Медицинские роботы. Семь самых перспективных медицинских роботов Роботизированная медицина
Введение
В эпоху бурного развития науки и техники появляется множество различных нововведений в самых различных областях. Медицина так же не стоит на месте, появляются новые сложнейшие аппараты для жизнеобеспечения человека, примером тому могут стать множество аппаратов, например аппарат для искусственной вентиляции легких, либо аппарат искусственной почки и т.п. Появились миниатюрные измерители сахара в крови, электронные измерители пульса и давления, этот список можно дополнить неоднократно.
Конкретнее хочется остановиться на примере внедрения робототехники в медицинскую отрасль. Различные роботы создаются человеком примерно с конца 20 века, за пройденное время они были значительно улучшены и модернизированы.
Роботы в медицине
Рисунок 1 - Робот-хирург «Да Винчи»
Один из наиболее известных и прославленных достижений последнего времени стал робот «Да Винчи», названный в честь великого инженера, художника и ученого Леонардо Да Винчи, который в свое время сконструировал первого антропоморфного робота, способного двигать ногами и руками, осуществлять иные действия (рисунок 1). Эта передовая методика сочетает в себе все преимущества классической и лапароскопической операций. Во время операции хирург располагается за удобным пультом управления, на экран выводится трехмерное изображение оперируемого участка. Удобство работы с таким пультом благоприятно сказывается на работе хирурга, так как тот не утомляется, как при стандартном хирургическом вмешательстве.
Рисунок 2 - Джойстики термоманипулятора
Хирург управляет телеманипулятором с помощью специальных джойстиков, которые реагируют на прикосновения кончиков пальцев (рисунок 2). Его движения с абсолютной точностью воспроизводятся робототехникой. Это обеспечивает высокое качество операции и повышает безопасность ее проведения. В реальном времени движения хирурга передаются на операционный стол системы.
Хирургический робот Да Винчи оснащен сверхточными манипуляторами из 4 рук, одна из которых имеет встроенную камеру, которые передают изображения в реальном времени на пульт, еще две заменяют руки хирурга во время проведения операции, а четвертая служит в качестве ассистента (рисунок 3).
Рисунок 3 - Манипуляторы робота
С помощью острия размещенного на конце лапароскопических рук, производятся надрезы величиной 1-2 см. За счет таким маленьких надрезов снижается уровень травматизма тканей.
Точность движения механических манипуляторов превосходят возможности рук человека. Имея семь степеней свободы и способность изгиба на 90 градусов, руки робота имеют широкую амплитуду движений. Это незаменимо при оперативном вмешательстве в ограниченном пространстве, например, при работе с сердечной сумкой или малым тазом. Команда людей-ассистентов контролируют работу робота да Винчи, подготавливая место для надрезов, следя за ходом операции, поднося стерильные инструменты.
В настоящее время робота оснастили самыми продвинутыми «глазами» в мире. Трёхмерное зрение было у него и раньше, а вот высокой чёткости добились только сейчас. Новая версия позволяет следить за операцией сразу двум хирургам. Один из них может как ассистировать, так и учиться мастерству у старших коллег. На рабочем дисплее может быть отображена не только картинка с камер, но и два дополнительных параметра, например данные ультразвука и ЭКГ.
Многорукий da Vinci позволяет оперировать с большой точностью, а значит, и с минимальным вмешательством в организм пациента. В результате восстановление после операции происходит быстрее, чем обычно.
Рисунок 4 - Робот-диагностик «Рози»
Робот - фармацевт «Рози» работает в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико.
Задача Рози - приготовление и распределение лекарств сотен наименований. Работает он круглосуточно, практически не делает перерывов и при этом совершенно не ошибается. За два с половиной года службы в больничной аптеке не было ни одного случая, когда бы пациенту отправили не то лекарство. Коэффициент точности работы Рози - 99,7 процентов, а это значит, что сортировка и дозировка прописанных препаратов никогда не отличается от тех, что указаны в рецептах врачей.
Устройство весом более 4.5 тонн разработано подразделением отдела корпоративных общественных проектов корпорации Intel (Intel Community Solutions). Скользя по металлическому рельсу, Рози механической "рукой" собирает наполненные таблетками пакетики, висящие вдоль стен. Затем она вкладывает эти пакетики, на каждый из которых нанесен штрих-код, в конверты и отправляет их по палатам пациентам в контейнерах пневмопочты.
В палате медсестра с помощью небольшого устройства сканирует браслет на запястье пациента и получает информацию о том, какое лекарство он должен принимать, когда и в каком количестве. Затем медсестра сканирует штрих-код на пакете с лекарством - это позволяет проверить, действительно ли лекарство предназначено именно для данного больного, а также совпадают ли частота и дозировка приема.
Так же Рози помог своевременно обнаружить множество ошибок. Рози никогда не отправит больному лекарство с истекшим сроком годности. Залогом его точности являются заложенные в электронный мозг машины государственные стандарты контроля качества. Между тем, согласно данным Национального института здоровья в Вашингтоне из-за ошибок с лекарствами в стране ежегодно умирают около 50 тысяч человек. Но приготовление и распределение лекарств - не единственная проблема, которую в Пресвитерианской больнице решили с помощью Рози. До его появления было очень сложно следить за отпуском наркотических средств: сотрудники тратили уйму времени, пересчитывая таблетки, чтобы ни одна из них не осталась неучтенной. Сегодня от этой рутинной работы их освободил робот Рози.
Рисунок 5 - Робот-нянька
Робот нянька ухаживает за больными людьми, в частности страдающими от болезни Альцгеймера (рисунок 5).
Он облегчает пациентам общение с врачами и родственниками. Оборудованный камерой, экраном и всем необходимым для беспроводной связи через Интернет, робот Companion позволяет врачу контактировать с пациентом, который находится в специализированной клинике. Робот также используется для обучения персонала, помощи пациентам, имеющим проблемы с передвижением, общения пациентов с детьми. Как ни странно, пациенты, обычно неохотно принимающие все новое, отнеслись к механическому собеседнику совсем неплохо: показывали на него, смеялись, даже пытались заговаривать с ним.
По мнению исполнительного директора создавшей машину компании InTouch Health Юлина Ванга, применение роботов при уходе за престарелыми людьми может снять остроту проблемы старения нации. Пока же фирма собирается сдавать своих роботов в аренду домам престарелых.
Рисунок 6 - Робот-физиотерапевт
Настоящий шаг в будущее сделали инженеры из Массачусетского технологического института, заменившие врача-физиотерапевта роботом. Как известно, люди, перенесшие инсульт, надолго забывают о своей привычной жизни. В течение многих месяцев и даже лет они вновь учатся ходить, держать ложку в руках, совершать те обыденные действия, о которых раньше даже не задумывались. Теперь им могут помочь не только врачи, но и роботы.
Речь идет о сеансах физиотерапии, необходимых для восстановления координации движений рук. Сейчас пациенты обычно занимаются с врачами, которые показывают им соответствующие упражнения. В отделения реабилитации Бостонского городского госпиталя, где проводятся испытания новой установки, выздоравливающему от инсульта предлагается с помощью джойстика перемещать на экране по заданной траектории небольшой курсор. Если же человек не может этого сделать, управляемый компьютером джойстик с помощью встроенных электромоторов сам переместит его руку в необходимое положение.
Врачи остались довольны работой новинки. В отличие от человека, робот может совершать одни и те же движения тысячи раз в день и при этом не уставать.
Рисунок 7 - комплекс KineAssist
Так же существует комплекс KineAssist (рисунок 7). Он является совместной разработкой Чикагского реабилитационного института и компании kinea Design (ранее - Chicago PT). Врачи и инженеры, работавшие над данным проектом, в результате исследований выявили основные проблемы, возникающие при реабилитации пациентов с нарушением опорно-двигательного аппарата. Основное назначение KineAssist - предоставить более интенсивное и эффективное лечение пациентам, не нарушая их физической и психологической связи с физиотерапевтами и исключая фактор страха перед падением.
Устройство весом 227 кг представляет собой механизированную платформу с «интеллектуальными» ремнями, поддерживающими туловище человека, чтобы помочь пациентам с нарушениями неврологических функций научиться удерживать равновесие и ходить. Тренажёр KineAssist разрабатывался как средство помощи для терапевтов, а не как их замена. Датчики, встроенные в ремни, прогнозируют движения пациента и помогают ему удерживать равновесие. Учитывая, что теперь пациент находится в безопасности, физиотерапевты могут предложить ему выполнить более сложные упражнения, например, тренироваться в ходьбе по лестнице или делать шаги в сторону. Несмотря на свой вес, тренажёр с легкостью балетного танцора передвигается вперёд, назад и в стороны, в зависимости от направления движения пациента. Благодаря специальному программному обеспечению физиотерапевт может регулировать нагрузку и интенсивность во время занятий.
KineAssist предлагает большое количество режимов и видов упражнений, основными из которых являются:
- - ходьба (возможно использование KineAssist вместе с беговой дорожкой);
- - тренировка равновесия. Во время данного упражнения инструктор старается расширить привычную для пациента «зону безопасности», например, поставив перед ним препятствие, которое придётся обойти или перешагнуть;
- - тренировка силы, где при движении пациента тренажёр прилагает сопротивление (возможна тренировка различных групп мышц);
- - тренировка осанки. В этом режиме инструктор фиксирует тело пациента в определённом положении, а во время выполнения упражнений тренажёр поддерживает именно это положение тела.
KineAssist можно применять как для лечения больных, у которых относительно неплохо восстановились двигательные функции, так и для начальной реабилитации более слабых пациентов сразу после травмы или заболевания. Начиная с 2004 года KineAssist успешно проходит испытания в реабилитационных центрах США (в настоящий момент в центре Alexian Rehabilitation Hospital). Предварительная статистика по больным пережившим инсульт показывает, что реабилитация тех, кто занимался на роботизированном тренажёре, протекает, как минимум, в два раза эффективнее. К сожалению, из-за высокой цены (более 200 000 долларов США) данный комплекс могут позволить себе лишь самые крупные лечебные учреждения.
Рисунок 8 - Робот для переноски пациентов RIBA
Японский институт физических и химических исследований (BMC RIKEN) и компания Tokai Rubber Industries (TRI) представили «медвежеподобного» робота, предназначенного для оказания помощи медсёстрам в больницах. Новая машина буквально носит пациентов на руках (рисунок 8).
RIBA (Robot for Interactive Body Assistance) - это усовершенствованная версия андроида RI-MAN.
По сравнению с предшественником RIBA серьёзно продвинулся вперёд.
Как и RI-MAN, новичок способен аккуратно поднимать человека с кровати или инвалидного кресла, переносить его на руках, например в туалет, а потом доставлять обратно и так же бережно укладывать в постель или усаживать в коляску. Но если RI-MAN носил, лишь зафиксированных в определённом положении кукол весом 18,5 кг, RIBA уже транспортирует живых людей массой до 61 кило.
Рост «медведя» 140 сантиметров (RI-MAN - 158 см), и весит он вместе с аккумуляторами 180 килограммов (предшественник - 100 кг). RIBA распознаёт лица и голоса, выполняет голосовые команды, ориентируется по собранным видео- и аудиоданным, которые обрабатывает в 15 быстрее, чем RI-MAN, и «гибко» реагирует на малейшие изменения в окружающей среде.
Руки нового робота имеют семь степеней свободы, голова - одну (позже будет три), в талии две степени. Корпус покрыт разработанным TRI новым мягким материалом наподобие полиуретановой пены. Двигатели работают довольно тихо (53,4 дБ), а всенаправленные колёса позволяет машине маневрировать в ограниченном пространстве.
Рисунок 9 - Робот-помощник Yurina
Постепенно будут внедрены и роботы помощники, задачей которых будет непосредственная помощь врачам, данные модели уже используются в некоторых клиниках зарубежной медицины. Yurina, робот от японской компании Japan Logic Machine, который способен переносить лежачих пациентов на манер больничной каталки, только гораздо более плавно (рисунок 9).
Что еще интереснее, Yurina может трансформироваться в инвалидное кресло, управляемое сенсорным экраном, контроллера или голосом. Робот достаточно ловок, чтобы перемещаться в узких коридорах, что делает его действительно неплохим помощником для настоящих врачей.
Рисунок 10 - Вспомогательный робот-рука Rapuda
Последняя разработка японского Института исследования интеллектуальных систем (Intelligent Systems Research Institute) также имеет чисто практическое применение. Роботизированная рука Rapuda ориентирована на то, чтобы облегчить жизнь инвалидов, имеющих проблемы с подвижностью верхних конечностей (рисунок 10). Рука, управляемая при помощи джойстика, берет стакан воды со стола и даже поднимает упавшие на пол объекты.
Пока создатели не могут сказать, когда и по какой цене Rapuda будет доступна широкому кругу покупателей. Определенно, еще стоит поработать над скоростью осуществления манипуляций. Но можно сказать точно - такая технология явно будет востребована, поэтому разработка продолжается.
Робот-хирург
На калифорнийской конференции производитель NVIDIA озвучил весьма смелую идею - проводить операцию на сердце без остановки сердца и вскрытия грудной клетки.
Робот-хирург будет производить операцию с помощью манипуляторов, подведенных к сердцу через небольшие отверстия в груди пациента. Технология визуализации «на лету» оцифровывает бьющееся сердце, демонстрируя хирургу трехмерную модель, по которой он может ориентироваться точно так же, как если бы смотрел на сердце через вскрытую грудную клетку. Основная сложность заключается в том, что сердце совершает большое количество движений за короткое время - но, по словам разработчиков, мощности современных вычислительных систем на базе графических процессоров NVIDIA хватит, чтобы визуализировать орган, синхронизируя движения инструментов робота с биением сердца. За счет этого создается эффект неподвижности - хирургу без разницы, «стоит» сердце или работает, ведь манипуляторы робота совершают аналогичные движения, компенсируя биение!
Пока вся информация об этой невероятной технологии состоит из коротенькой видеодемонстрации, но мы будем с нетерпением ожидать новых сведений от NVIDIA. Кто бы мог подумать, что совершить революцию в хирургии задумала компания-производитель видеокарт.
Da Vinci
Назначение : хирург
Как устроен : Пока робот-хирург - это не самостоятельно действующий механизм, а послушный 500-килограммовый инструмент в руках врача. У операционного модуля четыре «руки». Три из них оканчиваются миниатюрными хирургическими инструментами - скальпелями и зажимами, а четвертая управляет крошечной видеокамерой. Da Vinci оперирует через сантиметровые проколы, поэтому без камеры не обойтись, зато у пациента почти не остается шрамов. Когда робот «колдует» над больным, хирург-человек сидит за пультом в отдалении от стола. Врач манипулирует джойстиками, которые с ювелирной точностью передают движения пальцев и кисти «рукам» da Vinci. Как и у человеческой кисти, у них семь степеней свободы, но манипуляторы гораздо сильнее, не устают и мгновенно замирают, если хирург отпустит джойстики. Свои действия врач контролирует через окуляр, куда поступает увеличенная до 12 раз картинка с видеокамеры.
Где применяется : Роботы-хирурги da Vinci работают в сотнях клиник по всему миру. В России 20 таких аппаратов. Один из них - в Федеральном центре сердца, крови и эндокринологии им. В.А. Алмазова (СПб.), где da Vinci выполняет около сотни операций в год. Его «конек» - точное и аккуратное удаление лишнего: опухолей, грыж, аневризм.
|
|
|
|
|
|
Kirobo
PARO
HOSPI
RP-VITA
HAL
IBM WatsonФото: AFP/EAST NEWS, CORBIS/FOTO S.A., PANASONIC, DIOMEDIA, REUTERS/VOSTOCK PHOTO, IBM
". Перевод на русский язык редакции сайт
2.3 Медицина и робототехника
2.3.1 Обзор области
Здравоохранение и роботы
В результате демографических изменений во многих странах системы здравоохранения сталкиваются с возрастающей нагрузкой, поскольку им приходится обслуживать стареющее население. На фоне роста спроса на услуги совершенствуются процедуры, что приводит к улучшению результатов. Одновременно растут затраты на оказание медицинских услуг, несмотря на снижение числа людей, занятых в области оказания медицинской помощи.
Применение технологий, включая робототехнику, представляется частью возможного решения. В данном документе отрасль медицины разделена на три подобласти:
- Роботы для больниц (Clinical Robotics) : Можно определить соответствующие робототехнические системы, как те, что обеспечивают процессы "заботы" и "излечения". Прежде всего - это роботы для диагностики, лечения, хирургического вмешательства и ввода медикаментов, а также в системах экстренной помощи. Такие роботы управляются персоналом больницы или обученными специалистами в области заботы о пациентах.
- Роботы для реабилитации (Rehabilitation) : Такие роботы обеспечивают послеоперационную или посттравматическую помощь, когда прямое физическое взаимодействие с робототехнической системой будет либо ускорять процессс восстановления (выздоровления), либо обеспечивать замену утраченной функциональности (например, когда речь идет о протезе ноги или руки).
- Вспомогательные роботы (Assistive robotics) : В этот сегмент относят другие аспекты робототехники, применяемой в медицинской практике, когда первичным назначением робототехнических систем является обеспечение поддержки либо тому, кто оказывает медицинскую помощь, либо непосредственно пациенту, независимо от того, идет ли речь о больнице или о другом медицинском учреждении.
Все перечисленные поддомены характеризуются тем, что требуют обеспечения системами безопасности, которые принимают в расчет клинические потребности пациентов. В типовом случае управлением или настройками таких систем занимается квалифицированный больничный персонал.
Медицинская робототехника - больше, чем просто технология
Кроме развития непосредственно робототехнических технологий, важно, чтобы соответствующие роботы внедрялись, как часть процессов лечения в больнице или других медицинских процедур. Требования к системе должны формироваться на основе четко выявленных потребностей пользователя и получателя услуг. При разработке таких систем, принципиально важно демонстрировать ту дополнительную пользу, которую они могут обеспечить при их внедрении, это критически важно для дальнейшего успеха на рынке. Получение дополнительной пользы требует прямого вовлечения в процесс разработки данной техники профессионалов в области медицины, а также пациентов, как на стадии дизайна, так и на стадии внедрения при разработке роботов. Разработка систем в контексте среды их будушего применения обеспечивает вовлечение заинтересованных сторон. Ясное понимание существующей медицинской практики, очевидная необходимость обучения медицинского персонала пользованию системой, владение различной информацией, которая может потребоваться для разработки, - критически необходимые факторы при создании пригодной к дальнейшему внедрению системы. Введение роботов в медицинскую практику потребует адаптации всей системы оказания медицинских услуг. Это деликатный процесс, в рамках которого технология и практика оказания медицинских услуг оказывают взаимное влияние и должны будут адаптироваться друг к другу. С момента начала разработки, важно принимать во внимание этот аспект "взаимозависимости".
Разработка роботов для нужд медицины включает очень широкий набор различных потенциальных приложений. Рассмотрим их ниже, в контексте выделенных ранее трех основных сегментов рынка.
Роботы для больниц
Этот сегмент представлен разнообразными приложениями. Можно выделить, например, такие категории:
Системы, которые непосредственно расширяют возможности хирурга в плане ловкости (гибкости и точности) и силы;
Системы, которые позволяют проводить дистанционную диагностику и вмешательства. В эту категорию можно включать, как телеуправляемые системы, когда врач может находиться на большем или меньшем удалении от пациента, так и системы для использования внутри тела пациента;
Системы, которые обеспечивают поддержку во время диагностических процедур;
Системы, которые обеспечивают поддержку во время хирургических процедур.
Кроме этих приложений для больниц, существует некоторое количество вспомогательных приложений для больниц, включая роботов для взятия образцов, лабораторных исследований образцов ткани, а также других услуг, необходимых в больничной практике.
Роботы для реабилитации
Реабилитационная робототехника включает такие устройства, как протезы или например, роботизированные экзоскелеты или ортезы, которые обеспечивают тренировку, поддержку или замену утраченных активностей или нарушенной функциональностей человеческого тела и его структуры. Такие устройства могут применяться, как в больницах, так и в повседневной жизни пациентов, но как правило требуют первичной настройки медицинскими специалистами и последующего наблюдения за их правильной работой и взаимодействием с пациентом. Постоперационное восстановление, особенно в ортопедии, согласно прогнозам, будет основной сферой применения таких роботов.
Поддержка специалистов и ассистивная робототехника
Этот сегмент включает ассистивных роботов, предназначенных для использования в больницах или в домашней среде, которые разработаны для того, чтобы помогать персоналу больниц или сиделкам выполнять рутинные операции. Можно отметить существенную разницу в дизайне и внедрениях робототехнических систем, связанную с местом и условиями их использования. В контексте использования квалифицированным персоналом, будь то условия больницы или домашние условия при использовании робота для заботы о пожилом человеке, разработчики могут рассчитывать на то, что роботом управляет квалифицированный специалист. Такой робот должен соответствовать требованиям и стандартам больницы и системы здравоохранения и обладать соответствующими сертификатами. Эти роботы будет оказывать помощь персоналу соответствующих медицинских учреждений в их повседневной работе, особенно медсестрам и сиделкам. Такие робототехнические системы должны позволять сиделке проводить больше времени с пациентами, сокращая физическую нагрузку, например, робот сможет поднимать пациента для того, чтобы провести с ним необходимые рутинные операции.
2.3.2 Возможности в настоящее время и в перспективе
Робототехника для медицины - это чрезвычайно сложное направление для разработок в силу мультидисциплинарной природы и необходимости соблюдения различных жестких требований, а также из-за того, что во многих случаев медицинские робототехнические системы физически взаимодействуют с людьми, которые к тому же могут находиться в весьма уязвимом состоянии. Приведем основные возможности, существующие в выделенных нами сегментах медицины.
2.3.2.1 Больничные роботы
Это роботы для хирургии, диагностики и терапии. Рынок роботов для хирургического вмешательства велик по размерам. Робото-ассистивные возможности могут использоваться практически во всех областях - кардиологии, сосудологии, ортопедии, онкологии и неврологии.
С другой стороны, есть множество технических проблем, связанных с ограничениями на размеры, емкость, связанных с окружающей средой и небольшим числом технологий, которые доступны для немедленного использования в больничных условиях.
Кроме технологических проблем, есть и коммерческие. Например, связанные с тем, что США старается сохранять монопольное положение на этом рынке за счет объемной интеллектуальной сосбственности. Обойти эту ситуацию можно только за счет разработки принципиально нового "железа", ПО и концепций управления. Также для таких разработок требуется солидная финансовая поддержка высокозатратных, но необходимых разработок и соответствующих клинических испытаний. Типичные области, где сейчас есть возможности:
Минимально инвазивная хирургия (MIS)
Здесь можно добиться успеха за счет разработки систем, способных расширить возможности гибкости движений инструментов за пределы, обеспечиваемые анатомией рук хирурга, повысить эффективность, или дополнить системы обратной связью (например, позволяющей судить о силе нажатия), или дополнительными данными, помогающими осуществлять процедуру. Успехи рыночного внедрения могут зависеть от ценовой эффективности продукта, сокращенного времени его развертывания (подготовки к работе) и сокращения уровня дополнительного обучения, которое необходимо, чтобы научиться использованию роботизированной сситемы. Любая разработанная система должна наглядно демонстрировать "добавленную ценность" в контексте хирургии. Клинические опытные внедрения и оценки в ходе такого тестирования в клиниках являются обязательными для того, чтобы систему приняло хирургическое сообщество.
Если сравнивать с другими направлениями малоинвазивной хирургии, робото-ассистивные системы потенциально обеспечивают хирургу лучшее управление хирургическими инструментами, а также лучший обзор во время операции. От хирурга более не требуется стоять все время операции, поэтому он не устает столь же быстро, как при традиционном подходе. Тремор рук может быть почти полностью отфильтрован программным обеспечением робота, что особенно важно для применения в хирургии, имеющей дело с микромасштабами, например, хирургии глаза. В теории, хирургический робот можно использовать почти 24 часа в день, заменяя бригады хирургов, которые с ним работают.
Робототхеника может обеспечивать быстрое восстановление, сокращение травматизма и снижение негативного влияния на ткани пациента, а также снижение нобходимой радиационной дозы. Роботизированные хирургические инструменты могут разгрузить мозг врача, сократить "кривую обучения" и повысить эргономику рабочего процесса для хирурга. Способы терапии, использование которых сдерживают границы возможностей человеческого тела, также становятся возможными при переходе к использованию робототехнических технологий. Например, новое поколение гибких роботов и инструментов, позволяющих добраться до органов, глубоко скрытых в теле человека, позволяют сократить размер входного разреза в человеческом теле или обойтись естественными отверстиями в человеческом теле для выполнения хирургических операций.
В долгоросрочной перспективе, использование обучающихся систем в хирургии может сократить сложность проведения операции за счет увеличения потока полезной информации, которую хирург будет получать в ходе операции. Другие потенциальные преимущества включают возможность повышения уровня возможностей бригад парамедиков ("скорой помощи") при проведении с помощью роботов стандартных клинических экстренных процедур в полевых условиях, а также проведение теле-хирургических операций на удаленных объектах, где есть только соответствующий робот и нет квалифицированного хирурга.
Можно выделить следующие возможности:
Новые совместимые инструменты, обеспечивающие повышение уровня безопасности, при сохранении всех возможностей манипулции ими, включая негнущиеся инструменты. За счет использования новых методов управления или специальных решений (которые, например, могут встраиваться в инструмент или являться внешними по отношениюк к нему) функционирование инструметов может подстраиваться в реальном времени так, чтобы обеспечить совместимость или стабильность, когда что важнее;
Введение усовершенствованных ассистивных технологий, которые ведут и предупреждают хирурга во время операции, что позволяет говорить об упрощении решения задач хирургии и снижении числа ошибок медиков. Такая "обучающая поддержка" должна повысить "совместимость" оборудования и хирурга, что обеспечит интуитивность и отсутствие сомнений при использовании системы.
Применение подходящих уровней автономии роботов в хирургической практике вплоть до полной автономности конкретных хорошо детерминированных процедур, например: автономная аутопсия; взятие образцов крови (Veebot); биопсия; автоматизация части хирургических действий (затягивание узлов, поддержка камеры...). Повышение автономности обладает потенциалом повышения эффективности.
- "Умные" хирургические инструменты по-сути условно управляются хирургами. Эти инструменты находятся в прямом контакте с тканью и повышают уровень мастерства хирурга. Миниатюризация и упрощение хирургических инструментов в будущем, также как и доступности хирургических процедур внутри и снаружи "операционного театра" - основной путь развития таких технологий.
Обучение : Обеспечение физически точных моделей, что достигается за счет использования инструментов с тактильной обратной связью обеспечивают потенциал улучшения обучения, как на ранних стадиях обучения, так и при достижении уверенных навыков работы. Возможность симулирования широкого разнообразия условий и сложностей также могут повышать эффективность данного типа обучения. Сейчас качество тактильной обратной связи еще содержит ряд ограничений, что создает сложности в демонстрировании превосходства данного типа обучения.
Клинические образцы : Есть много областей для применения автономных систем для взятия образцов - от систем для взятия анализов крови и образцов ткани для биопсии до менее инвазивных методов аутопсии.
2.3.2.2 Робототехника для реабилитации и протезирования
Робототехника для реабилитации покрывает широкий диапазон различных форм реабилитации и может быть разделена на подсегменты. В Европе существует достаточно сильная промышленность в данном секторе и активное взаимодействие с ней ускорит технологическое развитие.
Средства реабилитации
Это средства, которые могут использоваться после травмы или после операции для тренировки и поддержки восстановления. Роль этих средств - поддержка выздоровления и ускорение восстановления, при одновременной защите пользователя и его поддержке. Такие системы могут использоваться в больничных условиях под надзором врачебного персонала или выступать самостоятельным упражнением, когда устройство управляет движениями или ограничивает движения - в зависимости от того, что требуется в данном конкретном случае. Такие системы также могут обеспечивать ценную данные о процессе восстановления и мониторить состояние более непосредственно чем даже при наблюдении за пациентом в условиях больницы.
Средства функциональной замены
Назначение такой робототехнической системы - это замена утраченной функциональности. Это может быть результатом старения или травматического ранения. Такие устройства разрабатывают с целью повышения мобильности и моторных навыков пациента. Они могут выполняться, как протезы, экзоскелеты или ортопедические устройства.
В развитых реабилитационных системах критически важно, чтобы существующие европейские производители были вовлечены в процесс в качестве известных участников рынка, а релевантные клиники и партнеры клиник были вовлечены в процесс разработки. Европа в настоящее время лидирует в мире в этой области.
Нейро-реабилитация
(Сеть COST TD1006, Европейская сеть Робототехники для Нейро-реабилитации обеспечивает платформу для обмена стандартизации определений и примеров разработок по всей Европе).
В настоящее время используется немного роботизованных устройств для нейро-реабилитации, поскольку еще не удалось обеспечить их широкого распространения. Робототехника используется для после-инсультной реабилитации в после-острой фазе и других нейро-моторных патологий, таких, как болезнь Паркинсона, множественный склероз и атаксия. Позитивные результаты с использованием роботов (не хуже или лучше, чем при использовании традиционной терапии) в реабилитационных целях начинают подтверждаться результатами исследований. В последнее время позитивные результаты также подтвержадются исследованиями в области нейро-визуализации. Было доказано, что интеграция с FES показала усиление позитивного результата (как для мышечной системы, так и периферийной и для центральной моторной). Упражнения с биологической обратной связью и игровыми интерфейсами начинают рассматриваться как решения, которые можно реализовать, но такие системы все еще находятся на ранней стадии разработки.
Для того, чтобы разрабатывать работоспособные системы необходимо решить несколько проблем. Это низкая стоимость устройств, проверенные результаты клинических испытаний, хорошо определенный процесс оценки состояния пациента. Возможности систем по корректной идентификации намерений пользователя и тем самым предотвращение травм, в настоящее время ограничивает эффективность таких систем. Управление и мехатроника, интегрированные для того, чтобы отвечать возможностям человеческого тела, включая когнитивную нагрузку, находятся на ранних стадиях развития. Должны быть достигнуты улучшения в надежности и в продолжительности рабочего времени до того, как могут быть разработаны пригодные к коммерческому использованию системы. Также целями разработки должны быть быстрое время развертывания и востребованность терапевтами.
Протезирование
Существенный прогресс может быть получен в области производства умных протезов, которые способны адаптироваться к особенностям движений пользователя и к условиям окружающей среды. Робототехника обладает потенциалом для комбинирования улучшенных способностей самообучения и повышенной гибкости и управления, особенно по части протезов верхних конечностей и кистевых протезов. Частные области исследований включают возможности адаптации к персональному, полу-автономному управлению, обеспечение искуственной чувствительности за счет обратной связи, улучшенная проверка, улучшенная энергоэффективность, self power recovery, улучшенный процессинг миоэлектрических сигналов. Смарт протезы и ортезы, управляемые активностью мышц пациента, позволят воспользоваться преимуществами таких систем обширным группам пользователей.
Системы поддержки мобильности
Пациенты с сокращением физических возможностей, временным или постоянным, могут воспользоваться преимуществами, связанными с повышением мобильности. Роботизированные системы могут обеспечивать поддержку и упражнения, необходимые для увеличения мобильности. Уже есть примеры разработок таких систем, но они находятся на ранней стадии развития.
В будущем возможно что такие системы смогут компенсировать даже когнитивные расстройства, предотвращая падения и несчастные случаи. Ограничения таких систем связаны с их стоимостью, а также с возможностью длительно носить на себе такие системы.
В ряде реабилитационных приложений, есть возможность использования натуральных интерфейсов, таких как миоэлектрика, снятие сигналов с головного мозга, а также интерфейсов, основанных на речи и жестах.
2.3.2.3 Поддержка специалистов и ассистивные роботы.
Поддержка со стороны специалистов и ассистивная робототехника могут быть разделены на ряд областей применения.
Системы поддержки заботящегося о пациенте : Поддерживающие системы, используемые лицами, заботящимися о пациентах, которые взаимодействуют с пациентами или системы, используемые пациентами. Они могут включать роботизированные системы, которые обеспечивают использование лекарственных средств, берут образцы, улучшают гигиену или процессы восстановления.
Подъем и перемещение пациента : Системы подъема и позиционирования пациента могут обладать различными возможностями от точного позиционирования во время хирургических вмешательств или сеансов лучевой терапии до содействия младшему медицинскому персоналу или лицам, заботящимся о пациенте, в подъеме человека с кровати или укладывании на нее, а также в транспортировке пациентов по больнице. Такие системы могут быть разработаны так, чтобы их можно было конфигурировать в зависимости от состояния пациента и использовать их так, чтобы у пациента была определенная степень управления их положением. Ограничения здесь могут быть связаны с необходимостью получения сертификатов безопасности и безопасного управления силами, достаточными для перемещения пациентов так, чтобы исключить возможные травмы пациентов. Энергоэффективные структуры и дизайн, выполненный с учетом необходимости экономии пространства, будут критичны для эффективных внедрений.
При разработке ассистивных робототехнических решений, важно придерживаться набора базовых принципов. Разработка должна фокусироваться на поддержке дефицита функциональности, а не на создании специфических условий. Решения должны быть практичными с точки зрения их использования и обеспечивать заметные преимущества для пользователя. Это может включать использование технологий для мотивирования пациентов делать для себя как можно больше, при одновременном сохранении безопасности. Внедрение таких систем не будет жизнеспособным и востребованным, если они не обеспечат воможности снижения нагрузки на персонал, создавая экономический кейс для внедрения, при одновременной надежности и безопасности использования.
Роботы для биомедицинских лабораторий для медицинских исследований
Роботы уже находят примнение в биомедицинских лабораториях, где они сортируют образцы и манипулируют ими в процессе проведения исследований. Приложения для создания сложных роботизированных систем расширяют возможности еще более, например, в область усовершенствованного скрининга клеток и манипуляций, связанных с клеточной терапией и избирательной сортировкой клеток.
2.3.2.4 Требования в среднесрочном периоде
Следующий список представляет "точки роста" в области медицинской робототехники
Экзоскелеты для нижней части туловища, которые подстраивают свое функционирование к индивидуальным особенностям поведения пациента и/или особенностям его анатомии, оптимизируя поддержку в зависимости от пользователя или условий окружающей среды. Системы могут адаптироваться пользователем к различным условиям и выполнению различных задач. Области применение: нейро-реабилитация и поддержка работников.
Роботы, предназначенные для автономной реабилитации (например, реабилитация в "игровом" режиме, реабилитация верхних конечностей после инсульта) должны воспринимать нужды пациента и его реакции, а также подстраивать под них терапевтическое воздействие.
Роботы, предназначенные для поддержки мобильности и возможностей пациента к манипуляции, должны поддерживать натуральные интерфейсы, гарантируя безопасность и работоспособность в условиях окружающей среды, близкой к "натуральной".
Реабилитационные роботы, разработанные для того, чтобы обеспечивать интеграцию сенсоров и двигателей, за счет обеспечения двунаправленной связи, включая мультирежимный ввод команд (миоэлектрика + инерциальная сенсорика) и мультирежимной обратной связи (электро-тактильной, вибро-тактильной и/или визуальной).
Протезы рук, запяться, кисти, которые автоматически адаптируются к пациенту, позволяя ему управлять по-отдельности любым пальцем, вращением большого пальца, кистевыми DOF-ами. Это должно сопровождаться применением множественных сенсоров и алгоритмов распознавания паттернов, чтобы обеспечить естественность управления (постоянное управление силой) за счет возможных DOFs. Области применения: восстановление функциональности руки для ампутантов.
Протезы и реабилитационные роботы, оснащенные системами полу-автоматического управления для улучшения качества функционирования и/или сокращения когнитивной нагрузки на пользователя. Системы должны позволять восприятие и интерпретацию окружения вплоть до определенного уровня, чтобы сделать возможным автономное принятие решений.
Протезы и реабилитационные роботы способные задействовать разнообразные онлайн-ресурсы (хранилища информации, процессинг) за счет использования облачных вычислений, чтобы внедрить усовершенствованную функциональность, которая находится существенно за пределами возможностей "бортовой" электроники и/или возможностей прямого управления со стороны пользователя.
Недорогие протезы и робототехнические решения, созданные с использованием аддитивных технологий или массовых производств (3D-печать и т.п)
Надомная терапия, снижающая интенсивность невропатической боли или фантомной боли верхних конечностей за счет усовершенствованной интерпретации сигналов, снимаемых с мышц, благодаря использованию роботизированных конечностей (с меньшей гибкостью, чем в предыдущих примерах) и/или "виртуальной реальности".
Биомиметрическое управление взаимодействием с роботом-хирургом.
Адекватные технологии механической актуации и сенсорики для разработки гибких миниатюрных роботов с силовой обратной связью, а также инструментов для усовершенствованной и расширенной хирургии с минимальной инвазивностью.
Системы подзарядки от окружающей среды для имплантируемых микро-роботов.
Для получения биомиметрического управления процессами реабилитации: интеграция волевых "импульсов" при движении субъекта, при поддержке FES для улучшенного повторного обучения моторике, при управлении роботом.
Разработка применимых в условиях больницы методов для восстановления двигательной активности, которая выходит за пределы парадигмы обычно используемых статичных механизмов с ручной настройкой.
На низком TRL
Автоматизированное когнитивное понимание необходимых задач в действующем окружении. Бесшовное физическое объединение человек-робот для условий "обычной" окружающей среды на базе дополнительного управляющего интерфейса. Полноценная, не требующая настроек адаптивность к пациенту. Надежность выявления намерений.
Опубликовано: Архипов М.В., Головин В.Ф., Журавлев В.В. Мехатроника, автоматизация, управление, № 8, М., 2011, с. 42 – 50Обзор состояния робототехники в восстановительной медицине
1. Классификация медицинских роботов
Чтобы систематизировать известные и возможные робототехнические системы (РТС) в медицине предложен ряд классификаций . В качестве признаков классификации использованы следующие: инвазивность процедуры, безопасность, мобильность, эргономичность, контроль как управление или диагностика. Один из вариантов классификации, учитывающий последние достижения в медицинской робототехнике приведен на рис.1 . Основные три класса – это роботы для восстановительной медицины, роботы для жизнеобеспечения и роботы для хирургии, терапии и диагностики. Они представляют собой основные области медицинской робототехники, хотя эти классы и их подклассы не являются независимыми по указанным выше признакам. Далее в разделах 3 – 5 рассматриваются представители обозначенных в классификации подклассов восстановительной медицины.
Рис.1
2. Концепция разработки и внедрения роботов в восстановительной медицине для здоровых людей
Восстановительная медицина представляет систему медицинской деятельности, направленной на диагностику функциональных резервов, сохранение и восстановление здоровья человека посредством оздоровления и медицинской реабилитации. Под оздоровлением следует понимать комплекс профилактических мероприятий, направленных на восстановление сниженных функциональных резервов и адаптивных возможностей организма у практически здоровых лиц . Особенную роль профилактической медицины отмечал Нобелевский лауреат И.П. Павлов (рис.2). По его словам: “Профилактическая медицина достигает своих социальных целей только в случае перехода от медицины патологии к медицине здоровья здоровых”.
Рис.2
Понятие восстановительная медицина отличается по существу от понятия медицинская реабилитация, которая представляет комплекс диагностических и лечебно-профилактических мероприятий, направленных на восстановление или компенсацию нарушенных функций организма человека и трудоспособности у больных лиц и инвалидов.
Реабилитация – это закрепление лечебного эффекта в процессе выздоровления больного после болезни. В отличие от реабилитации, обеспечивающей восстановление здоровья у больного человека, восстановительная медицина направлена на воспроизводство утраченных резервов здоровья. Лечебно-оздоровительный арсенал восстановительной медицины обеспечивает человеку социально-творческую активность в своей профессии, то есть работоспособность в тех условиях, в которых протекает его профессиональная деятельность. Реабилитация по преимуществу сосредоточена на органной патологии, и соответственно её критериальный аппарат оценивает степень возвращения к норме. Методический инструментарий восстановительной медицины перенацеливается с поиска симптомов болезни на оценку резервных функциональных возможностей организма, именно к тем нагрузкам, условиям труда, в которых работает человек.
В основу концепции развития здравоохранения и медицинской науки в Российской Федерации на период до 2010 г. положена здоровьецентрическая модель системы здравоохранения, разработанная РНЦВМиК под руководством академика А.Н.Разумова (рис.3). Суть модели состоит в акценте на сохранение здоровья здорового человека а, следовательно, на восстановительную медицину .
Рис.3
В дальнейшем большинство исследований этой монографии будет связано с контингентом не только травмированных в военных действиях, на производстве, в спорте людей, больных детским церебральным параличом, постинсультных больных, но и людей здоровых, устающих от физической и умственной деятельности, снижающих свою работоспособность. Например, преподаватели и студенты университетов. Уместно сказать здесь о развивающейся в настоящее время системе интенсивного информатизированного обучения, которая для повышения эффективности обучения предполагает концентрацию усилий как обучающихся, так и преподавателей без ущерба их здоровья. Для них необходимой является рассматриваемая в монографии восстановительная медицина.
Восстановительная медицина включает ряд терапий, в том числе, немедикоментозные, одним из видов которых является механотерапия. Среди множества известных средств механотерапии наибольшими возможностями обладает робототехника.
О необходимости применения аппаратных средств оздоровительного массажа именно для здоровых людей писал в своей диссертации “Материалы к вопросу о действии массажа на здоровых людей” в 1882 г русский учёный Н.В. Заблудовский (рис.4). “Нельзя ли воспользоваться усовершенствованиями механики для устройства таких машин, которые заменили бы действия рук, или не будет ли даже действие машин предпочтительнее действия рук? Стоило бы изобрести машину, силу которой можно было бы в каждый момент определять в цифрах и вместо работы массёра, зависящей от субъективного мышечного чувства, иметь дело с работой, выраженной в цифрах. Другими словами – вместо того, чтобы количество целебного средства взять на глазок, взвешивать его на точных весах”.
Рис.4
В те времена это было фантастикой, и учёный лишь мечтал о возможности дозирования воздействий на аппаратных средствах будущего. В настоящее время мечты великого предсказателя могут быть реализованы при обращении к развитой адаптивной интеллектуальной робототехнике. Проблема для медицины, в первую очередь, состоит в развитии концепции Н.В. Заблудовского о новом подходе к физической культуре человека с участием не только волевых и пассивных движений, но и массажа. Массаж может иметь как функцию релаксации, так и мобилизации. В оптимальном объединении этих функций физическая культура сможет в большей степени способствовать сохранению и повышению запасов здоровья и повышению работоспособности в физическом и умственном труде.
Поэтому существом концепции разработки и внедрения роботов в ВМ для здоровых людей является использование адаптивных и интеллектуальных роботов в сочетании с другими видами терапий: аромо-, мело-, психотерапией для сохранения повышения запасов здоровья людей, повышения их работоспособности.
Конечно, робототехническая система является автоматизированным средством, лишь временно работая автоматически, подчиняясь человеку на уровне принятия сложных решений и являясь разумным, а не только физическим помощником.
В соответствии с классификацией, предложенной выше, проведен обзор состояния робототехники для восстановительной медицины по трём направлениям: манипуляции на суставах или движения конечностей в суставах; манипуляции на мягких тканях, т.е. разнообразный массаж; активные и биоуправляемые протезы.
3. Роботы для выполнения движений конечностей в суставах
Движения конечностей в суставах руками врача широко используются в спортивной, восстановительной медицине, в лечении и обучении пациентов с последствиями инсульта, детского церебрального паралича. Пассивные и активные движения конечностей в суставах часто выполняются вместе с массажем, в том числе, и в оздоровительных целях. Механотерапия заменяет руки врача руками манипулятора. Одни из первых работ, в которых был предложен манипуляционный шестиприводной робот для массажа и движения конечностей в суставах появились в 1997г. . Позднее появляются одноприводные роботы американской фирмы ”Biodex ”, швейцарской фирмы “Con -Trex ”и четырёхприводной робот швейцарской фирмы “Lokomat ” .
Робот швейцарской фирмы “Lokomat” является наиболее ярким представителем подкласса реабилитационных роботов для выполнения движений конечностей в бедренных, коленных и голеностопных суставах. Существует концепция нейропластичности, которая предполагает "постановку задачи специфического обучения" и заключается в том, что с помощью многократно повторяющихся тренировок можно улучшить повседневную двигательную активность у пациентов с неврологическими нарушениями. Роботизированная терапия на комплексе Lokomat отвечает вышеописанным требованиям и дает возможность проведения интенсивной локомоторной терапии с обратной связью. Общий вид комплекса представлен на рис. 5.
Рис. 5
Lokomat состоит из четырёх приводов для навязывания движений ходьбы и системы разгрузки веса пациента и беговой дорожки.
Пациенты,
находящиеся в инвалидном кресле, могут
быть без особого
труда переведены на
полотно беговой дорожки и закреплены
с помощью специальных фиксаторов.
Управляемые компьютером приводы
синхронизированы со скоростью беговой
дорожки. Они задают ногам пациента
траекторию движения, которая формирует
ходьбу, близкую к естественной.
Усиленная мотивация пациента осуществляется за счет управления нагрузкой с помощью биологической обратной связи при выводе текущего состояния на монитор (рис. 6).
Рис. 6
Для задач ортопедии (взрослая и детская), спортивной медицины, производственной реабилитации, профилактики и лечения остеоартритов известен робот американской фирмы “Biodex ”. Принцип действия основан на электронной динамометрии. Система обеспечивает быструю и точную диагностику, лечение и документирование нарушений, являющихся причиной функциональных расстройств мышц и суставов. Система позволяет проводить мобилизацию суставов в направлении сгибание / разгибание, отведение / приведение и ротация, что необходимо для полноценного восстановления их утраченных функций.
В комплектацию входит набор приспособлений для работы с тазобедренным, коленным, плечевым и локтевым суставами, а также с голеностопом и запястьем. Общий вид системы, работающей с верхними и нижними конечностями, представлен на рис. 7.
Рис. 7
Роботы для восстановления верхних и нижних конечностей были представлены на симпозиуме по медицинской робототехнике в Пенсильвании . На рис.8 слева: манипулятор GENTLE /s , разработка University of Reading , Великобритания; в центре: манипулятор ARMguide , разработка Rehabilitation Institute of Chicago ; справа: манипулятор Manipulandum , разработка Rehabilitation Institute of Chicago .
Рис.8 Манипуляторы для восстановления верхних конечностей
На рис.9 вверху слева: робот AutoAmbulator , разработка HealthSouth , США; вверху справа: тренажёр для ходьбы, разработка University of California , США); внизу слева: робот GaitMaster 2, разработка University of Tsukuba , Япония); внизу справа: робот для движений конечностей, а также для массажа, разработка Российской Академии Наук) подробно описанная ниже.
Рис.9 Роботы для восстановления суставов нижних конечностей
Воздействия с помощью рассмотренных выше роботов относят к механотерапии. Механотерапия - метод лечебной физкультуры, основанный на выполнении дозированных движений (преимущественно для отдельных сегментов конечностей), выполняемых с помощью специальных приспособлений. Механотерапия применяется в качестве восстановительного лечения при различных двигательных расстройствах, когда необходимо увеличить амплитуду движений в суставах и силу определенных мышечных групп. На некоторых аппаратах можно заниматься сразу после оперативного вмешательства. Выбор движений, выполняемых на механотерапевтических аппаратах, определяется характером ограничения движений и анатомическими особенностями сустава.
Роботы для выполнения манипуляций на мягких тканях (роботы для массажа)
История появления роботов в ВМ для массажа такова. В 1997 г. на втором форуме IARP по медицинской робототехнике была представлена только одна работа с использованием робототехники для восстановительной медицины – робот для массажа . В 2002 г. на сайте голландской фирмы появился робот для массажа Tickle - щекочущая букашка. В 2003 г. появился российский патент – робот для шлейф-массажа . В 2005 г. на сайте Силиконовой долины появилось сообщение об использовании робота Puma для массажа. За основу этого робота была взята идея, изложенная в российской работе . К сожалению, развитие этой разработки неизвестно. Перечисленные выше работы представляют большинство известных роботов для массажа, если не иметь ввиду многочисленных аппаратных средства для массажа.
Разнообразные аппаратные средства издавна применяются для облегчения труда массажиста, предупреждения профессиональных заболеваний кистей его рук. Простейшие из них: вибраторы, роллеры, насадки для акупунктуры и акупрессуры представляют средства механизации, которые перемещает массажист (рис. 10).
Рис.10. Аппаратные средства восстановительной медицины
Следует заметить, что робот может быть носителем упомянутых аппаратных средств.
Более сложными являются средства автоматизации, например, массажные кресла. Массажные кресла (рис.11) в качестве актуаторов имеют воздушные подушки с регулируемым давлением, ролики с управляемыми усилиями прижатия. Зоны воздействия массажа: шейно-плечевой отдел, спина, поясничный отдел, ягодицы, бёдра, голени, ступни. Виды массажа: разминающий, похлопывающий, поколачивающий, вибрационный, Шиатсу. С пульта управления можно установить желаемый уровень интенсивности массажа.
Рис.11
Пользуются популярностью полуавтоматические аппаратные средства массажа, частично разгружающие массажиста. На рис.12 показана рука производства американской фирмы Meilis, помогающая выполнять прижимные приёмы.
Рис.12
Робот голландской фирмы Tickle весьма прост по конструкции (рис. 13). В металлическом корпусе находятся два электромотора, аккумуляторная батарея и четыре датчика, позволяющих следить за наклоном поверхности, по которой передвигается робот-массажист. Движение осуществляется с помощью двух силиконовых "гусениц", покрытых выступами, создающими массажный эффект. Принцип движения робота напоминает принцип движения танка: каждый из моторов приводит в движение свою гусеницу. Воздействия робота – поглаживающие и щекочушие, вызывающие эффект релаксации.
Рис.13
Робот для шлейф-массажа выполняет плоскостное, непрерывное, прямолинейное поглаживание на больших поверхностях тела (спина, грудь, живот, конечности). Такого рода поверхностное поглаживание отличается особо нежными и легкими движениями, оказывающими успокоительное воздействие на нервную систему, вызывает мышечное расслабление и улучшение кровообращения. Конструкция робота представляет каретку с электродвигателем, перемещающеюся по траверсе вдоль тела пациента (рис.14). Траверса профилирована по рельефу задней поверхности номинального пациента и не может быть перепрограммирована. С каретки свешиваются поглаживающие щётки и прижимаются к пациенту упругими пластинками.
Рис.14
В 2007 году в Японии разработан
робот для массажа лица WAO-1 (Waseda Asahi Oral
Rehabilitation Robot 1). Робот (рис.15) оснащен двумя
50-сантиметровыми механическими руками,
которые массируют лицо пациента с обеих
сторон. Безопасность обеспечивается
силометрической ограничительной
системой, которая раздвигает руки робота
в стороны, стоит ему только приложить
слишком большое усилие.
Лицевой
массаж признан весьма эффективным
средством борьбы с сухостью во рту,
поскольку стимулирует дополнительное
слюноотделение, а также помогает
исправить нарушения ротовой структуры.
Рис. 15
Эффективность аппаратных средств массажа определяется адекватностью механического контакта с пациентом. Этот контакт осуществляется через инструмент аппаратного средства. Поэтому в техниках, воспроизводящих руки человека, инструмент должен имитировать контактные свойства человеческой руки: упругость, теплоту, влажность, фрикционные свойства (шероховатость, гладкость, скользкость), координационные возможности (многопальцевость, способность захватывать). В большей степени перечисленные свойства может обеспечить многосуставный манипуляционный робот.
В Московском Государственном Индустриальном Университете разработан робот для выполнения приёмов массажа и движения конечностей в суставах . Основой этого робота является промышленный робот РМ-01, манипуляционная рука которого антропоморфна по размерам и кинематике (рис.16). В контакте с телом робот развивает усилие до 60 Н. Необходимые усилия развиваются и контролируется за счёт позиционно – силовой системы управления, расширяющей возможности штатного робота.
Рис.16
Шестиприводной робот с указанными данными может выполнять множество известных манипуляций непосредственно на мягких тканях, т.е. разнообразный массаж, а также манипуляции на суставах в виде пассивных и активных движений конечностей, постизометрической релаксации в виде сочетаний нагружений и разгрузок мышц конечностей. На рис.17 робот выполняет выжимание длинных мышц спины девочки.
Рис.17
Активные биоуправляемые протезы верхних и нижних конечностей
Биопротезирование верхних и нижних конечностей, утраченных в результате травм или болезни опирается на более простые решения. Некоторые простейшие решения в какой-то степени лишь эстетически восстанавливают внешность конечностей, другие решения восстанавливают некоторые функции. На рис.18 приведена классификация протезов, в которой выделены классы активных и биоуправляемых протезов.
Рис.18
Разработанные на основе теории баллистических синергий , протезы нижних конечностей не являются активными и не используют биосигналы, но эффективно используют упругость пружин протезов.
В тяговых протезах верхних конечностей, вначале как пассивных, движения схвата кисти вызывались за счёт дополнительных движений сохранившейся части руки или за счёт движения туловища. Передающим звеном вначале были гибкие тяги, впоследствии появились активные тяговые протезы, в которых движения тяг воспроизводились встроенными двигателями.
Активными, но не биоуправляемыми, являются миотонические протезы, в которых управляющими сигналами являются усилия инвалида. Датчики в виде микровыключателей или тензоэлементов измеряют эти усилия и передают на исполнительные приводы кисти.
Рассмотренные способы протезирования без использования биосигналов имеют ряд недостатков. Управляющие тяги обременяют инвалида, затрудняют движения плечевого пояса, число управляющих команд так же, как при миотоническом управлении, ограничено (одна-две команды). Помехами для управления являются случайные внешние толчки в гильзу культи протеза. Тем не менее, простейшие протезы разработаны в виде модульных конструкций и выпускаются серийно .
Развитию биоуправляемых протезов способствовали достижения в области электрофизиологии, биомеханики, микроэлектроники, адаптивных систем управления с обратными связями.
В настоящее время известна немецкая фирма “Otto Bock ”, серийно выпускающая пассивные и активные протезы. На рис.19 приведен активный протез коленного сустава.
Рис.19
Наиболее значительные результаты по биопротезированию в 70-80-х годах в России известны по работам ЦНИИ ПП . В работах ЦНИИПП родилось принципиально новое направление в протезировании конечностей - создание протезов с биоэлект-рической системой управления или биоуправляемых протезов. Сущность нового принципа построения искусственных конеч-ностей состоит в том, что управление внешними источниками энергии, за счет которой работает протез, в своей основе по-добно естественной координации движений здорового человека.
В живом организме управляющие воздействия передаются мышцам посредством биоэлектрических импульсов, отража-ющих команды центральной нервной системы. Подобно этому в протезе руки с биоэлектрическим управлением роль команд-ных сигналов выполняют биотоки, отводимые от усеченных мышц культи. Механизмом, исполняющим команды, является искусственная кисть, снабженная малогабаритным электри-ческим приводом с автономным питанием.
По материалам симпозиума 2004 г. в Пенсильвании известны активные протезы и экзоскелетоны, приведенные на рис.20.
Рис.20 Активные протезы и экзоскелетоны
Одними из первых работ в области активных протезов и экзоскелетонов являются работы Миомира Вукобратовича . Под его руководством были разработаны экзоскелетоны, в одном варианте с электрическими, в другом с пневматическими приводами тазобедренного, коленного и голеностопного суставов для обеих ног пациента (рис.21). Экзоскелетон предназначался для усиления дистрофически слабых мышц нижних конечностей человека во время ходьбы.
Рис.21
Японская компания Matsushita разработала роботизированный костюм, который поможет реабилитации частично парализованных людей (рис.22). Когда человек, страдающий параличом на одну руку, делает движение здоровой рукой, парализованная рука делает то же самое движение, напрягая и сгибая компрессоры, которые играют роль мускулатуры. Повторяя движения здоровой руки, человек в роботизированном костюме может тренировать свою больную руку до восстановления нормального функционирования конечности.
Рис.22
Костюм весит 1,8 кг. Он был разработан совместно компанией
Были проведены испытания костюма в госпитале, и планируется поставить производство на коммерческую основу. Приблизительная цена костюма для использования в реабилитационных клиниках составит 17000 долл., для домашнего использования – около 2000 долл.
Другая токийская компания
Cyberdine разработала автоматизированный
костюм HAL
(Hybrid Assistive Limb) (рис. 23), который помогает
пожилым людям и людям с ограниченными
способностями ходить. Устройство с
датчиками будет доступно в Японии за
арендную плату, составляющую 2200$ в месяц.
22-фунтовая компьютерная система,
работающая от батареи, крепится к талии.
Она управляет приводами на скобах,
которые крепятся ремнями к бедрам и
коленям, и обеспечивают автоматизированную
помощь во время ходьбы.
Рис.23
Выводы
1. Судя по публикациям организаций- разработчиков и медицинских центров области применения медицинских роботов, в том числе для восстановительной медицины, расширяются и спрос на них увеличивается.
2. Медицинские роботы в сравнении другими аппаратными средствами имеют ряд преимуществ. Это – быстрая перепрограммируемость, высокая точность повторения движений, неутомимость, отсутствие субъективных факторов (добросовесность), дружественный интерфейс (психоэмоциональный контакт), партнёрство (для детей вовлечение в игры, в разнообразные движения, например, в утреннюю зарядку). Также адаптация к индивидуальным особенностям человека (позиционно-силовое управление), наличие интеллекта (накопление опыта, анализ, генерация программ), повышенная безопасность за счёт адаптации и интеллекта.
3. В сравнении с руками врача медицинские роботы сегодняшнего дня часто уступают в чувствительности и координации в сложных движениях.
4. Концепция разработки и внедрения роботов в ВМ для здоровых людей состоит в применении адаптивных и интеллектуальных роботов для сохранения и увеличения запасов здоровья населения, восстановлении работоспособности трудящихся.
5. При разработке и внедрении роботов в ВМ следует делать компромиссный выбор между многофункциональными роботами и экономичными специализированными с малым числом приводов.
6. Для разработанных аппаратных средств ВМ, включая роботы, манипулирующие на мягких тканях и суставах, активные и биоуправляемые протезы, эффективно используется тактильная и силометрическая информация, как для разомкнутых, так и для замкнутых силовых и позиционно-силовых систем управления.
7.Биоинформация используется непосредственно как управляющие сигналы, образует замкнутые системы или образует биологические обратные связи через зрение и нервную систему человека.
Список литературы
Головин В.Ф. Проблемы развития робототехники в восстановительной медицине. Труды конференции “Мехатроника”, СПб., 2008
Саврасов Г.В. Медицинская робототехника: состояние, проблемы и общие принципы проектирования. // Вестник МГТУ им. Баумана Н.Э. Спецвыпуск «Биомедицинская техника и технология, серия «Приборостроение», 1998
Разумов А.Н., Головин В.Ф. Массаж как культура повседневной жизни здоровых людей, Вестник оздоровительной медицины, М.: 2010, №6
Разумов А.Н., Здоровье здорового человека. - М. “Медицина”, 2007
Разумов А.Н., Пономаренко В.А., Пискунов В.А. Здоровье здорового человека. М.: Медицина, 1996
Дубровский В.И., Валеология. Здоровый образ жизни. – М.: Retorika- A, 2001.
Разумов А.Н., Покровский В.И. Здоровье здорового человека, научные основы восстановительной медицины, М.: РАМН РНЦ ВМК, 2007
Заблудовский В.И., диссертация “Материалы к вопросу о действии массажа на здоровых людей”- СПб.: 1882 г
Golovin V.F. Robot for massage. Proceedings of JARP 2nd Workshop on Medical Robotics Heidelberg, Germany, 1997
Biodex system 3. Manual, 20 Ramsay Road, Shirley, New York 11967-4704
Ковражкина Е.А., Румянцева Н.А., Старицын А.Н., Суворов А.Ю., Иванова Г.Е., Скворцова В.И. Роботизированные механотренажеры в восстановлении функции ходьбы у больных с инсультом. // М.: Расмирби, №1 (24) 2008, с. 11-16.
Assistive technologies. Proceedings IARP, Workshop on medical robotics. Hidden Valley, Pennsylvania, USA, 2004
Rehabilitation robotics, Proceedings IARP, Workshop on medical robotics. Hidden Valley, Pennsylvania, USA, 2004
Мансуров О.И., Мансуров И.Я. Способ аппаратного поверхностного массажа и реализующий этот способ робот для шлейф-массажа. Рос.патент №2005130736/14 от 05.10.2005
Jones, Kenny C., Du, Winncy, “Development a Massage Robot for Medical Therapy,” Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM’03), July 23-26, 2003, Kobe, Japan, pp. 1096-1101
Golovin V.F., Grib A.N. Mechatronic system for manual therapy and massage. Proc. 8-th Mehatronics Forum International Conference, University of Twente, Netherlands, 2002
Golovin V.F. Robot for massage and mobilization. Proceedings of workshop of AMETMAS-NoE, Moscow, Russia, 1998
Golovin V.F., Grib A.N. Computer assisted robot for massage and mobilization. Proc. “Computer Science and Information Technologies”, Conference Greece University of Patras, 2002
Головин В.Ф., Саморуков А.Е. Способ массажа и устройство для его осуществления. Рос. патент № 2145833, 1998
Головин В.Ф. Мехатронная система для манипуляции на мягких тканях. / Мехатроника, автоматизация, управление. – М.: 2002, №7
Питкин М.Р. Биомеханика построения протезов нижних конечностей.-СПб.: Изд-во “Человек и здоровье”, 2006.-131с.
Конструкции протезно-ортопедических изделий. Под ред. Кужекина А.П. М. “Лёгкая и пищевая промышленность”, 1984
Якобсон Я. С., Морейнис И. Ш., Кужекин А.П. Конструкции протезно-ортопедических изделий /Под редакцией А.П. Кужекина. М., : Лёгкая и пищевая промышленность, 1984
Вукобратович М. Шагающие и антропоморфные механизмы. Изд.-во “Мир”, М. 1976
Слайд 2
Медицинская робототехника
Для восстановительной медицины и реабилитации Роботы для жизнеобеспечения Роботы для диагностики, терапии, хирургии Активные биоуправляемые протезы, экзоскелетоны Массаж точечный и классический, кресла Активные и пассивные движения конечностей в суставах Малоинвазивные для диагностики и хирургии Рентгеновский облучатель наноробот Телеуправление через интернет Перекладка, транспортировка Подвоз лекарств Передача инструментов хирургу поводырь Сервис для пожилых Автоматическая комната
Слайд 3
Робот “Lokomat” для выполнения движений конечностей в бедренных, коленных и голеностопных суставах.
Слайд 4
активный протез коленного сустава Активные протезы и экзоскелетоны
Слайд 5
протезы активные пассивные простейшие тяговые Миотонические биоэлектрические Без обратных связей С обратными связями тяговые
Слайд 6
робот Unimate Puma 560 Первый хирургический робот UnimatePuma 560 был создан в конце 1980-х в Америке. Этот робот, по сути, являлся большой рукой с двумя когтистыми отростками, которые могли врфащаться друг относительно друга. Амплитуда движений - 36 дюймов. Робот имел довольно ограниченный спектр движений, использовался в нейрохирургии для удерживания инструментов при проведении стереотаксической биопсии.
Слайд 7
В 1998 году появился активный робот ZEUS, предназначенный для дистанционной эндоскопической хирургии. Параллельно с ZEUS создавалась другая аналогичная система, получившая название DA VINCI. ZEUS
Слайд 8
HEXAPOD
Слайд 9
Робот по названием «Да Винчи»
Слайд 10
Робот Да Винчи - это прогрессивный хирургический робот, наиболее распространённый в мире. Робот приводится в движение врачом - хирургом и оснащён четырьмя "руками" - одна рука производит съёмку и три руки оперируют - эти руки обладают максимальной степенью свободы и подвижностью, лучшими, чем рука человека. Эти руки вводятся в операционное пространство на теле через тончайшие разрезы и обеспечивают врачу - хирургу не только дополнительные руки для оперирования, но и более совершенную свободу движений по сравнению с обычной операцией. Врач - хирург управляет операцией со своего пульта управления, находящегося около оперируемого пациента и с которого он приводит в движение оперирующие руки и управляет всем, что происходит в операционной.
Слайд 11
Преимущества использования данного прибора Робот обеспечивает хирургу максимальную степень свободы и более хорошую подвижность и, тем самым, даёт ему возможность осуществлять движения, которые человеческая рука не способна выполнять. Рука робота более крепкая и устойчивая, чем человеческая рука Изображение, которое передаёт камера хирургу - это увеличенное трёхмерное изображение, которое облегчает определение местоположения повреждения и его лечение Хирургическое вмешательство является менее инвазивным, чем при обычной операции, так как разрезы на брюшной стенке значительно меньше, чем разрезы при обычной операции Процесс восстановления более быстрый и количество дней пребывания в стационаре меньше Кровотечение из прооперированного участка минимальное и ранний послеоперационный период особенно короток
Слайд 12
Выполняемые операции * Восстановление митрального клапана * Реваскуляризация миокарда * Абляция тканей сердца * Установка эпикардиального электронного стимулятора сердца для бивентрикулярной ресинхронизации * Желудочное шунтирование * Фундопликация по Nissen * Гистерэктомия и миомэктомия * Операции на позвоночнике, замена дисков * Тимэктомия - операция по удалению вилочковой железы * Лобэктомия легкого * Эзофагоэктомия * Резекция опухоли средостения * Радикальная простатэктомия * Пиелопластика * Удаление мочевого пузыря * Радикальная нефрэктомия и резекция почки * Реимплантация мочеточника
Слайд 13
Посмотреть все слайды