Così i robot aiutano i chirurghi a operare meglio: progressi e prospettive della tecnologia

I robot possono già superare la precisione umana in alcuni campi della chirurgia, come l’inserimento – in campo ortopedico – di un perno in un osso. La speranza è che possano portare una maggiore precisione in altri campi, riducendo i rischi che possono colpire i chirurghi, rendendo la loro vita “più semplice”

La chirurgia robotica è sempre più “intelligente e precisa”, questo è oramai assodato. E il ricorrente termine “precisione” è sempre più utilizzabile in questo campo, poiché – per un robot – muoversi al “ritmo” scrupoloso di un medico chirurgo, come tagliare o suturare con accuratezza, è diventato sempre più comune, sempre più “umano”. Anzi, in alcuni casi siamo oltre. Basti pensare a come i chirurghi di ultima generazione operano: ad esempio, possono intervenire sulla prostata di un paziente mentre sono seduti alla console di un computer dall’altra parte della stanza.

Robotic-Assisted Surgery: da Vinci Xi Surgical System

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I passi avanti della tecnologia

Ma la tecnologia, incredibilmente, ha fatto ulteriori passi in avanti. Alcuni chirurghi-ricercatori della University of California-Berkeley hanno assistito a un autentico avanzamento dello “stato dell’arte”. Lasciando andare il robot “in automatico”, tali esperti hanno visto il “chirurgo robot” muoversi interamente da solo, e operare come un vero chirurgo “umano” (e senza alcuna equipe al seguito). Con un suo “artiglio”, la macchina di ultima generazione sollevava un minuscolo anello di plastica da un altrettanto minuscolo piolo sul tavolo, passava l’anello da un artiglio all’altro, lo spostava attraverso il tavolo e lo agganciava con cautela ad un nuovo piolo. Poi il robot ha fatto lo stesso con diversi altri anelli, completando il compito più velocemente di come avrebbero fatto i chirurghi umani.

L’esercizio di formazione del robot-chirurgo era stato originariamente progettato per gli esseri umani: spostare gli anelli da un piolo all’altro è il modo in cui i chirurghi “umani” imparano a far funzionare i robot come quello di Berkeley. Ora, un robot automatizzato che – messo in modalità automatica – esegue il test da solo può eguagliare o addirittura superare un umano in destrezza, precisione e velocità. E questa scoperta potrebbe aprire un nuovo capitolo nel mondo della chirurgia robotica.

Il progetto californiano fa parte di uno sforzo molto più ampio per portare l’intelligenza artificiale in sala operatoria. Usando molte delle stesse tecnologie che sono alla base delle auto a guida autonoma, dei droni autonomi e dei robot da magazzino, i ricercatori stanno lavorando per automatizzare anche i robot chirurgici. Questi metodi, tuttavia, sono ancora lontani dall’uso quotidiano. Ma il progresso sta accelerando. Si badi bene: l’obiettivo non è quello di rimuovere i chirurghi dalla sala operatoria, ma di alleggerire il loro carico e – ovviamente – aumentare i tassi di successo diminuendo la casistica “negativa” delle operazioni chirurgiche. Il che abbasserebbe di molto il contenzioso ospedaliero.

Tuttavia, non vi è bisogno di “sognare” in questo settore. I robot possono già superare la precisione umana in alcuni campi della chirurgia, come l’inserimento – in campo ortopedico – di un perno in un osso (un compito particolarmente rischioso durante le sostituzioni del ginocchio e dell’anca). La speranza è che i robot automatizzati possano portare una maggiore precisione in altri campi, come le incisioni o le suture, riducendo i rischi che possono colpire i chirurghi. Al momento non è possibile automatizzare l’intero processo, almeno non senza la supervisione umana. Ma è possibile iniziare a costruire strumenti di automazione che rendono la vita di un chirurgo “più semplice” (almeno in parte).

La potenza della computer vision

Cinque anni fa, i ricercatori del Children’s National Health System di Washington D.C. progettarono un robot che permetteva di suturare automaticamente l’intestino di un maiale durante un’operazione. Era un passo notevole per l’epoca, con i ricercatori che impiantarono nell’intestino del maiale dei piccoli marcatori che emettevano una luce a infrarossi, la quale aiutava i chirurghi a “guidare” i movimenti del robot. Il metodo era ben lontano dall’essere pratico, poiché i marcatori non sono facilmente impiantabili né facilmente rimovibili. Ma negli ultimi anni, i ricercatori nel campo dell’Intelligenza Artificiale hanno migliorato significativamente la potenza della computer vision, la quale potrebbe consentire ai robot di eseguire operazioni chirurgiche in autonomia e senza “fastidiosi” marcatori a luce infrarossa. Il cambiamento è guidato da quelle che vengono chiamate reti neurali, sistemi matematici che possono imparare determinate abilità analizzando grandi quantità di dati. Analizzando migliaia di foto di gatti, per esempio, una rete neurale può imparare a riconoscere un gatto. Allo stesso modo, una Rete Neurale può “imparare” dalle immagini catturate dai robot chirurgici. I robot chirurgici sono dotati di telecamere che registrano video tridimensionali di ogni operazione. Il video scorre in un “mirino” in cui i chirurghi “scrutano” mentre guidano l’operazione, guardando dal punto di vista del robot. Ma queste immagini forniscono anche una mappa dettagliata che mostra come vengono eseguite le operazioni, potendo aiutare i nuovi chirurghi a capire come usare questi robot, nonché aiutando i robot nella gestione dei compiti in autonomia. Analizzando le immagini che mostrano come un chirurgo guida un robot, una rete neurale può apprendere le stesse abilità. In autonomia.

L’intelligenza artificiale corregge sé stessa

Questo è il modo in cui i ricercatori di Berkeley hanno lavorato per automatizzare il loro robot, che è basato sul sistema chirurgico da Vinci, una macchina a due braccia che aiuta i chirurghi a eseguire più di un milione di procedure all’anno. Il team di Berkeley raccoglie immagini del robot che muove gli anelli di plastica mentre è sotto controllo umano. Poi il sistema impara da queste immagini, individuando i modi migliori per afferrare gli anelli, passarli tra gli artigli e spostarli su nuovi pioli. Tuttavia, anche questo sistema ha avuto i suoi momenti particolari. Alcuni anni fa, quando il software diceva al robot dove muoversi, il robot mancava spesso il “punto” di alcuni millimetri (che in chirurgia può far la differenza tra la vita e la morte). Nel corso di mesi e anni di utilizzo, i molti cavi metallici all’interno delle “braccia” del robot si sono allungati e piegati, rendendo i movimenti della macchia non più così precisi come prima. Gli operatori umani potevano compensare questo difetto “inconsciamente”, cosa che non poteva fare il sistema automatizzato da sé. E, spesso, è proprio questo il problema della tecnologia automatizzata, che “fa fatica” a gestire il cambiamento e l’incertezza. E il paragone con le auto a guida autonoma è obbligatorio: siamo ancora lontani da un loro uso “diffuso” perché tali veicoli non sono ancora abbastanza “intelligenti” da gestire tutto il caos del mondo quotidiano in autonomia.

Il team di Berkeley ha recentemente deciso di costruire una nuova rete neurale che analizza gli errori dei robot chirurgici e apprende quanta “percentuale di precisione” la macchina perde con il passare dei giorni. Tuttavia, altri laboratori stanno provando approcci diversi. La John Hopkins University sta lavorando per automatizzare un nuovo tipo di braccio robotico, con meno parti mobili, che si comporta in modo più coerente rispetto al tipo di robot usato dal team di Berkeley. I ricercatori del Worcester Polytechnic Institute stanno sviluppando modalità automatizzate affinché le macchine guidino attentamente le mani dei chirurghi nell’esecuzione di compiti particolari, come la rimozione di un tumore al cervello.

Conclusioni

Per il prossimo futuro, l’automazione lavorerà sempre a fianco dei chirurghi, non mirando a sostituirli. Ma anche questo potrebbe avere effetti “particolari”. Per esempio, i medici potrebbero eseguire interventi chirurgici a distanze molto maggiori dalla sala operatoria, da chilometri di distanza (es. si pensi alla cura d’emergenza per i soldati feriti su lontani campi di battaglia). Un ritardo del segnale troppo grande per poterlo fare attualmente. Ma se un robot potesse gestire almeno alcuni dei compiti in autonomia, la chirurgia a lunga distanza potrebbe diventare fattibile. Quando si comincerà a operare persone che staranno sulla Luna o su Marte poi… i chirurghi – dalla Terra – avranno bisogno di strumenti completamente nuovi per intervenire.^[1]