Wyobraź sobie, że masz dwa balony. Jeden jest wypełniony wodą, a drugi powietrzem. Wyglądają tak samo, ale jeśli je naciskasz, każdy z nich będzie się czuł inaczej. Tak wyglądają narządy dla lekarza. Gdy pacjent potrzebuje biopsji igły, drenażu pęcherzyka żółciowego lub wstrzyknięcia kortyzonu do kręgosłupa lub cewnika dożylnego, lekarz wkładający igłę musi wyczuć narastanie i uwalnianie ciśnienia, gdy igła wpycha się, i ostatecznie nakłuwa każdą kolejną tkankę.
„Charakter tkanki daje sprzężenie zwrotne od siły, a twój mózg to rozpoznaje i może to wykorzystać do interpretacji wielu różnych rzeczy”, mówi David Han, profesor chirurgii i radiologii w Penn State. „Jeśli dotknąłeś wielu wątrób i dotknąłeś wielu śledzion, czasami z zamkniętymi oczami możesz stwierdzić, która jest która.”
Ale to naprawdę nie jest łatwe. Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich 30 lat lub więcej wykazały, że odsetek powikłań w zakresie cewnikowania żył centralnych waha się od 5 do 21 procent, a opadem jest infekcja lub wydłużony czas i koszt hospitalizacji, a nawet śmierć. Doświadczeni lekarze są w tym znacznie lepsi, częściowo dlatego, że wymaga to dużo praktyki. (W wielu przypadkach pomocne jest prowadzenie ultradźwięków, ale nawet przy wskazówkach wizualnych łatwo jest przejść nieco za daleko i dotrzeć do niewłaściwej tkanki.)
Jak studenci medycyny uczą się tej techniki? W niektórych przypadkach manekin zbudowany tak, aby przypominał określone tkanki, zapewnia informacje zwrotne, ale częściej uczniowie obserwują doświadczonego lekarza, a następnie próbują. „Jestem w tym naprawdę dobry” - mówi Han. „Więc mam obok siebie kogoś, kto chce się tego nauczyć, a ja pochylam się przez ramię i mówię: spróbuj tego czy tamtego”.
Zespół naukowców z Penn State University miał inny pomysł. Prowadzeni przez Hana w 2017 r. Opublikowali badania opisujące robota, który utrzymywałby koniec igły i zapewniał mechaniczne sprzężenie zwrotne - gdy uczeń wpycha igłę w bryłę krzemu, ramię robota odpycha się. W przeciwieństwie do manekina, można go zaprogramować tak, aby podążał za różnymi krzywymi siły, dostosowanymi do profilu nacisku igły wsuwającej się w różne tkanki, a nawet reprezentującą różne typy ciała. „To, co chcesz zrobić, to sprawić, by ludzie udowodnili swoje kompetencje w symulowanym środowisku, zanim przekażesz im kontrolę”, mówi Han.
Ale niektórzy inni badacze, z którymi Han pracował, mieli jeszcze lepszy wgląd: mogliby stworzyć narzędzie, które zrobiłoby to samo, bez robota, za znacznie tańsze. Zamiast ramienia robota sprzężenie zwrotne siły zapewniłby mechanizm umieszczony w symulowanej strzykawce. Naukowcy złożyli w tym roku tymczasowe zgłoszenie patentowe i otrzymali grant od Penn State College of Engineering na rozwój urządzenia jako firmy.
„Moglibyśmy stworzyć te siły nieco prościej, dzięki temu, że pękanie materiału wewnątrz tych wkładów tworzy naszą siłę haptyczną”, mówi Jason Moore, profesor inżynierii mechanicznej, który kierował zespołem. „I wtedy nadal możemy przekazać użytkownikowi wiele informacji zwrotnych na temat tego, jak wykonał wprowadzenie igły.”
Chociaż tymczasowe zgłoszenie patentowe opisuje kilka sposobów symulacji ciśnienia (w tym elektromagnetyczne, magnesy, tarcie, hydraulika i inne), grupa postanowiła skupić się na wersji uruchamianej przez szereg membran umieszczonych w korpusie strzykawki. Po dociśnięciu do powierzchni igła wsuwa się w korpus strzykawki. Gdy tak się dzieje, kolejno przylega do błon. Każdy z nich deformuje się i ostatecznie pęka, podobnie jak tkanka ludzka. Zmieniając konfigurację, grubość i materiał membran, urządzenie symuluje różne profile siły bez potrzeby stosowania drogiego ramienia robota.
Han, Moore i współpracownicy Moore, profesor nadzwyczajny projektowania inżynierskiego Scarlett Miller i profesor nadzwyczajny anestezjologii Sanjib Adhikary, nie są jedynymi pracującymi na urządzeniach do szkolenia studentów w iniekcjach pod kontrolą ultradźwięków. „Wszyscy próbują wymyślić różne sposoby i środki, aby poprawić wygląd lub uczynić go bardziej przyjaznym dla użytkownika” - mówi Adhikary. „Ale nikt nie ma Świętego Graala”.
W 2015 roku firma o nazwie Blue Phantom wydała wyrafinowany model treningowy do iniekcji stawu kolanowego wraz z symulowaną kością udową, piszczelową, rzepką i kaletką - ale kosztuje ona 3800 USD i jest przydatna tylko do wykonywania zastrzyków w kolano. Istnieją nawet rozwiązania dla majsterkowiczów obejmujące balony wypełnione żelatyną z gumowymi naczyniami. David Gaba, profesor anestezjologii w Stanford, od ponad 30 lat buduje symulatory iniekcji igieł, w tym plastikowe trenażery do iniekcji lędźwiowych. Używa nawet tkanki łopatki wieprzowej jako substytutu człowieka.
„To, że coś można symulować za pomocą kombinacji komputer / sprzęt, aby przedstawić elementy dotykowe, niekoniecznie oznacza, że osiągnie cuda uczenia się lub umiejętności” - mówi Gaba. „O ile nie ma jednoznacznych dowodów na to, że dane urządzenie robi dużą różnicę, ostatecznie to rynek określi, czy jakikolwiek konkretny postęp techniczny ma nogi w porównaniu z innymi podejściami.”
Nadal musi istnieć równowaga, wskazuje Han. Usuń zbyt dużo realizmu, a uczniowie nie połączą prawidłowo narzędzia do ćwiczeń z rzeczywistością. Ale każde skomputeryzowane urządzenie może dostarczyć cenne i ilościowe informacje zwrotne - rodzaj karty raportu - na temat wyników uczniów uczących się techniki.
W trakcie prac nad urządzeniem dostępnym na rynku, Moore, Miller i Adhikary budują akcelerometr we wkładzie, który połączy się z niestandardowym oprogramowaniem, aby uzyskać podobne informacje zwrotne na temat kąta wstawienia i profilu siły. Ich prototyp, w tym czujnik i wymienna kaseta, kosztował je około 100 USD.
„Ten pomysł warto realizować, zwłaszcza jeśli można go sprzedać za 100 USD” - mówi Paul Bigeleisen, profesor anestezjologii na University of Maryland. Ale formowanie wtryskowe i szeroka dystrybucja, być może za pośrednictwem szkół i szpitali szkoleniowych, mogłyby obniżyć koszt jednostkowy jeszcze niżej.
„Jeśli możemy sprawić, że ci nowi studenci medycyny lub bardzo wcześni przyszli lekarze będą bardzo dobrzy w swoich ruchach, będą bardzo stabilni, czy może to mieć pozytywny wpływ na ich umiejętności znacznie dalej na drodze?” - mówi Moore.
To nadzieja, dodaje.
