Врачи делают из людей роботов. Семь самых перспективных медицинских роботов. Экзоскелет для мозга MAHI-EXO II
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
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.
". 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.
Робототехника сегодня завоевывает разнообразные области, в которых, казалось бы, всегда будут трудиться люди. Одна из этих областей – медицина. Сегодня роботы делают сложные операции или заменяют органы, жизненно важные для человека. Итак, представляем вам 10 медицинских роботов.
Cue
Биолог Аюб Кхаттак и дизайнер Клинт Север создали устройство, которое должно помочь людям, чувствующим недомогание. Аппарат Cue, анализирующий состояние здоровье своего пользователя, обладает компактными габаритами, что упрощает его повседневное использование. На данный момент Cue показывает уровень витамина D, тестостерона, а также умеет определять способность человека к воспроизводству. Кроме того, аппарат выявляет у своего хозяина наличие таких заболеваний, как ВИЧ и грипп. Для того, чтобы провести анализ, в специальный картридж необходимо поместить образец слюны, крови или слизистой оболочки пользователя. Анализ производится в течение нескольких минут.
Ubot-5
В Массачусетском университете был создан робот, помогающий людям пережить последствия инсульта. Так, в 2013 году Ubot-5 помог восстановиться 72-летнему мужчине, имеющему проблемы с сердцем. Робот умеет оценивать состояние речи больного, а также делать пациенту физиотерапию. По итогам роботы Ubot-5 с больным был выявлен положительный эффект как в области движения, так и в области речи больного.
Argus II
Компанией Second Sight разработала устройство, которое способно частично восстановить зрение незрячим. Вначале необходимо имплантировать специальную матрицу электродов. Кроме того, необходимы солнечные очки с миниатюрной видеокамерой. Изображение, которое попадает в объектив этой видеокамеры, передается к визуальному процессору, который находится на поясе пользователя. Далее визуальный процессор посылает данные изображения на очки в виде 60-пиксельных черно-белых изображений, которые, в свою очередь, передаются на упомянутые выше матрицы. Электроды этих матриц воздействует на фоторецепторы и клетки, передающие сигналы от фоторецепторов в зрительный нерв. Безусловно, Argus II передает пользователю изображения в виде довольно грубых форм, однако данное устройство помогает незрячим ориентироваться в пространстве.
Lightbot
Конструкторы из японской компании NSK создали робота-поводыря Lightbot, способного помогать незрячим людям, а также людям, имеющим проблемы с передвижением. Ориентируется Lightbot в окружающем мире, используя трехмерный датчик. Робот умеет распозновать препятствие, передвигается по лестнице как вверх, так и вниз. Благодаря колесам Lightbot умеет не только шагать, но и ездить. Кстати, скорость движения робота зависит от скорости движения использующего его человека.
Robocast
Ученые из Великобритании, Германии, Италии и Израиля создали робототехническую систему Robocast, призванную помочь нейрохирургам. Основная задача этой системы – помочь во время операций по трепанации мозга. Как известно, данная операция является крайне опасной и трудоёмкой: ошибка на миллиметр может привести к необратимым повреждением головного мозга. Robocast обладает системой «мозг – компьютер», которая включает в себя автоматический планировщик траектории инструмента, управляющий механизм с обратной связью, набор датчиков операционного поля, микроконтроллеры и двух роботов. Таким образом, большой робот контролирует своего маленького коллегу, размещает его в необходимом месте и координирует его в нужном направлении. Маленький робот необходим для внедрения хирургического инструмента в мозг пациента. Кроме того, Robocast всегда можно перевести на ручное управление.
Veebot
Обычный врач далеко не всегда попадает в вену с первого раза. Поэтому для забора крови компания Mountain View был создан робот Veebot. Робот определяет место нахождения вены в руке пациента, используя камеру, специальное программное обеспечение и инфракрасную подсветку, а также Weebot исследует вену при помощи ультразвука. Таким образом робот определяет, что толщина вены достаточна для прокола.
7 Finger Robot
Ученые из Массачусетского института технологий создали специальное устройство, увеличивающее количество пальцев на руке до семи. В первую очередь, дополнительные пальцы предназначены для людей, которым приходится пользоваться лишь одной рукой. Движениями механических пальцев управляют биологические пальцы пользователя. Другими словами, дополнительные пальцы копируют те движения, которые делают человек (например, захватывающее движение). Также, благодаря своим сервомоторам, дополнительные пальцы способны развивать силу, равную силе обычных пальцев.
Робот-сиделка VGo
Американской компанией Vgo Communication был создан робот-сиделка для больных, прошедший тестирование в одной из бостонских детских больниц. Основные задачи робота VGo заключаются в том, чтобы помочь в восстановлении больным, а также обеспечить им связь с внешним миром. Например, благодаря роботу VGo, дети, проходящие лечение в больнице, могут дистанционно посещать школу. Кроме того, робот позволяет администрации больницы контролировать деятельность своих подчиненных. Рост VGo составляет 164 сантиметров, передвигается он на четырех колесах. Ещё VGo может делать анализ крови пациентов.
Amigo
Ученые Лестерского университета (Великобритания) сконструировали медицинского робота Amigo, задачей которого является лечение аритмии сердца. Робот может помочь врачам вводить катетер к поврежденным участкам сердца. Amigo также способен подать больному стакан воды. Робот подключен к единой сети, в которой объединены разнообразные роботы по всему миру. Цель данной сети состоит в объединении информации о возможностях роботов, а также в создании программного обеспечения и навигационных карт, что должно сделать этих роботов доступнее в использовании.
Jukusui-Kun
Доктор Кабе, работающий в лаборатории японского университета Waseda, создал робота-подушку под названием Jukusui-Kun. Подушка выглядит как мягкая игрушка-медведь. Основные пользователи Jukusui-Kun – люди, страдающие синдромом апноэ сна. Во время сна такие люди испытывают трудности с дыханием – их мучает хронический храп. К робоподушке прилагаются беспроводной датчик, который подкладывается под простынь, беспроводной датчик, который прикрепляется к пальцу пациента, а также микрофон. Подушка анализирует состояние пользователя во время сна, уровень шума, движения спящего, а также количество кислорода в крови. На движения спящего Jakusui-Kun реагирует поглаживанием, после чего человек принимает позу, наиболее благоприятную для сна.
Все больше людей в мире опасаются, что рано или поздно их должность будет упразднена, а выполнять работу за них будут роботы. Грозит ли такая перспектива врачам? В ближайшем будущем - вряд ли. Несмотря на то что механические помощники не испытывают эмоций и не устают, их реакции в сложных ситуациях сильно уступают человеческим. А врач - именно та профессия, где нужно принимать ответственные решения в условиях неопределенности: слишком индивидуален каждый организм, слишком много всего может пойти не так.
Поэтому полноценный робот-врач - все еще фантастика. Что, однако, совершенно не мешает медикам и ученым, ведущим исследования в околомедицинских сферах, использовать роботов в хвост и в гриву.
Несомненно, если мы говорим о роботах в медицине, первым делом следует упомянуть систему da Vinci. Эти роботы были в числе пионеров автоматизированной хирургии, их прототип был разработан еще в конце 1980-х годов.
Da Vinci - одновременно и хирург, и ассистент. Врач-оператор управляет манипуляторами машины, наблюдая за ее действиями через специальную камеру. Такие операции чрезвычайно дороги - сам по себе робот стоит немало, и расходники для него тоже недешевы, зато он обладает высочайшей точностью, и опытный хирург-оператор способен творить с его помощью чудеса.
В России системы da Vinci используются с 2007 года - например, такой робот есть в новосибирской клинике им. Мешалкина, - но большого распространения они не получили (как легко догадаться, из-за цены). Весной 2017 года российские ученые заявили , что смогли сконструировать аналогичного робота, который даже лучше оригинала, но и эта разработка требует гигантских финансовых вливаний - хотя бы для того, чтобы поставить ее производство на коммерческую основу.
Робот-хирург da Vinci полностью контролируется оператором, но теперь появились более самостоятельные аналоги. Пожалуй, пиком робосамостоятельности можно назвать недавний случай в Китае - там механический стоматолог провел часовую операцию по установке двух имплантатов полностью в одиночку, врачи-люди только наблюдали, не вмешиваясь. Погрешность при установке была минимальной. Хотя интересно, как себя при этом чувствовала пациентка? Все-таки иногда человеческий фактор - скорее плюс, чем минус.
Впрочем, за квалификацию китайских роботов переживать не приходится - осенью разработанный тамошними мастерами робот с искусственным интеллектом сдал экзамен на врача и набрал при этом, кстати, на 96 баллов больше, чем требовалось для прохождения (456 при норме 350).
Собеседник и строитель
Функции у роботов могут быть самыми разнообразными. Скажем, есть робот-психотерапевт , который общается с пациентами в чате, используя технологии машинного обучения. Он весьма востребован - более двух миллионов консультаций в неделю. Возможно, это связано с тем, что людям неприятно, что специалист может как-то оценивать их поведение, а с роботом такой ситуации не возникнет никогда.
Есть робот-наностроитель - он умеет строить «домики» из молекул. Может быть, это звучит глуповато, но на самом деле у этой крохотульки (их нужно выстроить миллион друг на друге, чтобы эта башня достигла миллиметровой высоты) огромнейшее будущее. Скажем, она может по молекулярной формуле построить нужное лекарство - да вообще что угодно может построить. Он пока еще только появился и на поток производство таких устройств еще не поставлено, но вполне вероятно, что когда-нибудь их будут использовать повсеместно. Управляются они, если что, не кнопками, а химическими сигналами.
Еще один недавно представленный робот - механизм , который помогает сокращаться не всему сердцу, а только его половине. Часто сердечная недостаточность затрагивает только часть сердца, и зачем тогда тратить лишние ресурсы на здоровую часть? В таких случаях вполне может пригодиться специальный механизм - он похож на букву Э, где полуокружность «обнимает» пострадавшую от болезни часть и помогает ей биться, а средняя палочка выступает якорем, чтобы робот никуда не уполз.
К слову, о ползании - роботы совсем необязательно технически сложны. На днях опубликовали данные исследования , в котором использовался роботизированный макет младенца из фольги. Ученые с его помощью проверяли, как много аллергенов и прочей дряни вдыхает ребенок, ползая по ковру, по сравнению с взрослым, который гуляет по тому же ковру ногами. Результаты исследования, честно говоря, лучше не знать.
Вообще о роботах в медицине можно рассказывать бесконечно, и пока говоришь об одном - изобретают другого, третьего, пятого. Все эти роботы в конечном итоге приносят пользу пациентам - непосредственную или косвенную. С помощью разнообразных устройств врачи получают все больше и больше возможностей, но без человека эти роботы бесполезны, так что вряд ли нас ожидает судьба планеты Шелезяки.
Ксения Якушина
Фото istockphoto.com
