρακτικών εφαρμογών. Κυρίως αφορούν τη βελτίωση της λειτουργικότητας, την περαιτέρω μείωση του μεγέθους και την αύξηση της ταχύτητας των συσκευών. Παράλληλα, αναζητούνται τρόποι ώστε να εξασφαλιστεί ότι οι φαρμακευτικές ουσίες θα απελευθερώνονται ακριβώς στους επιλεγμένους στόχους. Στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης εξελίσσεται, επίσης, μια από τις πλέον πρωτοποριακές ερευνητικές προσπάθειες σχετικά με τη δημιουργία ιατρικών συσκευών με διαστάσεις της τάξης των νανομέτρων. Η ερευνητική ομάδα ελπίζει ότι όταν γίνουν ορατά τα οφέλη συσκευών μεγαλύτερων διαστάσεων (όπως του Ophthalmic Robot), θα γίνει ευκολότερη και η εξασφάλιση μεγαλύτερης χρηματοδότησης για την ανάπτυξη των νανο-συσκευών.

Μερικά χρόνια πριν, ο Ehud Shapiro και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann του Ισραήλ ανέπτυξαν έναν μοριακό υπολογιστή από DNA. Ήταν ικανός να πραγματοποιεί απλούς υπολογισμούς. Σε αυτόν τον βιολογικό νανο-υπολογιστή, οι αλυσίδες του DNA δρουν ως λογισμικό που ελέγχει τη δραστηριότητα ενζύμων. Η μικροσκοπική αυτή συσκευή περιελήφθη στο Guinness Book of World Records του 2004 ως η μικρότερη βιολογική υπολογιστική συσκευή. Τρισεκατομμύρια από αυτούς τους μικροϋπολογιστές είναι δυνατό να χωρέσουν σε μια απλή σταγόνα νερού. Παρόλα αυτά, απαιτείται εξειδικευμένος εργαστηριακός εξοπλισμός για να εξαχθούν τα αποτελέσματα των νανο-υπολογιστών. Συνεπώς, είναι μάλλον απίθανο να υπερκεράσουν τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές με βάση το πυρίτιο. Για αυτόν τον λόγο, η ισραηλινή ομάδα των επιστημόνων Πληροφορικής και βιοχημικών αποφάσισε να ακολουθήσει μια διαφορετική προσέγγιση και να αναπτύξει έναν DNA υπολογιστή που θα έχει τη δυνατότητα να διαγιγνώσκει και να θεραπεύει παθολογικές καταστάσεις.

Η ερευνητική ομάδα προγραμμάτισε τη συσκευή για δύο μορφές καρκίνου, την κακοήθη νεοπλασία του προστάτη και έναν τύπο καρκίνου του πνεύμονα. Για κάθε μορφή νεοπλασίας, οι ερευνητές στόχευσαν τέσσερα γονίδια, τα οποία βρίσκονται σε κατάσταση είτε αυξημένης είτε μειωμένης δραστηριότητας σε ασθενείς με αυτούς τους καρκίνους. Για την αναγνώριση των μεταβολών της γονιδιακής δραστηριότητας, η συσκευή σχεδιάστηκε ώστε να περιλαμβάνει τρία τμήματα. Το πρώτο αποτελείται από βραχείες αλυσίδες DNA, οι οποίες συνδέονται με τμήμα του αγγελιοφόρου RNA που κάθε ογκογονίδιο παράγει. Το δεύτερο τμήμα είναι μια υπολογιστική μονάδα που αποτελείται από μια μακρά αλυσίδα DNA. Περιλαμβάνει μια σειρά κόμβων, κάθε ένας εκ των οποίων συμμετέχει σε μια λογική πορεία που καθορίζει τη διάγνωση βάσει του RNA. Η διαδικασία εξελίσσεται σε μια σειρά αντιδράσεων κατά τις οποίες ειδικά μόρια κατευθύνουν ένζυμα να κόψουν το DNA σε συγκεκριμένα σημεία. Η μακρά αλυσίδα DNA περιλαμβάνει επίσης το τρίτο τμήμα της συσκευής, που είναι ένα τμήμα DNA το οποίο συνδέεται και μεταβάλλει τη δραστηριότητα των γονιδίων που ενοχοποιούνται για τη νόσο. Σε μια θετική διάγνωση κακοήθειας, τα ειδικά μόρια αναγνωρίζουν τις μεταβολές της δραστηριότητας των τεσσάρων ογκογονιδίων. Εφόσον επιβεβαιωθεί ότι και τα τέσσερα γονίδια εμφανίζουν παθολογική δραστηριότητα, το ένζυμο κόβει την αλυσίδα του DNA και απελευθερώνεται η επιδιορθωτική αλυσίδα DNA. Ωστόσο, ακόμα και αν είναι φυσιολογική η δραστηριότητα του ενός μόνο γονιδίου, η διάγνωση για κακοήθεια είναι αρνητική. Σε αυτή την περίπτωση, το ένζυμο κόβει μια διαφορετική αλυσίδα DNA που απενεργοποιεί τη διαδικασία επιδιόρθωσης. Εάν η επιδιορθωτική αλυσίδα απελευθερωθεί εξαιτίας λάθους, ένα επικουρικό τμήμα διατηρεί το σύστημα υπό έλεγχο με την άμεση απελευθέρωση ειδικού καταστολέα. Η λειτουργία του μικροϋπολογιστή έχει ελεγχθεί μόνο στο εργαστήριο. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό αποτελεί το πρώτο βήμα προς την κατασκευή μιας συσκευής, που θα εγχύεται στον οργανισμό του ασθενούς και θα δρα στο εσωτερικό των κυττάρων. Βέβαια, αυτό αναμένεται να επιτευχθεί μόνο μετά από αρκετές δεκαετίες εφόσον η σχετική μελέτη είναι επιτυχής.

Τα ρομπότ αποτελούσαν πάντα τους βασικούς χαρακτήρες του κόσμου της επιστημονικής φαντασίας. Έχουν υπάρξει νομοταγή ρομπότ στα έργα του Isaac Asimov, χαριτωμένα ρομπότ στο “Star Wars” ή κακόβουλα ρομπότ στο “The Terminator”. Σχετικότερα με το θέμα των ιατρικών μικρο-ρομπότ, ένα ανδροειδές στο “Star Trek Voyager” πραγματοποιούσε θαυματουργές θεραπείες και στην ταινία “Fantastic Voyage” ένα υποβρύχιο σμικρύνθηκε ώστε να εισέλθει στην αιματική κυκλοφορία του σώματος ενός πρωταγωνιστή και να θεραπεύσει τον θρόμβο που είχε σχηματιστεί στον εγκέφαλό του.

Για ακόμα μια φορά, η επιστήμη παίρνει τη σκυτάλη από την τέχνη με την ανάπτυξη των ρομποτικών εφαρμογών της Ιατρικής. Τα αποτελέσματα των ερευνών θα δείξουν εάν οι επιστήμονες επιτύχουν να φθάσουν σε λύσεις αναφορικά με τα σχεδιαστικά προβλήματα των ιατρικών μικρο-ρομπότ. Πάντως, αναμένεται να προσφέρουν εξαιρετικές καινούριες δυνατότητες ως προς τη διαγνωστική διερεύνηση και τη θεραπευτική αντιμετώπιση πολλών παθολογικών καταστάσεων. Όμως, ταυτόχρονα, θα πρέπει να απαντηθεί το ερώτημα των συνεπειών που μπορεί να έχει η περαιτέρω απομάκρυνση του ιατρού από τον ασθενή ακόμα και στη Χειρουργική, μια κατ΄ εξοχήν ειδικότητα που ιατρός ασκεί το έργο του επί του σώματος του ασθενούς. Σήμερα, εκφράζονται απόψεις ότι πολλές τεχνολογικές εφαρμογές για τη διάγνωση των νοσημάτων, που έχουν ήδη καθιερωθεί στην κλινική πράξη, περιόρισαν τη φυσική επαφή του ιατρού με τον ασθενή με κάποιες αρνητικές συνέπειες, δεδομένου ότι η παρουσία του ιατρού δίπλα στον ασθενή θεωρείται ότι παραμένει συστατικό στοιχείο της ορθής διάγνωσης και θεραπείας.


.

No comments: