Представьте, что у вас есть два воздушных шара. Один наполнен водой, а другой - воздухом. Они выглядят одинаково, но если вы нажмете на них, каждый будет чувствовать себя по-разному. Вот как органы чувствуют к врачу. Когда пациенту требуется биопсия иглы, или дренаж желчного пузыря, или инъекция кортизона в позвоночник, или венозный катетер, врач, вводящий иглу, должен чувствовать увеличение и сброс давления, когда эта игла вдавливается, и в конце концов прокалывает каждую последующую ткань.
«Характер ткани дает вам обратную связь по силе, и ваш мозг это вычисляет, и может использовать ее для интерпретации множества разных вещей», - говорит Дэвид Хан, профессор хирургии и радиологии в Penn State. «Если вы затронули много печени и много селезенки, иногда с закрытыми глазами вы можете определить, что есть что».
Но это действительно не легко. Исследования, проведенные за последние 30 и более лет, показали частоту осложнений, которые варьируют от 5 до 21 процента при катетеризации центральной вены, а последствия - инфекция, увеличение времени и стоимости в больнице, или даже смерть. Опытные врачи гораздо лучше справляются с этим, отчасти потому, что это требует большой практики. (Во многих случаях помогает ультразвуковое наведение, но даже с визуальной подсказкой легко зайти слишком далеко и попасть не в ту ткань).
Как студенты-медики изучают эту технику? В некоторых случаях манекен, созданный для того, чтобы напоминать определенные ткани, обеспечивает обратную связь, но чаще ученики смотрят на опытного врача, а потом пробуют. «Я действительно хорош в этом», - говорит Хан. «Итак, рядом со мной стоит кто-то, кто хочет научиться делать это, и я как бы наклоняюсь через их плечо и говорю, попробуй то или это».
У команды исследователей из Университета штата Пенсильвания была другая идея. Во главе с Ханом в 2017 году они опубликовали исследование, описывающее робота, который будет удерживать конец иглы и обеспечивать механическую обратную связь - когда ученик толкает иглу в кусок кремния, рука робота отталкивается назад. В отличие от манекена, его можно запрограммировать так, чтобы он следовал различным кривым силы, чтобы соответствовать профилю давления иглы, скользящей в разные ткани, и даже представлять разные типы телосложения. «То, что вы хотите сделать, - это заставить людей доказать свою компетентность в смоделированной среде, прежде чем передать им средства управления», - говорит Хан.
Но у некоторых других исследователей, с которыми работал Хан, было еще одно понимание: они могли бы создать инструмент, который бы делал то же самое, без робота, гораздо дешевле. Вместо манипулятора робота обратная связь о силе будет обеспечиваться механизмом, размещенным в симулированном шприце. В этом году исследователи подали предварительную заявку на патент и получили грант от Государственного технического колледжа штата Пенсильвания, чтобы разработать устройство как бизнес.
«Мы могли бы создать эти силы немного проще, если бы, по существу, разрушение материала внутри этих картриджей создавало нашу тактильную силу», - говорит Джейсон Мур, доцент кафедры машиностроения, который возглавлял команду. «И тогда мы могли бы предоставить пользователю много отзывов о том, как они выполняли ввод иглы».
Хотя предварительная патентная заявка описывает несколько способов моделирования давления (включая электромагнит, магниты, трение, гидравлику и др.), Группа решила сосредоточиться на версии, приводимой в действие серией мембран, размещенных внутри корпуса шприца. При нажатии на поверхность игла втягивается в корпус шприца. Поскольку это делает, это упирается в мембраны в последовательности. Каждый деформируется и, в конце концов, ломается, как человеческая ткань. Изменяя конфигурацию, толщину и материал мембран, устройство имитирует различные профили силы без необходимости использования дорогостоящей руки робота.
Хан, сотрудники Мура и Мура, доцент инженерного дизайна Скарлетт Миллер и доцент анестезиологии Санджиб Адхикари, не единственные, кто работает над устройствами для обучения студентов инъекциям под ультразвуковым контролем. «Каждый пытается придумать разные способы и способы сделать его лучше или сделать его более удобным для пользователя», - говорит Адхикари. «Но никто не имеет Святого Грааля».
В 2015 году компания Blue Phantom выпустила сложную тренировочную модель для инъекций коленного сустава с симуляцией бедра, большеберцовой кости, коленной чашечки и бурсы - но она стоит 3800 долларов и полезна только для практики инъекций в колено. Есть даже самодельные решения с желатиновыми шариками с резиновыми трубками. Дэвид Габа, профессор анестезиологии в Стэнфорде, занимается созданием тренажеров для инъекций более 30 лет, включая пластиковые тренажеры для инъекций в поясничный отдел. Он даже использует свиные плечевые ткани в качестве замены для человека.
«Тот факт, что компьютерная / аппаратная комбинация может имитировать что-то, чтобы изобразить тактильные ощущения, не обязательно означает, что это приведет к чудесам обучения или мастерства», - говорит Габа. «Если нет четких доказательств того, что конкретное устройство имеет большое значение, в конечном итоге именно рынок будет определять, есть ли у какого-то конкретного технического прогресса преимущества по сравнению с другими подходами».
Там все еще должен быть баланс, указывает Хан. Уберите слишком много реализма, и студенты не смогут правильно соединить инструмент практики с реальностью. Но любой компьютеризированный аппарат может предоставить ценную и количественную обратную связь - своего рода табель успеваемости - в производительность студентов, изучающих технику.
Работая над созданием рыночного устройства, Мур, Миллер и Адхикари встраивают в картридж акселерометр, который будет сопрягаться с пользовательским программным обеспечением для обеспечения аналогичной обратной связи по углу вставки и профилю силы. Их прототип, включая датчик и сменный картридж, стоил им около 100 долларов.
«Эту идею стоит реализовать, особенно если ее можно продать за 100 долларов», - говорит Пол Бигелейзен, профессор анестезиологии в Университете штата Мэриленд. Но литье под давлением и широкое распространение, возможно, через школы и учебные больницы, может снизить стоимость единицы продукции еще ниже.
«Если мы сможем заставить этих новых студентов-медиков или очень рано будущих врачей быть очень хорошими в движениях рук, быть очень устойчивыми, может ли это оказать положительное влияние на их навыки намного дальше в будущем?» - говорит Мур.
Это надежда, добавляет он.
