Клинические роботы

Клинические роботы предназначены для решения трех главных задач: диагностики заболеваний, терапевтического и хирургического лечения.

Ряд существующих диагностических систем с изображением на экране исследуемой области (например томографический прибор, управляемый от ЭВМ), уже использует элементы мехатроники и робототехники. Предполагается, что массовое появление медицинских приборов различного назначения, управляемых ЭВМ, окажет сильное влияние на врачебную практику.

В Японии запатентован микроманипулятор, предназначенный для проведения медицинских и биологических исследований на клеточном уровне, позволяющий измерять электрическое сопротивление клетки, делать микроинъекции в клетку медицинских препаратов и ферментов, менять конструкцию клетки и извлекать ее содержимое.

Другой областью применения роботов является радиотерапия, где они используются в целях понижения уровня радиационной опасности для медицинского персонала. Использование роботов считается наиболее целесообразным при проведении замены нескольких дорогостоящих стационарных радиоактивных источников во многолучевых установках. Разработка манипуляторов для радиотерапевтических отделений находится в экспериментальной фазе. На этой же фазе находятся работы по созданию робота – массажера.

Существует ряд сложных хирургических операций, выполнение которых сдерживается отсутствием опытных хирургов, поскольку такие операции требуют высокой точности исполнения. Например, в микрохирургии глаза существует такая операция, как радиальные разрезы роговой оболочки (radial keratotomy), с помощью которой можно корректировать фокусное расстояние глаза при устранения близорукости. Идеальная глубина надреза оболочки глаза должна не превышать 20 мкм. Опытный хирург при проведении этой операции может выполнять надрезы на глубину 100 мкм. В Канаде разрабатывается медицинский робототехнический комплекс, способный делать высокоточные надрезы на глазной роговице и обеспечивать нужную кривизну глаза. Другим примером исполнения хирургических операций высокой точности является микронейрохирургия. В Великобритании уже разработан медицинский робот для микрохирургии мозга.

Созданный в США медицинский робот с манипулятором «Пума» продемонстрировал возможность извлечения кусочка ткани головного мозга для проведения биопсии. С помощью специального сканирующего устройства с трёхмерной системой отображения информации определялись место и скорость ввода двухмиллиметрового сверла для забора образцов мозговой ткани.

Во Франции разрабатывается медицинский робот – ассистент для оказания помощи при проведении хирургических операций на позвоночнике, когда любая ошибка хирурга может привести к полной парализации пациента. В Японии созданный медицинский робот продемонстрировал возможность трансплантации роговицы глаза, взятой у мертвого донора.

К достоинствам медицинских роботов относится их способность воспроизводить требуемую последовательность сложных движений исполнительных инструментов. В Великобритании продемонстрирован медицинский робот – тренажер для обучения врачей и моделирования процессов хирургических операций на простате, в ходе которых производится серия сложных надрезов в различных направлениях, последовательность исполнения которых трудна для запоминания и выполнения.

В США запатентована роботизированная система для помощи хирургу при выполнении операций на костях. Данная система применяется в ортопедических операциях, при которых важнейшим является точное позиционирование инструмента относительно коленного сустава. Роботизированная система состоит из операционного стола, неподвижного устройства, робота, контроллера и супервизора. Пациент размещен так, чтобы бедро было неподвижно закреплено внутри устройства. Другое бедро пациента закреплено к операционному столу ремнями.

Основание робота прочно закрепляется на операционном столе. Инструмент устанавливается на роботе, манипулятор которого может перемещаться имея 6 степеней подвижности. Манипулятор содержит позиционно – сенсорное устройство для выработки сигналов, указывающих положение манипулятора относительно координатной системы. В составе робота используется серийный манипулятор PUMA 200, который благодаря своей относительной простоте легко адаптируется к хирургическим операциям. Контроллер отслеживает все все движения робота и передает их на супервизор. Команды на перемещения и управление вспомогательными операциями, вырабатываемые контроллером, передаются роботу сигналами позиционирования, поступающими по соединительным кабелям.

Существует несколько способов управления движением робота. При изготовлении робот оснащается дополнительным устройством с учебной программой. Устройство для обучения представляет собой прибор с полуавтоматическим управлением маневрированием робота. Маневрирование состоит из серии отдельных шагов – перемещений. Контроллер записывает эти шаги так, чтобы робот мог затем сам повторить их. Для управления роботом могут применяться речевые команды или другой тип управления. Робот может перемещаться и пассивным образом, для чего в манипуляторе предусмотрено ручное управление движением.

Супервизор, так же как и контроллер, обеспечивается управляющими командами и программами на языке VAL – 11. При работе с супервизором все команды на движение проходят через контроллер. Перед дисплеем устанавливается специальный экран, известный под торговой маркой «Touch window» (TSW), который используется в качестве прибора для ввода команд в процессе операции. Все изменения на кости отображаются на экране монитора. В операционной этот экран покрывается стерильной пленкой, что позволяет хирургу непосредственно управлять хирургическим операционным процессом. Программы операций базируются на геометрических соотношениях между параметрами протеза, параметрами костных разрезов и осями сверления отверстий. Робот будет перемещать инструмент по определенным позициям в соответствующих плоскостях. Началом системы координат будет некоторая фиксированная точка на опорной поверхности.

В последние годы в области автоматизации хирургических процессов появились сообщения о попытках создания роботизированных систем для дистанционной хирургии с помощью телевизионных установок, когда хирург и пациент разделены большими расстояниями.

К числу наиболее актуальных задач относится диагностика и хирургия сосудистых заболеваний. В Японии, Италии, России ведутся работы по созданию мобильных микророботов, предназначенных для разрушения атеросклеротических отложений в кровеносных сосудах. Предполагается, что мобильные микророботы будут работать в автоматическом режиме, перемещаясь по анатомическому руслу кровеносной системы.

В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана ведутся работы по созданию роботизированной системы, позволяющей решать эти задачи. Система включает артериальный носитель – микроробот, способный перемещаться по кровеносному руслу и оснащенному ультразвуковым микродатчиком, а также необходимым рабочим инструментом. Функциональная схема этой системы приведена на рис.2. Хирург – оператор, получая информацию о состоянии сосуда, имеет возможность с помощью микроробота осуществлять процедуры как медикаментозного, так и хирургического характера.

В Канаде проводятся экспериментальные исследования телеоператора – робота для лапароскопических операций. Новая медицинская технология основана на применении миниатюрной камеры и специальных инструментов, вводимых через брюшную стенку. Видеоизображение передается на монитор, и ассистент координирует движения оперирующей группы в заданном направлении. Положение миниатюрной видеокамеры в брюшной полости координируется с помощью манипулятора, управляемого хирургом.

Рисунок 2. Функциональная схема робототехнической системы для внутрисосудистой диагностики и хирургии

Отметим, что клинические робототехнические системы являются эргатическими т.е. функционируют при участии оператора. Высокий уровень технологий позволяет существенно расширить возможности оперативного вмешательства. Примером может служить дистанционно управляемая манипуляционная система для проведения операций на сердце. В последнем случае хирург получает возможность проводить операции с разрешением, в 2-3 раза меньшим, чем позволяет его рука при непосредственной работе с инструментом. Следует подчеркнуть, что подобного рода операции возможны только при достаточно высоком уровне информационных технологий, использовании активного интерфейса и экспертных систем, обеспечивающих диалог хирурга с робототехнической системой на протяжении всей операции, контролирующих его действия и предотвращающих возможные ошибки. Наряду с непосредственным управлением движением мини – манипуляторами и микророботами с помощью органов ручного управления хирург имеет возможность использовать речевые команды для управления как рабочим инструментом, так и средствами информационного обеспечения. Таким образом, использование клинических робототехнических систем позволяет не только отказаться в ряде случаев от традиционных медицинских технологий, но и существенно облегчить условия труда хирурга и врача – диагноста.

Заключение.

Из вышеизложенного следует, что медицинская мехатроника находится в состоянии быстрого подъема, темпы которого значительно выше, чем в традиционных областях мехатроники. Вместе с тем необходимо упомянуть и о факторах, сдерживающих применение мехатронных устройств в медицинской практике, которые справедливы не только для России, но и для всех развитых стран. Важнейшим среди них является психологический фактор, связанный с дегуманизацией медицинского обслуживания и проявляющийся не только со стороны пациентов, но и со стороны медицинского персонала. Этот фактор вызывает отторжение идеи применения мехатроники для столь деликатной сферы, как организм человека. Его преодоление требует отношения к мехатронике, в первую очередь, как к средству, инструменту медицинской практики врача, хирурга. Необходимо обратить внимание на обеспечение надежности мехатронных систем и их безопасность для пациента.

Другим сдерживающим фактором является разобщенность и неполное взаимное понимание специалистов в области техники и медицины. Это обстоятельство требует подготовки специалистов нового типа, владеющих не только инженерными знаниями, но и хорошо знакомыми с особенностями медицинских технологий. Необходимо обратить внимание на тот факт, что в настоящее время еще не сложилась в полной мере биотехническая методология, предусматривающая системный подход к проектированию мехатроных медицинских систем.

Наиболее трудноразрешимая задача, возникающая при проектировании медицинских мехатронных систем, заключается в согласовании между собой отдельных элементов системы. При этом можно выделить следующие условия совместимости:

1. биофизическая совместимость характеристик биологического объекта и технических элементов мехатронной системы;

2. информационная совместимость мехатронной системы и оператора системы;

3. эргономическая совместимость мехатронной системы по отношению как к оператору, так и к пациенту;

4. психологическая совместимость технической части системы с оператором и пациентом.

Соблюдение этих условий позволит уже в ближайшее время преодолеть факторы, сдерживающие широкое применение мехатронных систем в медицинской практике.

Дата добавления: 2014-01-06