Wyobraźmy sobie jedną z najczęściej wykonywanych operacji ortopedycznych na świecie – wszczepienie endoprotezy stawu biodrowego. Dla milionów pacjentów oznacza ona powrót do chodzenia bez bólu. Ale nawet w tak dobrze opanowanej procedurze pozostawał przez lata pewien trudny problem: dokładne wyrównanie długości nóg podczas operacji.
To właśnie z tego wyzwania narodził się projekt miniaturowego ortopedycznego ramienia pomiarowego NaviFast6D – urządzenia opracowanego przez zespół naukowców z Politechniki Łódzkiej: prof. Leszka Podsędkowski, dr inż. Agnieszkę Kobierską i dr inż. Łukasza Frącczaka, we współpracy z ortopedą dr. n.med. Michałem Panasiukiem i firmą Robotic Medical Solutions.
O tym, jak z klinicznej potrzeby narodziło się nowe narzędzie chirurgiczne, wyjaśnia kierujący projektem prof. Leszek Podsędkowski.
Problem, który widzą pacjenci
Podczas operacji endoprotezoplastyki problemem jest prosty, szybki i dokładny pomiar śródoperacyjny zmiany długości nogi. Aktualnie w dużej mierze opiera się on na planowaniu przedoperacyjnym i ocenie klinicznej w trakcie zabiegu. Ta druga metoda – choć stosowana od lat – jest częściowo subiektywna. W efekcie w około 10% operacji różnica długości nóg (LLD) po zabiegu przekracza 10 mm.
Dla pacjenta oznacza to często uczucie nierówności podczas chodzenia, konieczność stosowania wkładek ortopedycznych i przeciążenia kręgosłupa i stawów.
Ortopedzi potrzebowali więc czegoś prostego, szybkiego i bardzo dokładnego – narzędzia do pomiaru długości nogi bezpośrednio w trakcie operacji.
Dokładne wyrównanie długości nóg podczas operacji jest ważnym elementem komforu życia i zdrowia
Pomysł: inteligentne ramię w polu operacyjnym
W 2014 roku ortopedzi zwrócili się do Instytutu Obrabiarek i TBM Politechniki Łódzkiej z pytaniem: Czy da się stworzyć urządzenie, które w trakcie operacji zmierzy zmianę długości nogi z dokładnością poniżej milimetra?
Odpowiedzią okazała się koncepcja miniaturowego manipulatora pomiarowego.
Jak działa NaviFast6D?
Ramię składa się z siedmiu segmentów połączonych przegubami obrotowymi. W każdym z nich znajduje się trójosiowy akcelerometr – czujnik, który potrafi określić kierunek działania grawitacji.
Mechanizm działania przypomina trochę sposób, w jaki smartfon „wie”, jak jest obrócony w przestrzeni. Każdy czujnik odczytuje kierunek przyspieszenia ziemskiego. Na tej podstawie wyznaczany jest kąt w każdym przegubie ramienia. Z zestawu kątów obliczana jest dokładna pozycja końcówki manipulatora w przestrzeni. Dzięki temu chirurg może zmierzyć różnicę długości kończyny w trakcie operacji.
Kluczowe było także opracowanie specjalnej kinematyki manipulatora – takiej geometrii ramienia, aby w żadnej pozycji jego osie nie ustawiały się pionowo. Dzięki temu czujniki zawsze mogą jednoznacznie określić orientację.
Efekt: dokładność poniżej 0,5 mm w pomiarach geometrycznych systemu.
Urządzenie NaviFast
foto: Leszek Podsędkowski
Od badań do start-upu
Po udowodnieniu, że koncepcja działa, wokół technologii powstała spółka Robotic Medical Solutions (RMS) – spin-off utworzony przy współpracy naukowców i przedstawicieli przemysłu.
Firma podpisała z Politechniką Łódzką umowę licencyjną na rozwój i komercjalizację technologii.
Kolejnym krokiem było pozyskanie finansowania z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
Projekt badawczy: „Opracowanie nowego produktu – ortopedycznego miniaturowego ramienia pomiarowego do pomiarów śródoperacyjnych i przygotowanie jego produkcji” otrzymał ponad 4,29 mln zł finansowania i był realizowany w latach 2021–2023.
Inżynieria precyzji
W ramach projektu dopracowano wszystkie elementy technologii: finalną konstrukcję i ergonomię ramienia pomiarowego, metody maksymalizacji jego dokładności, specjalne instrumentarium pozwalające powtarzalnie mocować urządzenie do kości, innowacyjny system kalibracji. Do kalibracji opracowano nawet osobny system: pneumatyczny manipulator kalibracyjny o powtarzalności 0,01 mm.
To poziom precyzji spotykany raczej w laboratoriach metrologicznych niż na sali operacyjnej.
Projekt objął także stworzenie oprogramowania wykorzystującego sztuczną inteligencję, które: analizuje zdjęcia RTG, automatycznie mierzy długość kończyn i pomaga zaplanować operację jeszcze przed jej rozpoczęciem.
Urządzenie w polu operacyjnym
foto: Leszek Podsędkowski
Najważniejsze: wyniki kliniczne
Badania kliniczne zakończone w 2024 roku potwierdziły skuteczność rozwiązania.
Najważniejsze rezultaty:
- błąd pomiaru LLD w analizie RTG: 1,9 mm,
- błąd pomiaru zmiany długości nogi ramieniem NaviFast6D: 1,7 mm,
- średnia różnica długości nóg po operacji: 2,5 mm,
- maksymalna: 5,6 mm.
To znacznie lepsze wyniki niż w standardowej praktyce klinicznej.
Małe urządzenie, duży wpływ
NaviFast6D pokazuje, jak inżynieria precyzyjna, robotyka i medycyna mogą połączyć siły. Jeśli technologia zostanie szeroko wdrożona, może poprawić jakość życia tysięcy pacjentów po operacji biodra.
