الذكاء الاصطناعي : أول الروبوتات الطبية - الملاحة الذاتية داخل الجسم

الروبوتات الطبية هي براءة اختراع أمريكية مسجلة للبروفيسور بيير دوبونت  Pierre Dupont و فريقه لدى مستشفى بوسطن للأطفال Boston Children's Hospital  .

إن القثطرة الآلية الروبوتية Robotic catheter ( روبوت طبي مصمم لتعزيز قدرة الطبيب على إجراء عمليات معقدة) والتي تستخدم حساس نوفيل novel sensor ( نظام مراقبة ذكي مستمر للآلات ومعدات المصنع ) التي علم بها معالج الصور والذكاء الاصطناعي artificial intelligence AI  تشق طريقها نحو صمام القلب المتسرب leaky heart valve.

إذ يقوم مهندسو البيولوجيا في مستشفى بوسطن للأطفال Boston Children's Hospital  بالإبلاغ عن أول إثبات لروبوت قادر على التنقل بشكل مستقل داخل الجسم.

حيث قام الفريق في نموذج حيواني لمعالجة الصمام القلبي ببرمجة قثطرة آلية لتجد طريقها على طول جدران القلب النابض المليء بالدم إلى الصمام المتسرب – و ذلك بدون توجيه من الجراح. وقدموا تقريراً في يوم 24 إبريل/نيسان 2019 عن عملهم في مجلة علوم الروبوتات Science Robotics .

الروبوت الجديد هو عبارة عن سيارة ذاتية القيادة تنتقل إلى الوجهة المطلوبة داخل الجسم

و كما هو معلوم، فإن أطباء الجراحة كانوا قد استخدموا الروبوتات التي تديرها ذراع التحكم لأكثر من عقد، وأظهرت فِرَقُ البحث أن الروبوتات الصغيرة يمكن توجيهها عبر الجسم بواسطة قوى خارجية مثل القوى المغناطيسية.

ومع ذلك، يقول كبير الباحثين الحاصل على الدكتوراة بيير دوبونت Pierre Dupont وهو رئيس الهندسة الحيوية Pediatric Cardiac Bioengineering  في مستشفى بوسطن للأطفال Boston Children's ، إنه على حد علمه‘ فإن هذا التقرير هو الأول لما يعادل سيارة ذاتية القيادة self-driving vehicles تنتقل إلى الوجهة المطلوبة داخل الجسم.

يتصور دوبونت Dupont  أن الروبوتات المستقلة ستساعد الجراحين في العمليات المعقدة، وستقلل من التعب وستمكن الجراحين من التفرغ للتركيز على أصعب المناورات، وتحسين النتائج.

يقول دوبونت: "إن الطريقة الصحيحة للتفكير في ذلك هي من خلال التشبيه بطيار مقاتل وطائرة مقاتلة، حيث تأخذ الطائرة المقاتلة المهام الروتينية مثل تحليق الطائرة، ويمكن للطيار التركيز على المهام العليا للمهمة".

الرؤية الموجهة باللمس والتي أعلن عنها الذكاء الاصطناعي

انتقل فريق القثطرة الآلية الروبوتية Robotic catheter باستخدام مستشعر (حسّاس) اللمس البصري الذي تم تطويره في مختبر دوبونت Dupont ، والذي تم اطلاعه على خريطة تشريح القلب والمسح قبل الجراحة.

حيث يستخدم مستشعر اللمس خوارزميات الذكاء الاصطناعي artificial intelligence (AI)  ومعالجة الصور لتمكين القسطرة من معرفة مكان وجودها في القلب وأين يجب أن تتجه.

وبالنسبة للعرض التوضيحي، أجرى الفريق إجراءً يتطلب الكثير من الناحية الفنية والمعروف باسم "إغلاق تسرب الشريان الأورطي الشوكي" paravalvular aortic leak closure ، والذي يعالج صمامات القلب البديلة التي بدأت تتسرب حول الحواف.

( و من أجل هذه التجارب قام الفريق ببناء الصمامات الخاصة بالقلب) وبمجرد وصول القثطرة الآلية إلى موقع التسرب، يسيطر جراح القلب ذو الخبرة على الحالة ويقوم بإدخال سدادة لإغلاق التسرب.

وفي التجارب المتكررة ، انتقلت القثطرة الآلية بنجاح إلى تسريب الصمامات القلبية في نفس الوقت تقريباً، والذي يسلكه الجراح (باستخدام إما أداة يدوية أو روبوت يتم التحكم به بواسطة ذراع التحكم).

الملاحة navigation المستوحاة بيولوجياً

من خلال التقنية الملاحية والتي تسمى "تتبع الجدار" wall following ، أخذ مستشعر اللمس البصري للقثطرة الروبوتية عينات من بيئته على فترات منتظمة، تشبه إلى حدٍ كبير الطريقة التي تقوم بها هوائيات الحشرات أو شعيرات القوارض لاختبار المحيط الذي حولها، لبناء خرائط عقلية لبيئات مظلمة وغير مألوفة.

و هنا يقوم الحسّاس (المستشعر) بإعلام القثطرة الروبوتية ما إذا كان يلمس الدم أم جدار القلب أم الصمام (من خلال الصور الظاهرة من كاميرا مثبتة على طرف) ومدى صعوبة الضغط عليه (لمنعه من إتلاف القلب النابض).

و قد ساعدت البيانات الناتجة من التصوير الذي يسبق الجراحة، و كذلك خوارزميات التعلم الآلي، ساعدت القثطرة الروبوتية في تفسير الميزات المرئية. وبهذه الطريقة تطورت القثطرة الروبوتية (الآلية) بنفسها من قاعدة القلب على طول جدار البطين الأيسر وحول الصمام المتسرب إلى أن تصل إلى موقع التسرب.

ويوضح دوبونت  Dupont قائلاً : " إن الخوارزميات تساعد القثطرة الروبوتية في معرفة نوع الأنسجة التي تلمسها  ومكانها في القلب وكيف ينبغي لها أن تختار حركتها التالية للوصول إلى المكان الذي تريده".

وعلى الرغم من أن الروبوت المستقل استغرق وقتاً أطول بقليل من الجراح للوصول إلى الصمام المتسرب ، إلا أن تقنية تتبع الجدار تعني أنه استغرق أطول طريق.

و يقول دوبونت: "كان وقت التنقل مكافئاً من الناحية الإحصائية للجميع، ونعتقد أن ذلك مثير للإعجاب نظراً لأنك تعمل بداخل قلب نابض مملوء بالدم وتحاول الوصول إلى الهدف بحجم ملليمتر واحد في صمام محدد".

ويضيف دوبونت: أن قدرة الروبوت على التصور والإحساس ببيئته يمكن أن تقضي على الحاجة إلى التصوير الفلوري fluoroscopic imaging (تقنية تصوير تستخدم الأشعة السينية للحصول على صور متحركة في الوقت الحقيقي للعضو من الداخل) ، والذي يتم استخدامه عادةً في هذه العملية ويعرض المرضى للإشعاعات الأيونية ionizing radiation (إشعاع يتكون من جزيئات أو أشعة إكس أو أشعة جاما مع طاقة كافية للتسبب في التأين في الوسط الذي يمر به).

ما هي الرؤية المستقبلية؟

يقول دوبونت Dupont لقد كان هذا المشروع هو الأكثر تحدياً في حياتي المهنية. في حين أن زميله جراح القلب، الذي أجرى العمليات الجراحية على الخنازير، كان قادراً على الاسترخاء عندما وجد الروبوت التسرب في الصمام ، فقد كان هذا المشروع شاقٌ و مرهقٌ بشكلٍ كبيرٍ على زملاء دوبونت  المهندسين الذين اضطروا في بعض الأحيان إلى إعادة برمجة الروبوت أثناء التشغيل حتى أتقنوا التكنولوجيا الجديدة.

و يضيف دوبونت  : "أتذكر الأوقات التي انسحب فيها المهندسون في فريقنا من غرفة الجراحة وهم مرهقين تماماً ، ولكننا نجحنا في التخلص من هذا الإرهاق. أما الآن فقد أظهرنا التنقل المستقل الذي أصبح ممكناً للغاية".

ويتصور بعض أخصائيي التدخلات القلبية المدركين لعمل دوبونت  أهمية استخدام هذه الروبوتات لأكثر من مهمة في التنقل، وأيضاً على سبيل المثال أداء مهام روتينية لرسم القلب.

ويتصور البعض هذه التكنولوجيا أنها ستوفر التوجيه خلال الحالات الصعبة أو غير العادية بشكل خاص، أو أنها ستساعد في العمليات في أجزاء من العالم التي تفتقر إلى الجراحين ذوي الخبرة العالية.

و يتصور دوبونت  أنه مع بدء إدارة الأغذية والعقاقير Food and Drug Administration في تطوير إطار تنظيمي للأجهزة التي تدعم الذكاء الاصطناعي artificial intelligence) AI)

توفر إمكانية قيام روبوتات بعمليات جراحية بشكل مستقل في جميع أنحاء العالم، من خلال تجميع بياناتهم لتحسين الأداء بشكل مستمر بمرور الوقت –تماماً مثل السيارات ذاتية القيادة self-driving vehicles والتي تقوم -في هذا المجال- بإرسال بياناتها مرة أخرى إلى تسلا Tesla  لتحسين خوارزمياتها.

وبتفاؤلٍ كبيرٍ يقول دوبونت Dupont:

"إن هذا لن يؤدي فقط إلى تساوي فرص النجاح للجميع، و العمل تحت نفس قوانين الجودة، بل سيزيد ذلك من كفاءة العمل و جودته. وسيعمل كل طبيب في العالم بمستوى من المهارة والخبرة تعادل الأفضل في ميدانه... لقد كان هذا دائماً هو وعد الروبوتات الطبية، فقد تكون الاستقلالية هي ما أوصلتنا إلى هناك".

وللتذكير، فقد تم تمويل هذه الدراسة من قبل المعاهد الوطنية للصحة National Institutes of Health (R01HL124020),  بدعم جزئي من برنامج ANR/Investissementd'avenir.

كان دوبونت Dupont ومعاونيه هم المخترعون من خلال طلب براءة الاختراع الأمريكي، والذي يحتفظ به مستشفى بوسطن للأطفال Boston Children's Hospital  و هو من يغطي تقنية التصوير البصري.

المصدر