ООО «ОЛМЕ» Санкт-Петербург., к.м.н. Вагин А.А.

Развитие робототехники в восстановительной медицине, реабилитация обездвиженных больных - проблемы и решения.

Конкуренцию на сегодняшний день определяет не обладание большими ресурсами или потенциалом производства, а объем знаний накопленный предыдущими поколениями, способность его структурировать, им управлять и персонально использовать.
Одной из важных задач Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) является внедрение в клиническую медицину перспективных ИИТ с методами и средствами ИИ для совместного информационного взаимодействия и использования.

Современная концепция интеллектуальных информационных систем предполагает объединение электронных записей о больных (electronic patient records) с архивами медицинских изображений, данными мониторинга с медицинских приборов, результатами работы визированных лабораторий и следящих систем, наличие современных средств обмена информацией (электронной внутрибольничной почты, Internet, видеоконференций и т.д.) .

В настоящее время активное становление и интенсивное развитие получило перспективное профилактическое направление в виде восстановительной медицины, сложившееся на основе принципов санологии и валеологии. Высокая заболеваемость и смертность, неуклонное снижение качества жизни, отрицательный прирост народонаселения способствовали разработке и внедрению в практическую медицину самостоятельного профилактического направления.

Однако, существующие на сегодняшний день экономические, социальные, правовые, медицинские учреждения выполняют функции в основном по лечению и реабилитации инвалидов, вопросами предупреждения и реабилитационного лечения болезни занимаются недостаточно. Экономическая и социальная ситуация в нашей стране способствует появлению чувства страха и напряженности при наличии травмы или болезни у человека, является источником психосоциальных проблем.

Необходимость активного сохранения здоровья в условиях инфраструктуры медицинских организаций определяется стремлением вывести медицину на новый виток развития. Однако дальнейшее реформирование ее затруднено не только из-за недостаточного финансирования данной отрасли, но и четких единых нормативов и методик планирования, ценообразования, тарификации медицинских услуг, а также распределением ответственности между органами исполнительной власти и ее субъектов за выполнением определенных объемов медицинской помощи.

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в медицинской робототехнике. Сегодня несколько тысяч операций на предстательной железе выполняются при помощи медицинских роботов с минимально возможной травматичностью для пациентов. Медицинские роботы позволяют обеспечить минимальную травматичность хирургических операций, более быстрое восстановление пациентов, минимальный риск инфекции и побочных эффектов. Хотя число медицинских процедур, которые выполняют роботы еще сравнительно невелико, следующее поколение робототехники сможет предоставить хирургам более широкие возможности для визуализации операционного поля, обратной связи с хирургическим инструментом и окажет огромное влияние на прогресс в хирургии.

По мере старения населения, число людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, инсультами и другими заболеваниями продолжает расти. После перенесенного инфаркта, инсульта, позвоночно-спинальной травмы очень важно, чтобы пациент, насколько это возможно, регулярно занимался физическими упражнениями.

К сожалению, пациент обычно вынужден заниматься физической терапией в лечебном учреждении, что зачастую невозможно. Следующее поколение медицинских роботов поможет пациентам выполнять хотя бы часть необходимых физических упражнений в домашних условиях.
Робототехника также начинает использоваться в здравоохранении для ранней диагностики аутизмы,
тренировки памяти у людей с особенностями психического развития.

Развитие робототехники в других странах.

Европейская комиссия недавно приступила к осуществлению программы развития робототехники, в которую вложило 600 млн. евро чтобы укрепить обрабатывающую промышленность и сферу услуг. Корея планирует вложить 1 млрд. долларов США в развитие робототехники в течение 10-ти лет. Подобные, но меньшие программы существуют в Австралии, Сингапуре и Китае. В Соединенных Штатах, финансирование исследований и разработок в области робототехники осуществляется, в основном, в оборонной промышленности, в частности, для беспилотных систем. Но существует и программы развития робототехники в области здравоохранения и услуг. Несмотря на то, что промышленные отрасли робототехники родился в США, мировое лидерство в этой области в настоящее время принадлежит Японии и Европе. И не очень понятно, как США смогут сохранить их лидирующие позиции в течение длительного времени без национальной приверженности развития и внедрения технологий робототехники .

Существующие структурные подразделения осуществляют этапность реабилитационных мероприятий по принципу: стационар – стационарно-курортное лечение – поликлиника. На I этапе стационарной помощи больному устраняются и предупреждаются осложнения острого заболевания, осуществляется стабилизация процесса, проводится физическая и психическая адаптация.

Санаторно-курортный этап (II) – это промежуточное звено между стационаром и поликлиникой, где при относительной стабилизации клинико-лабораторных показателей, проводится медицинская реабилитация больных на основе использования целебных природных факторов. Ш этап – это поликлиника, основное назначение которой на современном уровне амбулаторно-поликлинической помощи выявить компенсаторные возможности организма, их развитие в разумных пределах, а также осуществить комплекс мероприятий, направленных на борьбу с факторами риска сопутствующих осложнений и ухудшений заболеваний. Однако, эта система помощи на практике не всегда осуществима.

Основная трудность – значительные экономические и финансовые затраты на госпитализацию больных, особенно с пограничной стадией заболевания, высокая стоимость санаторно-курортного лечения, недостаточная оснащенность поликлиник современными методами обследования и лечения.

В настоящее время существует несколько международных стандартов регистрации клинических данных в МИС лечебных учреждений:

• SNOMED International (College of American Pathologists, США);
• Unified medical language system (National Medical Library, США);
• Read clinical codes (Центр по кодированию и классификации национальной системы здравоохранения, Великобритания) .

В последние годы в США большинство крупных медицинских центров уже не работают без информационных систем (ИС), на которые приходится более 10% расходов больниц .
В здравоохранении США объем расходов на информационные технологии составляет примерно 20 млрд. долларов в год. Особый интерес вызывают медицинские системы, которые непосредственно помогают врачу увеличить эффективность работы и повысить качество лечения больных .

Проведенные исследования за последние пять лет дали возможность более полно понять процессы происходящие при травме спинного мозга и ее последствиях, а также принципах воздействия на негативные моменты происходящие в зоне повреждения. Такое пристальное внимание именно к этой категории пациентов объяснимо тяжестью последствий возникающих в процессе травмы и последующего дальнейшего развития травматической болезни спинного мозга.

Морфологическое изучение травмированного спинного мозга (СМ) указывает на то, что повреждение тканей не ограничивается областью воздействия разрушающей силы, а, захватывая первично интактные участки, приводит к образованию более обширного повреждения. При этом в процесс вовлекаются структуры головного мозга, а также периферической и вегетативной нервной систем. Установлено, что сенсорные системы изменяются гораздо глубже, чем моторные .

Современная концепция патогенеза травматического повреждения СМ рассматривает два основных взаимосвязанных механизма гибели клеток: некроз и апоптоз.
С некрозом связывают непосредственное первичное повреждение мозговой ткани в момент приложения травматической силы (контузия или сдавление паренхимы мозга, дисциркулляторные сосудистые расстройства). Некротический очаг впоследствии эволюционирует в глиально-соединительнотканный рубец, вблизи которого в дистальном и проксимальном отделах СМ образуются мелкие полости, образующие посттравматические кисты различного размера .

Апоптоз является механизм отсроченного (вторичного) повреждения клеток, представляющего собой их физиологическую гибель, необходимую в норме для обновления и дифференцировки тканей . Развитие апоптоза при травме СМ связано с воздействием на геном клетки возбуждающих аминокислот (глутамат), ионов Са2+, медиаторов воспаления, ишемии и пр. .
Первоначально наблюдается апоптоз нейронов вблизи от некротического очага (пик гибели - 4-8 часов). Затем развивается апоптоз микро- и олигодендроглии (пик гибели – третьи сутки). Следующий пик глиального апоптоза наблюдается через 7-14 суток на отдалении от места травмы и сопровождается гибелью олигодендроцитов.
Вторичные патологические изменения включают петехиальные кровоизлияния и геморрагический некроз, свободнорадикальное окисление липидов, увеличение протеазной активности, воспалительный нейронофагоцитоз и тканевую ишемию с дальнейшим высвобождением ионов Са2+, возбуждающих аминокислот, кининов, серотонина. Всё это в конечном итоге проявляется распространенной восходящей и нисходящей дегенерацией и демиелинизацией нервных проводников, гибелью части аксонов и глии.

Расстройства в деятельности ряда органов и систем, непосредственно не пострадавших при травме, создают новые многообразные патологические ситуации. В денервированных тканях повышается чувствительность к биологически активным веществам (ацетилхолину, адреналину и т. д.), возрастает возбудимость рецептивных полей, снижается порог мембранного потенциала, уменьшается содержание АТФ, гликогена, креатинфосфата. В паретичных мышцах нарушаются липидный и углеводный обмен, что влияет на их механические свойства - растяжимость и сократимость, способствует ригидности.

Расстройство минерального обмена приводит к формированию параоссальных и периартикулярных осификатов, осифицирующего миозита, остеопороза.
Все это может стать причиной новых осложнений: пролежней, трофических язв, остеомиелита, суставно-мышечных контрактур, анкилозов, патологических переломов, костных деформаций - в опорно-двигательном аппарате; камнеобразования, рефлюкса, воспаления, почечной недостаточности - в мочевыводящей системе. Складываются связи, носящие разрушительный характер. Возникает угнетение и функциональное выпадение ряда систем, непосредственно в травме не пострадавших. Под действием непрерывного потока афферентной импульсации активные нервные структуры впадают в состояние парабиоза и становятся невосприимчивыми к специфическим импульсам.

Параллельно формируется и другая динамическая линия - восстановительно-приспособительных функциональных изменений. В условиях глубокой патологии происходит оптимально возможная перестройка механизмов обеспечения адаптации к среде. Организм переходит на новый уровень гомеостаза. В этих условиях гиперреактивности и напряжения формируется травматическая болезнь спинного мозга (ТБСМ) .
С целью проверки предположения о существовании способов предупреждения формирования рубцовой ткани в зоне травмы спинного мозга, до прорастания через нее аксонов нейронов (рабочая гипотеза), Вагиным Александром Анатольевичем была проведена экспериментальная работа на крысах породы «Вистар». Для постановки экспериментов отбирали хорошо развитых и здоровых животных с хорошим поведением, половозрелых, годовалого возраста.

Все экспериментальные процедуры и манипуляции проводились в операционной кафедры патологической физиологиии Военно-Медицинской академии в условиях, отвечающих требованиям СанПин 2.1.3.1375-03. Животные укладывались на операционный стол. Применяли эфирный наркоз. В контрольной группе (группа А) было 22 крысы, в основных группах (группы В и С) – по 21 и 22 соответственно. Всем животным была проведена частичная (под эфирным наркозом) денервация нижней части спинного мозга на уровне 3 грудного позвонка. Экспериментальную денервацию у подопытных животных выполняли в стерильных условиях с соблюдением правил асептики и антисептики. Для нанесения спинальной травмы крысам, использовали только прямую иглу 1,2x40 мм и шовный материал для наложения сдавливающей петли на СМ (супрамидная нить диаметром 0.1 мм стерильная). После нанесения экспериментальной травмы в послеоперационном периоде животные разных групп содержались по разному, но все погружались в медикаментозный сон (Sol. Relanii 0,3 внутрибрюшинно, 2 раза в сутки) на весь срок наблюдения.

Группа контроля (А) содержалась в стандартных условиях, а у крыс основных групп (В и С) применялась методика содержания в условиях фиксации в специальной кювете. Устройство с кюветой служили прообразом «оптимальной восстанавливающей среды» и состояло из фиксированного ложа выполненного из полиуретановой трубы диаметром 5см, длиной 10 см., рассеченной по длиннику с оставлением лепестков длиной 5 см., шириной 1 см. для фиксации лап животного. Лепестки кюветки соединены с движущимися рычагами электродвигателей (4шт.), штоки которых совершают линейные движения позволяющие совершать заданные движения лапами животного (пассивные движения) через релейное устройство получающее команды из промышленного компьютера по заданной программе. В описанное ложе животное укладывалось на спину. Его лапы фиксировались к лепесткам кюветки. Пассивные движения осуществлялись в виде отведения и приведения конечностей животного. Возможные активные движения у животных осуществлялись ими в периоды пробуждения.

Эксперимент выполняли по двум направлениям:

1. Исследовались изменения на срезах спинного мозга животных после травмы во всех группах под световым и электронным микроскопами.
2. В ходе наблюдения за животными контрольной и основных групп фиксировались сроки восстановления болевой, температурной чувствительности, а также двигательной активности.

В результате проведенных гистологических, патофизиологических исследований получены следующие результаты. При гистологическом изучении срезов спинного мозга крыс в контрольной группе А гибель клеток в результате полученной травмы после непосредственного повреждения спинного мозга происходит в результате некроза и продолжается до 14 дней. В дальнейшем гибель клеток происходит в результате апоптоза, который наблюдается до 21-30 дней с формированием рубцовой ткани. Рубцовая ткань формируется из дегенерированных хаотично расположенных миелиновых волокон и осевых цилиндров не дающих возможности прорастания аксонов нейронов через зону рубцевания. Область формирования рубцовой ткани включает ядра клеток, переходящих в стадию апоптоидных телец.

В то же время, в основной группе В* - (В и С) выявляется отчетливая гистологическая картина восстановления клеток нейроглии и нейронов в условиях применения метода ПДИК.
При обработке статистических материалов экспериментальной патофизиологической части исследования данных в группе А восстановления болевой и температурной чувствительности, а также двигательной функции не отмечено.
В группе В* - (В и С) восстановление болевой чувствительности отмечено в 21,5% случаев, в 78,5% случаев восстановления не наступило. Восстановление температурной чувствительности отмечено в 15,4 % подопытных животных, в 84,6 % случаев восстановления не отмечено. В результате изучения изменения двигательной активности – восстановление наблюдалось только в основной группе В*. Отмечено, что движения в конечностях восстановились в 26,2% животных, в 73,8% случаев восстановления не наступило. Согласно данным непараметрического анализа на состояние болевой, температурной чувствительности, двигательной функции у исследуемых крыс оказывает достоверное (р<0,05) влияние на комплекс реабилитационных лечебных мероприятий с использованием метода постоянной длительной импульсной кинетикотерапии. Все данные используемые в анализе измерялись в номинальной шкале, для которой используются следующие критерии: Фи, V Крамера и коэффициент сопряженности, подтверждающие выявленные значимости различий встречаемых параметров в исследуемых группах (р<0,05).

Практическая апробация экспериментальной системы на подопытных животных привела к выводу, что реабилитационная методика, направленная на адекватное использование обнаруженного феномена создания оптимизирующих условий для восстановления функций поврежденного СМ должна обеспечивать следующие условия:

• периодическое создание раздражения эфферентных и афферентных путей выше и ниже очага повреждения СМ;
• замыкание рефлекторной дуги и тем самым включения в работу сегментарно-рефлекторного аппарата спинного мозга через один и тот же промежуток времени, с одной и той же силой, в одной и той же последовательности длительное время;
• работать в круглосуточном режиме на протяжении всего времени реабилитации.

Анализ результатов экспериментальной части работы показал, что применение метода постоянной длительной импульсной кинетикотерапии в посттравматическом периоде в клинических условиях у пациентов с последствиями спинальных травм может стимулировать восстановление утраченных функций органов и систем.

При переводе экспериментально подтвержденной модели оптимальной физиологической среды на платформу клинической апробации исходили из того, что в основу разрабатываемой новой методики реабилитационного лечения таких больных должны будут решаться основные задачи реабилитации:

• создание максимально благоприятных условий для течения регенеративных процессов в спинном мозге;
• предупреждение и лечение пролежней, свищей, остеомиелитов, контрактур, деформаций костно-суставного аппарата;
• устранение или уменьшение болевого синдрома;
• установление самостоятельных контролируемых актов мочеиспускания и дефекации;
• предупреждение и лечение осложнений со стороны мочевыделительной, дыхательной и сердечно-сосудистой систем;
• предупреждение и лечение атрофий и спастичности мышц;
• выработка способности к самостоятельному передвижению и самообслуживанию.

При финансовой поддержке компании ООО “ОЛМЕ” была создана система реабилитационная кинетическая, способствующая проведению в автоматическом режиме периодически создаваемого раздражения эфферентных и афферентных путей, замыкания рефлекторной дуги и, тем самым, включения в работу сегментарно-рефлекторного аппарата спинного мозга через один и тот же промежуток времени, с одной и той же силой, в одной и той же последовательности в круглосуточном режиме на протяжении всего времени нахождения пациента на реабилитации (сутки, недели, месяцы и годы) и позволяющая сохранить суставно-мышечный аппарат, периферическую нервную систему и сегментарный аппарат, тем самым позволяя говорить о новых подходах реабилитации .

Несмотря на отсутствии финансирования со стороны государства, сегодня компанией ООО “ОЛМЕ” заложены основы робототехники с информационными технологиями для реабилитации обездвиженных больных в течении длительного времени в домашних условиях в нашей стране. Данное направление развития реабилитации дает возможность значительно снизить смертность и инвалидизацию у этой категории больных, увеличить продолжительность жизни и в большинстве случаев через 4-5 лет вернуться к полноценной трудовой деятельности.

Список литературы:

1. Адо А.Д. Патологическая физиология./ А. Д. Адо, Л. М. Ишимова. - М., 1973. - 535 с.
2. Вагин А.А. Патофизиологическое обоснование применения метода постоянной длительной импульсной кинетикотерапии в лечении и реабилитации больных с последствиями спинальной травмы: дис. канд. мед. наук. – СПб., 2010.– 188 с.
3. Басакьян А.Г. Апоптоз при травматическом повреждении спинного мозга: перспективы фармакологической коррекции / А. Басакьян, А.В. Басков, Н.Н.. Соколов, И.А Борщенко.- Вопросы медицинской химии № 5, 2000. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.jabat.narod.ru/005/0145.htm. или http://medi.ru/pbmc/8800501.htm
4. Борщенко И. А. Некоторые аспекты патофизиологии травматического повреждения и регенерации спинного мозга. / И. А. Борщенко, А. В. Басков, А. Г. Коршунов, Ф. С. Сатанова // Журнал Вопросы нейрохирургии. - №2.- 2000. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sci-rus.com/pathology/index.htm.
5. Викторов И. В. Современное состояние исследований регенерации центральной нервной системы in vitro и in vivo./ И. В. Викторов // Второй Всесоюзный симпозиум "Возбудимые клетки в культуре ткани". - Пущино, 1984. - С. 4-18.
6. Георгиева С. В.Гомеостаз, травматическая болезнь головного и спинного мозга. / С. В. Георгиева, И. Е. Бабиченко, Д. М. Пучиньян - Саратов, 1993 – 115 c
7. Гретен А. Г. Проблемные аспекты механизмов восстановительных процессов в мозге. / А. Г. Гретен. // Механизмы и коррекция восстановительных процессов мозга. - Горький, 1982. - С. 5 -11.
8. Aranda J.M. The problem-oriented medical records: Experiences in a community hospital. JAMA 229:549-551, 1974
9. Braunberg A.C. Smart Card"s Appeal Hastens Jump into Mainstream // Signal. 1995. - January. P.35-39.
10. Buchanan J.M. Automated Hospital Information Systems. // Mil. Med. - 1996. -Vol. 131,№ 12.-P.1510-1512.
11. ISO/IEC JTC1/SC 29 N1580, 1996-04-23. Expert from ISO Bulletin: Standards for Global Infrastracture Infrastructure, What is the GII? Medicine 2001: New Technologies, New Realities, New Communities //MedNet- 1996, August 4.-8 p.
12. Van Hentenryck K. Health Level Seven. Shedding light on HL7"s Version 2.3 Standard. // Healthc Inform. - 1997. - Vol. 14, № 3. - P.74.
13. Wilson I.H., Watters D. Use of personal computers in a teaching hospital in Zambia //Br. Med. F. - 1988. - vol. 296, N 6617. - P. 255-256.
14. Пузин М.Н., Кипарисова Е.С., Гюнтер Н.А., Кипарисов В.Б. Кафедра нервных болезней и нейростоматологии «Медбиоэкстрем», Клиническая больница «Медбиоэкстрем» №6, поликлиника №107 г. Москва
15. roboting.ru/tendency/727-obzor-pers
16. Нейротравматология: Справочник./ Под ред. А.Н. Коновалова, Л.Б. Лихтермана, А.А. Потапова.- Москва, 1994.- 356 с. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sci-rus.com/reference_book/ref_00.htm
17. Окс С. Основы нейрофизиологии: пер. с англ./ С. Окс - М., Мир, 1969. - 448 с.
18. Ромоданов А.П., Некоторые проблемы травмы позвоночника и спинного мозга по данным зарубежной литературы./ А.П. Ромоданов, К.Э. Рудяк. // Вопр.нейрохирургии. - 1980. - № 1. - С.56 - 61
19. Шевелев И. Н. Восстановление функции спинного мозга: современные возможности и перспективы исследования./ И. Н. Шевелев, А. В. Басков, Д. Е. Яриков, И. А. Борщенко // Журнал Вопросы нейрохирургии - 2000. - № 3. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sci-rus.com/pathology/regeneration.htm
20. Lockshin R.A. Nucleic acids in cell death. Cell agening and cell death./ R.A Lockshin, Z. Zakeri-Milovanovic./ Eds. I. Devis, and D.C. Sigl.. – 1984, Cambridge. - P. 243 - 245
21. Yong C., Arnold P.M., Zoubine M.N., Citron B.A., Watanabe I., Berman N.E., Festoff B.W. // J. Neurotrauma. – 1998 - № 15. – P. 459 - 472.

• Просмотров: 6900

• " onclick="window.open(this.href," win2 return false > Печать

В прошлом моем посте о телемедицине было упоминание робота-хирурга Да Винчи, которых на 2010 год было установлено около 1000 в мире. Но это далеко не единственное достижение робототехники, использованное в медицине.

В каких сферах и для чего используют роботов? В хирургии, в качестве сиделок для детей и пожилых, в телемедицине и даже для доставки лекарств. Подробнее - прошу под хабракат.

RIBA

Робот Риба родом из Японии. Его представили в 2009 году. Главное его назначение - это с помощью своих длинных и сильных рук укачивать больных и пожилых людей. Это отличный помощник в клиниках, так как он может переносить пациентов с места на место, или же перекладывать из коляски в кровать.

В 2009 представили RIBA II. Эта версия робота может поднимать пациентов прямо с пола, тогда как первый робот мог брать их только с коляски или кровати. Также грузоподъемность возросла до 176 фунтов, то есть около 80 кг, что на 41 фунт, или 18,5 кг больше, чем в первой версии.

Зачем японцам вообще нужен такой робот? Все дело в долгожительстве. В Японии к 2015 году количество пожилых людей, которым будет нужен уход, по прогнозам достигнет пяти с половиной миллионов человек. Вот и представьте, скольким медсестрам и санитарам придется поднимать ежедневно больных с футона на коляску, с коляски на кровать, обратно и так далее. Роботы для этих целей подходят лучше, а медсестры пусть занимаются своим делом - просто заботятся о пожилых.

А этот робот занесен в Книгу Рекордов Гиннесса как «Самый терапевтический в мире робот». Он оснащен множеством датчиков – прикосновений, света, звука, температуры и положения. Это необходимо для хорошей коммуникации с пациентом, помогает успокоить пациента.

Keepon нужен для того же, но он, по-моему, менее милый. Он танцует и реагирует на прикосновения.

Робот на раздаче

Еще один способ избавить медсестер от рутинной работы, занимая их время более полезными делами - это робот от Murata Machinery Ltd, предназначенный для выдачи лекарств.

Робот от Panasonic также предназначен для того, чтобы доставлять лекарства из аптеки больным. Первая версия этого робота уже могла хранить информацию о 400 пациентах, и выдавать лекарства в соответствии с рецептом по заявке больного или же медицинской сестры.

Телеприсутствие

Возвращаясь к вопросу телемедицины (которую на Хабре, судя по комментариям, считают телепередачами с Малышевой), стоит сказать о роботах телеприсутствия. Это комплексы, способные самостоятельно передвигаться, оснащенные камерами, дисплеями, динамиками и микрофонами, и дополнительно к ним - средствами для проведения диагностики и анализов. Такими средствами может быть как возможность подключения к аппаратам, например УЗИ, так и встроенные приборы - например, для аналиа крови.

В Российских реалиях использование таких роботов практически невозможно, потому что у нас везде проблемы с пандусами - что на въезде в клиники, что внутри них. Так что робот сможет передвигаться только в пределах одного этажа максимум, а минимум - в пределах комнаты, неспособный преодолеть здоровенный порожек.

PR-7

Vgo - управление осуществляется по 4G.

Хирургия

PUMA 560 стал первым роботом, использованным в нейрохирургии. Это робот-ассистент, представленный в 1985 году.

В ортопедии при протезировании суставов в 1992 году начали использовать RoboDoc.

Позже появились ассистенты Зевс и Эзоп, но все равно главным действующим лицом при операции был хирург. В конце 1990-х это изменилось с появлением Да Винчи - робота для удаленных операций.

Хирург за пультом видит участок в 3D формате с многократным увеличением и работает с джойстиками. В это время четырехрукий робот делает совершает операцию. Изначально изображение не было объемным, конечно, но потом эту проблему решили.

Минутка трансформеров: ARES от итальянских ученых предназначен для проведения операций, не повреждая кожные покровы. Потому что пациент его проглатывает по частям, и также он выходит потом через кишечник. Внутри робот собирает сам себя, после чего хирург осуществляет операцию.

Обучение: симуляторы пациентов

Отправлять живых пациентов новичкам - не очень гуманно. Гораздо лучше попрактиковаться сначала на роботах, которые справляют естественные потребности, у которых бьется сердце и которые более-менее похожи на человека.

Наиболее функциональным роботом этого типа считают HPS (Human Patient Simulator). Он хранит в себе 30 различных профилей пациентов, отличающихся физиологией и индивидуальными реакциями на лекарства. Это могут быть профили здорового ребенка беременной женщины и пожилого алкоголика. Прощупываемый на сонных, плечевых, бедренных, лучевых подколенных артериях пульс меняется в зависимости от давления, робот выдыхает углекислый газ, что отображается на мониторах, а зрачки его реагируют на свет.

Со стоматологами - та же история. Хватит кромсать несчастных людей с больными зубками! Сначала на кошках тренируйтесь. На фото - Hanako 2, родом из Японии, что сразу видно.

Пожалуйста, пишите в комментарии, какие еще роботы должны быть в этой публикации.

Казанский Государственный

Технологический Университет

Реферат на тему:

Робототехника в медицине

Выполнил студент группы

Нигматуллин А.Р.

Казань 2010.

Вступление

1. Виды медицинских роботов

Заключение

Вступление

В эпоху бурного развития науки и техники появляется множество различных нововведений в самых различных областях. Прилавки супермаркетов заполняются экзотической пищей, в торговых комплексах появляются одежды из новейших материалов, а в гипермаркетах электроники и того дальше, невозможно угнаться за развитием новых изобретений. Все привычное старое стремительно сменяется на необыкновенное, новое, к которому так не просто привыкнуть. Но если бы не было прогресса, то люди не познали бы множества загадок, которые еще не раскрыты, и природа тщательно скрывает их от нас. Несмотря на все это, благодарю высокой профессиональности современных ученых физиков, безостановочно ведутся разработки в различных сферах. Простой человек вряд ли озадачивался вопросом что же нового можно внести в этот и без того безгранично цивилизованный и прогрессивный мир. Для примера можно рассмотреть наш мир, каким он был даже одну сотню лет назад. Не было не телевизоров, не компьютеров, не бытовой техник, без которой современному человеку в быту просто не обойтисьли даже 10 лет назад, когда сотовые телефоны только –только вышли в свет и были громоздкими и очень малофункциональными, что касается и компьютерной техники. Наука движет мир вперед, и в любых областях жизнедеятельности человека нужны какие – либо нововведения. В данном пример хотелось бы выбрать как определенный аспект – область медицины, а точнее ее технического потенциала. Медицина так же не стоит на месте, появляются новее 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 –ого века, за пройденное время они были значительно улучшены и модернизированы. На данный момент существуют роботы – помощники, военные разработки роботов, космические, бытовые и конечно медицинские. Далее стоит подробнее разобрать какие виды роботов и для какого применения существуют на данный момент времени.

Виды медицинских роботов

Один из наиболее известных и прославленных достижений последнего времени стал робот по названием «Да Винчи», который, как можно догадаться был назван в честь великого инженера, художника и ученого Леонардо Да Винчи. Новинка позволяет хирургам выполнять самые сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Робот, который может применяться в кардиологии, гинекологии, урологии и общей хирургии, был продемонстрирован медицинским центром и отделением хирургии университета штата Аризона.

Во время операции с “да Винчи” хирург находится за пару метров от операционного стола за компьютером, на мониторе которого представлено трехмерное изображение оперируемого органа. Врач управляет тонкими хирургическими инструментами, проникающими в тело пациента сквозь небольшие отверстия. Такие инструменты с дистанционным управлением можно использовать для точных операций на небольших и труднодоступных участках тела.

Доказательством необычайных возможностей “да Винчи” стал первый в мире полностью эндоскопический байпас, выполненный совсем недавно в Колумбийском Пресвитерианском медицинском центре в Нью-Йорке. Уникальную операцию провели директор центра по роботизированной кардиохирургии Майкл Аргензиано, и заведующий отделом кардиоторакальной хирургии доктор Крейг Смит. При этом они использовали всего лишь три небольших отверстия - два для манипуляторов и одно - для видеокамеры. Понять, что это значит, может только человек, хоть раз наблюдавший “традиционную” операцию на открытом сердце.

Действия бригады, “открывающей” грудную клетку пациента, производят на новичка (по журналистскому заданию мне как-то пришлось побывать в этой роли) неизгладимое впечатление. До сих пор помню мурашки по всему телу от жуткого визга разрезающей грудину дисковой пилы и огромную рану, в которой деловито сновали руки в окровавленных резиновых перчатках.

В Соединенных Штатахбайпасили аортокоронарное шунтирование является самой распространенной операцией на открытом сердце. Ежегодно эту процедуру проходят здесь 375 тысяч человек. Широкое внедрение “да Винчи” могло бы значительно облегчить их судьбу, помогая пациентам быстрее поправляться после операции и раньше выписываться из госпиталей.

Главный хирург аризонского центра, где испытывают “да Винчи”, доктор Алан Гамильтон вообще уверен в том, что роботостроение произведет революцию в хирургии. Пока что эта революция только начинается, а вот в... кино “да Винчи” уже произвел изрядный фурор. Хирургический робот сыграл роль в последнем кинофильме сериала о Джеймсе Бонде “Умри в другой день” (Die Another Day).

В начале фильма крупным планом показываются три механические руки, шарящие по телу захваченного врагами агента 007. “Хирурги и шпионы похожи друг на друга, поскольку они стремятся выполнить свои задачи без излишней суеты и с использованием новейших технологий, - сказал представитель лондонского Имперского колледжа, где трудится сейчас “да Винчи”. - Фильмы о Джеймсе Бонде всегда восхищали меня демонстрацией невиданных технических новинок. Но я никогда не думал, что когда-нибудь отдел, который я возглавляю, будет сотрудничать с производителями бондианы”.

“Да Винчи” - лишь один из примеров развития новой отрасли в медицине.

Другие роботы применяются в самых различных операциях, вплоть до хирургии головного мозга. Пока что эти устройства достаточно громоздки, но врачи надеются на появление и миниатюрных помощников. Прошлым летом, например, отдел энергетики американской Национальной лаборатории Sandia в Альбукерке уже построил самый маленький в мире робот высотой в один сантиметр. А британская корпорация Nanotechnology Development разрабатывает крошку Fractal Surgeon, который будет самостоятельно собираться из еще меньших блоков внутри человеческого тела, проводить там необходимые действия и саморазбираться.

Теперь же робота оснастили самыми продвинутыми "глазами" в мире(о чём свидетельствуетпресс-релизкомпании). 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 (фото 2009 Intuitive Surgical)

Еще одна интересная новость. Сотрудники Университета Вандербильта (США) выступили с концепцией новой автоматической когнитивной системы TriageBot. Машины будут собирать медицинскую информацию, осуществлять основные диагностические измерения и в конечном итоге ставить предварительные диагнозы, пока люди занимаются более неотложными проблемами. В результате пациенты будут меньше ждать, а специалисты вздохнут свободнее и существенно снизят количество ошибок.«Последние достижения в области дизайна гуманоидных роботов, сенсорных технологий и архитектуры когнитивного контроля сделали такую систему возможной», - подчёркивает соавтор проекта Митч Уилкс.В США около 40% пациентов отделений экстренной помощи поступают туда в состоянии, опасном для жизни. Врачам приходится уделять им первоочередное внимание. Роботы могли бы заняться остальными 60%.Если проект окажется успешным, через пять лет возле стойки регистрации появятся электронные терминалы, подобные тем, что установлены в аэропортах, а также специальные «умные» стулья и мобильные роботы.При поступлении пациент должен прежде всего зарегистрироваться. В предлагаемой системе сопровождающее лицо сможет внести все необходимые данные через терминал с сенсорным экраном. Возможны голосовые подсказки. При этом автомат сможет распознавать наличие критической информации (например, острая боль в груди) и информировать о ней врача, чтобы пациентом занялись как можно скорее. В противном случае больного направят в зал ожидания.План более подробной диагностики пациента разрабатывается в соответствии с этими первоначальными сведениями. В предлагаемой системе простейшие процедуры можно проделать уже в приёмной, на специальном стуле, который измерит кровяное давление, пульс, насыщение крови кислородом, частоту дыхания, высоту и вес.Кроме того, мобильные помощники будут периодически проверять состояние пациентов в зале ожидания, уделяя особое внимание артериальному давлению, частоте пульса и, возможно, интенсивности болевых ощущений. В случае обнаружения критических изменений робот обязан проинформировать человеческий персонал.Последний элемент системы TriageBot - это администратор, который следит за машинами, обеспечивает связь с больничной базой данных и служит посредником между автоматикой и медиками.Планируется провести ряд исследований, в ходе которых будет определён точный набор функций роботов и их внешний вид. Параллельно разрабатываются прототипы.

Для более точных и удобных расчетов ученые создали чудного робота –фармацевта. Электронно-механическое чудо, работающее в большом подвале Пресвитерианской больницы в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико, зовут Рози. “Родитель” этого мощного механического агрегата, перемещающегося по четырехметровому рельсу в темной застекленной комнате, - новое подразделение корпорации Intel - Intel Community Solutions, использующее достижения фирмы для решения социальных задач.

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.

Более того, 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.

Но и это еще не все. Механической “рукой” скользящий по рельсу Рози собирает висящие вдоль стен маленькие пакетики с таблетками, на каждый из которых нанесен уникальный бар-код. Затем он вкладывает их в герметические конверты и отправляет пациентам.

На свет так же появились два робота помощника – это робот нянька, который ухаживает за больными людьми, в частности страдающими от болезни Альцгеймера, и робот физиотерапевт, позволяющий быстрее адаптироваться людям перенесшим инсульт.

Недавно американские пациенты с болезнью Альцгеймера получили помощника, который облегчает им 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. В условиях, когда уже к 2010 году число пенсионеров в стране возрастет до 40, а к 2030 - до 70 миллионов, это очень важно. Пока же фирма собирается сдавать своих роботов в аренду домам престарелых. В будущем компания планирует создание роботов, которые смогут приводить в движение инвалидную коляску.

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. Что касается самих врачей, то им не стоит бояться безработицы: просто вместо того, чтобы часами сидеть с больными, они смогут разрабатывать новые, более эффективные программы тренировок.

Так как медицина является довольно обширной областью науки, не обошлось здесь и без вмешательства современных нанотехнологий. Вот что можно отметить в этом разделе.

Беспорядочно мельтешащие под микроскопомбактериивнезапно замирают на месте. Затем, будто сговорившись, начинают выстраиваться в ровную линию. Микробы за считаные секунды занимают свои места в колонне, и тут в движение приходит весь строй -бактериикак по команде синхронно поворачиваются налево.

Движениями микробов действительно управляют. Этим занимается сидящий за пультом ученый - профессор Политехнической школы Монреаля Сильван Мартель. Созданная канадским ученым установка контролирует перемещениебактерийс помощью магнитного поля с точностью до тысячных долей миллиметра. Недавно исследователь показал свой прибор в действии. 5000бактерийсогласованно передвигали в капле воды микроскопические полимерные блоки и сложили из них миниатюрное строение.

Это только начало испытаний. В ближайшем будущем такую «рабочую силу» можно будет применить с большей пользой - в медицине. Уже много лет в лабораториях по всему миру пытаются создатьМИКРОРОБОТОВ, которые смогли бы выполнять различные операции внутри организма пациентов. Дальше простейшихпрототипову инженеров дело пока не пошло. Теперь ученые получили возможность пойти обходным путем - на смену сложным и неэффективным устройствам приходят микроорганизмы.

Возведенноебактериямистроение можно разглядеть только под микроскопом. Оно напоминает египетскую пирамиду. Сходство не случайно. «Пирамиды - один из первых шагов человека к созданию действительно сложных конструкций, - рассказывает Сильван Мартель. - Мы подумали, что будет символично, если микроорганизмы выполнят именно такое задание». Настоящие пирамиды сооружали многие годы.Бактерииуправились с моделью за 15 минут. Это, несмотря на то, что строительные блоки были куда крупнее самих «рабочих».

Микроорганизмы работали сообща. Под микроскопом 5000бактерийвыглядели как сплошное темное облако. Вот этот рой нависает над одним из «кирпичей». В следующую секунду микробы начинают медленно, но верно толкать блок на заданное в чертеже место. «Мы пока только обкатываемтехнологию, - говорит Мартель. - В принципе, все то же самое можно делать значительно быстрее».

Секрет успеха - в выдающихся способностях этих микроорганизмов. Канадские ученые используют в работебактерииMagnetospirillum magnetotacticum. «Оказалось, это настоящие рекордсмены, - объясняет Мартель. - Они движутся на порядок быстрее другихбактерий». Кроме того, эти микроорганизмы чувствительны к магнитным полям - они в больших количествах накапливают в себе соединения железа. Ученые пока не очень хорошо понимают, зачем это нужно самим микробам. Зато теперь понятно, как такую особенность может использовать человек. С помощью магнитного поля Мартель заставляетбактерииразворачиваться в нужную сторону. Дальше они двигаются самостоятельно - у них есть специальные жгутики, работающие, как гребные винты кораблей.

Они могут перемещаться не только в капле воды под микроскопом. Канадский ученый ввелбактериив кровь лабораторных крыс и с помощью магнитного поля заставил микробов маневрировать в сосудах. Оказалось, бактерии способны двигаться даже против течения. Правда, преодолевать поток им удавалось только в небольших капиллярах, где кровь циркулировала медленно. В крупных артериях «пловцов» безнадежно сносило - скорость жидкости там достигала нескольких десятков сантиметров в секунду. Размножаться в крови эти микробы не способны, поэтому на здоровье грызунов их присутствие не повлияло. Микроорганизмы некоторое время двигались по сосудам, а затем погибли.

Эффективности бактериальных двигателей позавидует любой инженер. «Главная проблема, о которую разбиваются попытки создать медицинскихМИКРОРОБОТОВ, - их габариты, - рассуждает Владимир Лобаскин, физик из Университетского колледжа Дублина. - Требования к размеру этих устройств таковы, что для них очень непросто создать достаточно мощный мотор». Сам Лобаскин занимается теоретическими расчетами эффективности как раз таких вот микроскопических двигателей. «Технические характеристики»бактерийМартеля произвели на физика большое впечатление: «Это практически готовая система для решения медицинских задач».

Похоже, разработчикам настоящихМИКРОРОБОТОВна это действительно нечем ответить. Один из самых последнихпрототиповбыл создан несколько лет назад в швейцарском Институтеробототехникии интеллектуальных систем. Он представляет собой крошечную металлическую спираль, которую можно разглядеть только под очень мощным микроскопом. Попав в переменное магнитное поле, она начинает вращаться и работать, как пропеллер. Направлением движения этого устройства тоже можно управлять с помощью магнитов.

Со временем разработчики рассчитывают использовать его для доставки лекарств в различные ткани человеческого организма. Пока получается не очень хорошо. Эти изделия примерно в десять раз медленнее «живыхроботов», с которыми работают в Канаде. О маневрах в кровеносных сосудах говорить даже не приходится. В этом нет ничего удивительного, уверен Мартель. За миллионы лет эволюция хорошо поработала надбактериями. Быстро создать такое же совершенное искусственное устройство будет очень непросто.

Именно поэтомубиотехнологииз корейского Национального университета Чуннам попробовали совместить в своей работе два противоположных подхода. Созданный имипрототипмедицинскогоМИКРОРОБОТАпостроен из синтетического полимера и клеток сердечной мышцы человека - кардиомиоцитов. Клетки натянуты на гибкий пластиковый каркас на специальных ножках. Сокращаясь, клетки приводят в движение всю конструкцию, и устройство начинает перебирать ногами. Разработчики предполагают, что в будущем подобныероботысмогут путешествовать по кровеносным сосудам человека, цепляясь за стенки. Функционировать такие изделия смогут очень долго - «клеточный двигатель» использует в качестве топлива растворенную в крови глюкозу.

«Всего несколько лет назад разговоры ороботах, доставляющих лекарства в определенные точки организма, казались фантазиями, - говорит Алексей Снежко, физик из Аргоннской национальной лаборатории (США). - Теперь понятно, что в самое ближайшее время их начнут испытывать на людях».

Как это будет выглядеть, понятно уже сейчас. В одном из последних опытов Сильван Мартель и его коллеги ввелибактериив организм больной раком крысы. А затем поместили ее в медицинский томограф. Эти приборы используют сильные магнитные поля для построения трехмерных карт организма пациента. После небольшой переделки установка превратилась в командный пункт для микробов. С ее помощью ученые провелибактериипо кровеносной системе грызуна прямо в район опухоли. Микроорганизмы доставили к пораженной области учебный груз - флуоресцирующее вещество. Вскоре Мартель планирует повторить эксперимент. На этот раз бактерии будут нести противоопухолевый препарат.

Так же нанотехнологи продемонстрировали довольно впечатляющие образцы электронной кожи. Электронная кожа впервые ощутила прикосновения бабочки

Решётка из тончайших полупроводниковых нитей, совмещённая с электродами и меняющей в ответна давление проводимость резиной типа PSR (вверху) превращена калифорнийскимиумельцами в "лоскут кожи" (внизу)(иллюстрации Kuniharu Takei et al./Nature Materials).

На этом рисунке кожи робота каждый чёрный квадратик соответствует одному "пикселю", элементарной точке, отвечающей за осязание (иллюстрация Ali Javey and Kuniharu Takei, UC Berkeley).Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с такимманипулятором смог бы запросто обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).

Ещё одна иллюстрация чувствительности стэнфордского сенсора: он регистрирует прикосновения перуанской бабочкиChorinea faunus(фото L.A. Cicero/Stanford University).

Уже немало копий сломано вокруг проблемы создания робототехнического аналога самого крупного органа человека. Главный вопрос – как воспроизвести невероятную чувствительность кожного покрова, который может ощутить дуновение ветерка от пролетевшего насекомого? Недавно две исследовательские группы из Калифорнии одновременно объявили о своих впечатляющих ответах.

Первая команда, из Калифорнийского университета в Беркли, выбрала в качестве ключевого элемента для своей искусственной кожи нанопроводки. Как сообщают учёные впресс-релизе, они вырастили крошечные германиевые и кремниевые нити на специальном барабане, а затем прокатили этим валиком по подложке – клейкойполиимиднойплёнке.

В итоге учёные получили эластичный материал, в структуру которого были включены нанопроводки, играющие роль транзисторов.

Поверх них исследователи нанесли изолирующий слой с периодическим рисунком из тонких отверстий, а ещё выше – чувствительную к прикосновению резину (PSR).Между резиной и нанопроводками при помощи фотолитографии навели проводящие мостики (для этого и понадобились отверстия в слое изолятора) и, наконец, сдобрили бутерброд тонкой алюминиевой плёнкой – финальным электродом. (Подробности авторы системы представили встатьев Nature Materials).Такой эластичный набор способен определять и точно локализовать участки, к которым прикладывается давление.Имя эта кожа получила банальное и предсказуемое - e-skin. Новая технология позволяет использовать в качестве подложки множество материалов, от пластика до резины, а также включать в её состав молекулы различных веществ, например, антибиотиков (что может оказаться весьма важным).На опытном куске e-skin размером 7 х 7 сантиметров уместилась матрица 19 х 18 пикселей. В каждом из которых содержались сотни наноштырей. Такая система оказалась способна регистрировать давление от 0 до 15 килопаскалей.Примерно такие уровни нагрузки испытывает человеческая кожа при печатании на клавиатуре или удерживании на весу небольшого объекта.

Али Джавей (Ali Javey), глава проекта e-skin в Беркли(фото UC Berkeley)

Учёные указывают на вполне определённое преимущество своей разработки перед аналогами. Большинство проектов такого рода полагается на гибкие органические материалы, которым для работы требуется высокое напряжение.

Синтетическая кожа из Беркли - первая, изготовленная на основе монокристаллических неорганических полупроводников. Она функционирует при напряжении всего в 5 вольт. Но что ещё интереснее - опыт показал, что e-skin выдерживает до 2000 изгибаний с радиусом 2,5 миллиметра без потери чувствительности.

В качестве очевидной области применения в будущем такой кожи можно предположить чувствительные манипуляторы,способные оперироватьхрупкими предметами.

Сверхаккуратную кибернетическую руку можно дополнительно оснастить датчиками тепла, радиоактивности, химических веществ, покрыть тонким слоем лекарств и использовать на "пальцах" роботов-хирургов или спасателей.

В последнем случае (при работе роботов с людьми) очень важным с точки зрения безопасности окажется тот факт, что электронная кожа из Беркли, как и человеческая, ощущает прикосновение почти мгновенно (в течение миллисекунд). В теории она может полностью покрывать манипулятор робота или даже всю машину.

Вверху: профессор Чжэнань Бао (Zhenan Bao) – лидер стэнфордского проекта.Внизу: такая простая полимерная плёнка с алюминиевыми проводниками послужила отправной точкой в построении новой кожи(фото L.A. Cicero/Stanford University, Stefan C. B. Mannsfeld et al./Nature Materials).

Вторая разработка, родом из Стэнфордского университета, использует другой подход. Как сообщают учёные впресс-релизе, они поместили между двумя электродами слой высокоэластичной формованной резины.

Такая плёнка накапливает электрические заряды подобно конденсатору. Давление сжимает резину – а это, в свою очередь, изменяет число электрических зарядов, которые способен хранить сандвич, что и определяет электроника благодаря набору электродов.

Описанный процесс позволяет обнаружить легчайшее прикосновение, что учёные доказали на опыте. Они использовали в качестве "тестера" мух.В ходе эксперимента квадратная матрица со стороной в семь сантиметров и в миллиметр толщиной чувствовала посадку насекомых, весящих всего 20 миллиграммов, и реагировала на их касания с высокой скоростью.

Под микроскопом матрица похожа на поле, усеянное остроконечными пирамидками. В таком материале пирамидок этих может быть от сотен тысяч до 25 миллионов на квадратный сантиметр, в зависимости от требуемого пространственного разрешения.

Такой приём (вместо применения сплошного слоя резины) был необходим, поскольку монолитный материал, как выяснилось, терял свои свойства при сдавливании – точность регистрации зарядов падала. А свободное пространство вокруг микроскопических пирамид позволяет им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки.

Гибкость и прочность стэнфордской электронной кожи оказались очень высоки. Её нельзя растягивать, но вполне можно сгибать, обернув ею, например, руку робота.

А потому в качестве сфер приложения своей разработки учёные видят опять же хирургических роботов. Но не только. Искусственная кожа могла бы стать основой электронных бинтов, - рассуждают американские исследователи, - способных подавать сигнал при слишком слабом или опасно сильном затягивании. А ещё подобные сенсоры могли бы точно фиксировать степень сжатия руками рулевого колеса, вовремя предупреждая водителя, что он засыпает.

Обе команды утверждают, что ещё продолжат развивать данное направление экспериментов. Так что роботы будущего, по всей видимости, всё же получат кожу, приближённую по возможностям к человеческой. И пусть внешне она будет заметно отличаться от нашей – её чувствительность придаст новый смысл понятию робот-андроид.

Сенсационное заявление дала компания по производству видеокарт для компьютеров. Не успели написать о первой хирургической операции, проведенной исключительно «руками» роботов, как NVIDIA приготовила другую «бомбу» из мира медицины. На калифорнийской конференции GTC 2010 производитель графических чипов 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…

А Японские умельцы не перестают удивлять приятными новинками. Новый робот-медвежонок носит людей на руках

Японцы остановились на "благоприятном имидже плюшевого медвежонка", посчитав, что человекоподобный робот будет только пугать пациентов (фото RIKEN, Tokai Rubber Industries)

Японский институт физических и химических исследований (BMC RIKEN) и компанияTokai Rubber Industries(TRI)вчера представили "медвежеподобного" робота, предназначенного для оказания помощи медсёстрам в больницах. Новая машина буквально носит пациентов на руках.

RIBA (RobotforInteractiveBodyAssistance) - 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.

Ну и само собой без протезирования в медицине никуда. Поэтому и здесь есть свои ученые и инженеры безустально разрабатывающие новые устройства. А именно Лаборатория прикладной физики им. Д. Хопкинса преподнесла новый сюрприз. В ходе совместной реализации проекта DARPA и Лаборатория прикладной физики им. Д. Хопкинса (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, APL) подготовили к началу тестирования с участием людей очередное поколение протеза руки, названное Modular Prosthetic Limb (MPL). По задумке разработчиков, искусственная конечность будет полностью управляться мозгом посредством вживленных в него сенсоров и даже обеспечивать тактильные ощущения за счет посылки электрических импульсов с внешних сенсоров в соответствующий участок коры головного мозга. В прошлом месяце APL заявила о заключении контракта на 34,5 млн долл. с DARPA, что должно позволить исследователям провести тестирование своей разработки на пяти особах в течение следующих двух лет.

Ожидается, что третья фаза тестирования – испытания с участием людей – позволит внести усовершенствования как в систему управления нейропротезом, так и в алгоритм генерации сигналов обратной связи. MPL, прошедший стадию многолетнего прототипирования, поддерживает 22 разновидности движений, независимое управление каждым пальцем и весит столько же, сколько и настоящая человеческая рука (около 4 килограммов). Исследователи планируют начать тестирование, оснастив протезом парализованного пациента. Реализованные до сих пор нейропротезы были рассчитаны на замену ампутированным конечностям, в то время как MPL позволяет охватить большее количество случаев, включая недуги, связанные с нарушениями нормальной деятельности спинного мозга, поскольку сигналы управления «снимаются» непосредственно с головного мозга.В ходе совершенствования разработки исследователям предстоит решить еще немалое количество затруднений и сложностей, как уже известных, так и тех, которые, несомненно, будут выявлены в процессе тестирования. Среди подобных проблем – малый срок жизни существующих на сегодняшний день нейроинтерфейсов. Внедренные в жидкие ткани организма кремниевые чипы достаточно интенсивно разрушаются, выходят из строя и нуждаются в замене приблизительно каждые два года. Ранее в этом году DARPA анонсировала программу Histology for Interface Stability Over Time, задачей которой названо увеличение срока службы нейроимплантатов до 70 лет.Хотя основными партнерами по разработке значатся APL и DARPA, к процессу исследований привлекается также множество других учреждений. Так, например, Питсбургский университет уже выполнил работы по вживлению обезьянам имплантатов, позволяющих контролировать руки робота, Калифорнийский технологический институт поможет в разработке дизайна интерфейса мозг-компьютер, а Университет Чикаго поучаствует в реализации системы тактильных датчиков.

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.

Что еще интереснее, Yurina может трансформироваться в инвалидное кресло, управляемое с тачскрина, контроллера или голосом. Робот достаточно ловок, чтобы перемещаться в узких коридорах, что делает его действительно неплохим помощником для настоящих врачей.Отдельно стоит упомянуть видеодемонстрацию, которую обязательно стоит смотреть с включенным звуком. Чем руководствовались режиссеры ролика, сопровождая видеоряд такой зловещей музыкой, мы не узнаем никогда – однако сочетание «доброго робота» и совершенно неуместной звуковой дорожки точно обеспечит вам порцию здорового смеха.

Приятной новостью стало изобретение роботизированных инвалидных кресел, с помощью специальных датчиков этим креслом управлять гораздо удобнее, однако новинка требует неких доработок, которые в ближайшем будущем и будут осуществлены.

Одним из самых приятных дней в жизни собаковода можно считать такой, когда четвероногий любимец полностью освоит следование за хозяином и будет сопровождать его всегда и везде, не требуя постоянного одергивания поводком. А благодаря стараниям команды ученых из Университета Саитамы (Saitama University) подобную концепцию теперь можно применять и к… инвалидным креслам.

Роботизированное кресло несет на борту камеру и датчик определения расстояния, с помощью чего система отслеживает положение плеч человека, идущего рядом с креслом. За счет этих устройств кресло «понимает», в каком направлении двигается человек, соответственно повторяя его путь. Для сидящего в кресле такой способ перемещения получается более приятным, поскольку инвалидное кресло движется плавно, а не толкается вперед спутником.

Робо-кресло способно также огибать препятствия, правда, до определенной степени. Идея, несомненно, хороша, однако требует некоторой доработки. Представьте такую ситуацию: человек сидит в кресле, а помощник в это время с кем-то оживленно беседует и жестикулирует (соответственно, совершая движения туловищем, плечами и руками). Неужели кресло будет все время «елозить» из стороны в сторону, повторяя движения плеч помощника? Создателям определенно есть над чем поработать.

Заключение

Значение роботов – помощников для человека.

Роботы помощники играют огромную роль в современной медицине. Эта отрасль еще достаточно молода и находится на начальном этапе развития, но, несмотря на это некоторые разработки введены уже во всем мире, они успешно функционируют и приносят незаменимую помощь сотрудникам медицинских учреждений. Главная проблема по моему мнению, что если в развитых странах с устойчивой положительной экономикой эти нововведения будут введены сразу после официальной массовой роботизации, то в развивающихся странах они поступят гораздо позже, а в странах третьего мира эти разработки весьма запозднятся и в ближайшем будущем там точно не будет этих уникальных разработок. Дело в том, что вся эта продукция очень дорогостоящая и для ее покупки нужны будут немалые финансирования, которые далеко не всем странам по плечу. Поэтому в будущем нужно поставить вопрос о снижение стоимости данной аппаратуры в пределах разумного, при помощи определенных конференций и заседаний глав правительств.

Вторая половина ХХ века стала временем интенсивного развития всех областей науки, техники, электроники и роботостроения. Медицина стала одним из главных векторов внедрения роботов и искусственного интеллекта. Главной целью развития медицинской робототехники является высокая точность и качество обслуживания, повышение эффективности лечения, уменьшение рисков нанесения вреда здоровью человека. Поэтому в этой статье мы рассмотрим новые методы лечения, а также использование роботов и автоматизированных систем в различных областях медицины.

Еще в середине 70-х годов в больнице городе Фэрфакс, США, штат Виржиния, появился первый медицинский мобильный робот ASM, который перевозил контейнеры с подносами для питания больных. В 1985 году впервые мир увидел роботизированную хирургическую систему PUMA 650, разработанную специально для нейрохирургии. Чуть позже хирурги получили новый манипулятор PROBOT, а в 1992 году появилась система RoboDoc, применявшаяся в ортопедии при протезировании суставов. Через год компания Computer Motion Inc. представила автоматическую руку Aesop для удержания и изменения положения видеокамеры при лапароскопических операциях. А в 1998 году этот же производитель создал более совершенную систему ZEUS. Обе эти системы не являлись полностью автономными, их задачей было ассистирование врачам при операции. В конце 90х годов компания-разработчик Intuitive Surgical Inc создала универсальную роботизированную хирургическую систему с дистанционным управлением – Da Vinci, которая с каждым годом совершенствуется и внедряется во многие медицинские центры мира до сих пор.

Классификация медицинских роботов:

В настоящее время роботы играют колоссальную роль в развитии современной медицины. Они способствуют точной работе при операциях, помогают провести диагностику и поставить правильный диагноз. Заменяют отсутствующие конечности и органы, восстанавливают и улучшают физические возможности человека, снижают время на госпитализацию, обеспечивают удобство, быстроту реагирования и комфорт, экономят финансовые затраты на обслуживание.

Существует несколько видов медицинских роботов, отличающихся своими функциональными возможностями и конструкцией, а также сферой применения для различных областей медицины:

Роботы-хирурги и роботизированные хирургические системы - применяются для проведения сложных хирургических операций. Являются не автономными устройствами, а дистанционно управляемым инструментом, который обеспечивает врача точностью, повышенной сноровкой и управляемостью, дополнительной механической силой, уменьшает утомляемость хирурга, снижает риск заболевания хирургической бригады гепатитом, ВИЧ и другими заболеваниями.

Роботы-симуляторы пациентов - предназначены для отработки навыков принятия решений и практических врачебных интервенций в лечении патологий. Такие устройства полностью воспроизводят физиологию человека, моделирует клинические сценарии, реагируют на введение препаратов, анализируют действия обучаемых и соответствующим образом реагируют на клинические воздействия.

Экзоскелеты и роботизированные протезы - экзоскелеты способствуют повышению физической силы и помогают при восстановительном процессе опорно-двигательного аппарата. Роботизированные протезы - импланты, которые заменяют отсутствующие конечности, состоят из механико-электрических элементов, микроконтроллеров с искусственным интеллектом, а также способны управляться от нервных окончаний человека.

Роботы для медицинских учреждений и роботы-помощники - являются альтернативой санитарам, медсестрам и медбратам, сиделкам, няням и другому медицинскому персоналу, способны обеспечивать уход и внимание пациенту, помогать в реабилитации, обеспечивать постоянную связь с лечащим врачом, транспортировать больного.

Нанороботы - микророботы, действующие в организме человека на молекулярном уровне. Разрабатываются для диагностики и лечения раковых заболеваний, проведения исследований кровеносных сосудов и восстановления поврежденных клеток, могут анализировать структуру ДНК, проводить ее корректировку, уничтожать бактерии и вирусы и т.д.

Другие специализированные медицинские роботы - существует огромное количество роботов, помогающие в том или ином процессе лечения человека. Например, устройства, которые способны автоматически перемещаться, дезинфицировать и кварцевать больничные помещения, замерять пульс, брать кровь на анализ, производить и выдавать медикаменты и др.

Рассмотрим подробнее каждый вид роботов на примерах современных автоматизированных устройств, разрабатываемых и внедренных во многих сферах медицины.

Роботы-хирурги и роботизированные хирургические системы:

Самым известным роботом-хирургом во всем мире является аппарат "Da Vinci". Устройство, произведенное компанией Intuitive Surgical, весит полтонны и состоит из двух блоков, один - блок управления, предназначен для оператора, а второй - четырёхрукий автомат, который выполняет роль хирурга. Манипулятор с искусственными запястьями имеет семь степеней свободы, аналогично с рукой человека, и 3D визуализационную систему, которая выводит трехмерное изображение на монитор. Такая конструкция повышает точность движений хирурга, исключает тремор рук, неловкие движения, уменьшает длину разрезов и кровопотерю во время операции.

Робот хирург Da Vinci

С помощью робота возможно провести огромное количество различных операций таких, как восстановление митрального клапана, реваскуляризация миокарда, абляция тканей сердца, установка эпикардиального электронного стимулятора сердца для бивентрикулярной ресинхронизации, операции на щитовидной железе , желудочное шунтирование, фундопликация по Nissen, гистерэктомия и миомэктомия, операции на позвоночнике, замена дисков, тимэктомия - операция по удалению вилочковой железы, лобэктомия легкого, операции в урологии , эзофагоэктомия, резекция опухоли средостения, радикальная простатэктомия, пиелопластика, удаление мочевого пузыря, перевязка и развязка маточных труб , радикальная нефрэктомия и резекция почки, реимплантация мочеточника и другие.

В настоящее время развернулась борьба за рынок медицинских роботов и автоматизированных хирургических систем. Ученые и компании-производители медицинского оборудования стремятся внедрить свои устройства, поэтому с каждым годом появляется все больше роботизированных аппаратов.

Конкурентами "Da Vinci" стали новый робот-хирург MiroSurge , предназначенный для операций на сердце, роботизированная рука от компании UPM для точной вставки игл, катетеров и других хирургических инструментов в процедурах минимально инвазивной хирургии, хирургическая платформа под названием IGAR от компании CSII , роботизированная система-катетер Sensei X , производства Hansen Medical Inc для проведения сложных операций на сердце, система для трансплантации волос ARTAS от Restoration Robotics , хирургическая система Mazor Renaissance , которая помогает производить операции на позвоночнике и головном мозге, робот-хирург от ученых из SSSA Biorobotics Institute , а также робот-помощник для отслеживания хирургических инструментов от GE Global Research , находящийся в стадии разработки, и многие другие. Роботизированные хирургические системы служат ассистентами или помощниками для врачей и не являются полностью автономными устройствами.

Робот хирург MiroSurge

Робот хирург от UPM

Робот хирург IGAR

Робот катетер Sensei X

Роботизированная система по трансплантации волос ARTAS

Робот хирург Mazor Renaissance

Робот хирург от SSSA Biorobotics Institute

Робот для отслеживания хирургических инструментов от GE Global Research

Роботы-симуляторы пациентов:

Для отработки практических навыков будущих врачей существуют специальные роботы-манекены, которые воспроизводят функциональные особенности сердечно–сосудистой, дыхательной, выделительной систем, а также непроизвольно реагируют на различные действия обучающихся, например, при введении фармакологических препаратов. Самый популярный робот-симулятор пациента – HPS (Human Patient Simulator) от американской компании METI. К нему можно подключить прикроватный монитор и отслеживать показатели кровяного давления, минутного сердечного выброса, ЭКГ и температуры тела. Устройство способно потреблять кислород и выделять углекислый газ, как при настоящем дыхании. В режиме анестезии возможно поглощение или выделение закиси азота. Такая функция обеспечивает отработку навыков по искусственной вентиляции легких. Зрачки в глазах робота способны реагировать на свет, а подвижные веки закрываются или открываются в зависимости от того, находится ли пациент в сознании. На сонных, плечевых, бедренных, лучевых подколенных артериях прощупывается пульс, который меняется автоматически и зависит от артериального давления.

Симулятор HPS имеет 30 профилей пациентов с различными физиологическими данными, имитируя здорового мужнину, беременную женщину, пожилого человека и т.д. В процессе обучения моделируется определенный клинический сценарий, в котором описывается место действия и состояние пациента, цели, необходимое оборудование и медикаменты. Робот имеет фармакологическую библиотеку, состоящую из 50 препаратов, включая газообразные анестетики и внутривенные препараты. Управление манекеном производится с помощью беспроводного компьютера, позволяя инструктору контролировать все аспекты процесса обучения непосредственно рядом со студентом.

Следует отметить большую популярность манекенов-симуляторов рожениц, например, GD/F55. Он разработан для обучения медицинского персонала в отделениях акушерства и гинекологии, позволяет отработать практические навыки и умения в гинекологии, акушерстве, неонтологии, педиатрии, интенсивной терапии и сестринском уходе в родильном отделении. Робот Simroid имитирует пациента в кресле стоматолога, его ротовая полость в точности повторяет человеческую. Устройство способно симулировать звуки и стон, которые создает человек, если ему больно. Существуют роботы-тренажеры для обучения манипуляционной технике. Это, по сути, муляж человека с имитаторами вен и сосудов, выполненных из эластичных трубок. На таком устройстве студенты отрабатывают навыки венесекции, катетеризации, венепункции.

Экзоскелеты и роботизированные протезы:

Один из самых известных медицинских устройств является роботизированный костюм - экзоскелет. Он помогает людям с ограниченными физическими возможностями перемещать свои тела. В момент, когда человек пытается пошевелить руками или ногами, специальные датчики на коже считывают небольшие изменения в электрических сигналах организма, приводя в рабочее состояние механические элементы экзоскелета. Одними из популярных устройств стали Walking Assist Device (вспомогательное устройство для ходьбы) от японской компании Honda , реабилитационный экзоскелет HAL от компании Cyberdyne , широко применяемый в японских больницах, аппарат Parker Hannifin университета Вандербильта (Vanderbilt University) , дающий возможность двигать суставами бедер и колен, мощный экзоскелет NASA Х1 , разработанный для космонавтов и парализованных людей, экзоскелет Kickstart от Cadence Biomedical , работающий не от батареи, а использующий кинетическую энергию, генерируемую человеком при ходьбе, экзоскелеты eLEGS, Esko Rex, HULC от производителя Ekso Bionics , ReWalk от компании ARGO , Mindwalker от компании Space Applications Services , помогающие парализованным людям, а также уникальный мозг-машинный интерфейс (BMI) или просто экзоскелет для мозга MAHI-EXO II для восстановления двигательных функций методом считывания мозговых волн.

Широкое применение экзоскелетов помогает многим людям во всем мире почувствовать себя полноценными. Даже полностью парализованные люди уже сегодня имеют возможность ходить. Ярким примером служат роботизированные ноги физика Амита Гоффера , которые управляются с помощью специальных костылей и могут автоматически определять, когда нужно сделать шаг, распознавать речевые сигналы "вперед", "сидеть", "стоять".

Экзоскелет для ходьбы Walking Assist

Экзоскелет HAL от Cyberdyne

Экзоскелет Parker Hannifin

Экзоскелет NASA Х1

Экзоскелет Kickstart от Cadence Biomedical

Экзоскелет HULC от Ekso Bionics

Экзоскелет ReWalk от ARGO

Экзоскелет Mindwalker от Space Applications Services

Экзоскелет для мозга MAHI-EXO II

Экзоскелет от Амит Гоффера

Но что же делать, когда конечности отсутствуют? Это касается в основном ветеранов войны, а также жертв случайных обстоятельств. В связи с этим такие компании, как компания Quantum International Corp (QUAN) и их экзопротезы и Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) совместно с Департаментом помощи ветеранам, Центром реабилитации и Службой развития США вкладывают огромные средства в исследование и разработку роботизированных протезов (бионических рук или ног), которые обладают искусственным интеллектом, способные чувствовать окружающую среду и распознавать намерения пользователя. Эти устройства с точностью имитируют поведение природных конечностей, а также управляются с помощью собственного мозга (микроэлектроды, имплантированные в мозг, или датчики считывают нейросигналы и передают их в виде электрических сигналов в микроконтроллер). Обладатель самой популярной бионической руки стоимостью в 15000 долларов США - британец Найджел Экланд, который ездит по миру и пропагандирует использование искусственных роботизированных протезов.

Одним из важных научных разработок стали искусственные роботизированные лодыжки iWalk BiOM , разработанные профессором Массачусетского технологического института Хью Херром (Hugh Herr) и его группой биомехатроники в лаборатории MIT Media Lab. iWalk получает финансирование от американского Департамента по делам ветеранов и Министерства обороны, и поэтому многие инвалиды-ветераны, служившие в Ираке и Афганистане, уже получили свои бионические лодыжки.

Роботизированные лодыжки iWalk BiOM

Ученые со всего мира стремятся не только улучшить функциональные особенности роботизированных протезов, а придать им реалистичный вид. Американские исследователи во главе с Женан Бао (Zhenan Bao) из Стэнфордского университета (Stanford University) в Калифорнии, создали нанокожу для медицинских протезных устройств . Это полимерный материал обладает высокой гибкостью, прочностью, электропроводностью и чувствительностью к давлению (считывание сигналов по типу сенсорных панелей).

Нанокожа из Stanford University

Роботы для медицинских учреждений и роботы-помощники:

Больница будущего - больница с минимальным человеческим персоналом. С каждым днем в медицинские учреждение все больше внедряются роботы-медсестры, роботы-медбратья и роботы телеприсутствия для контакта с лечащим врачом. Например, в Японии уже давно работают роботы-санитары от Panasonic , роботы-помощники Human Support Robot (HSR) от компании Toyota , ирландский робот-медбрат RP7 от разработчика InTouch Health, корейский робот KIRO-M5 и многие другие. Такие устройства представляют собой платформу на колесах и способны измерять пульс, температуру, контролировать время приема пищи и медикаментов, своевременно оповещать о проблемных ситуациях и необходимых действиях, поддерживать связь с живым медицинским персоналом, собирать разбросанные или упавшие вещи и т.д.

Роботы-санитары от Panasonic

Робот-помощник HSR от Toyota

Робот медбрат RP7 от InTouch Health

Робот-медсестра KIRO-M5

Зачастую, в условиях непрерывного медицинского обслуживания, врачи физически не могут уделить достаточно внимания пациентам, особенно если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Разработчики роботизированной медицинской техники постарались и создали роботов-телеприсутствия (например, LifeBot 5 , или RP-VITA от компании iRobot и InTouch Health). Автоматизированные системы позволяют передавать аудио и видео сигнал через сети 4G, 3G, LTE, WiMAX, Wi-Fi, спутниковую или радиосвязь, измерять сердцебиение пациента, кровяное давление и температуру тела. Некоторые устройства могут выполнять электрокардиографию и УЗИ, имеют электронный стетоскоп и отоскоп, перемещаются в больничных коридорах и палатах, огибая препятствия. Такие медицинские помощники обеспечивают своевременный уход и обрабатывают клинические данные в режиме реального времени.

Робот телепристутсвия LifeBot 5

Робот телепристутсвия RP-VITA

Для безопасной транспортировки образцов, лекарств, оборудования и расходных материалов в больницах, лабораториях и аптеках с большим успехом используются роботы-курьеры. Помощники имеют современную навигационную систему и бортовые датчики, позволяющие с легкостью передвигаться в помещениях со сложной планировкой. К яркими представителям подобных устройств можно отнести американские RoboCouriers от компании Adept Technology и Aethon из Медицинскомго центра University of Maryland , японские Hospi-R от Panasonic и Terapio от компании Adtex .

Робот курьер RoboCouriers от Adept Technology

Робот курьер Aethon

Робот курьер Hospi-R от Panasonic

Робот курьер Terapio от Adtex

Отдельным направлением развития роботизированной медицинской техники является создание колясок-трансформеров, автоматизированных кроватей и специальных транспортных средств для инвалидов. Вспомним о таких разработках, как кресло с резиновыми гусеницами Unimo от японской компании Nano-Optonics , (Chiba Institute of Technology) под руководством доцента Шуро Накаджима (Shuro Nakajima), использующая ноги-колеса для преодоления лестниц или канав, робоколяска Tek Robotic Mobilisation Device от компании Action Trackchair. Компания Panasonic готова решить проблему переноса больного с кресла на кровать, требующую больших физических усилий медицинского персонала. Это устройство самостоятельно превращается из кровати в кресло и наоборот, когда это необходимо. Компания Murata Manufacturing Co объединилась с Kowa, что бы сделать инновационное медицинское транспортное средство Electric Walking Assist Car , представляющее собой автономный велосипед с маятниковой системой управления и гироскопом. Эта разработка в основном предназначена для престарелых и людей, которые имеют проблемы с ходьбой. Отдельно отметим серию японских роботов RoboHelper от Muscle Actuator Motor Company , которые являются незаменимыми помощниками медсестрам по уходу за лежачими пациентами. Аппараты способны поднять человека с кровати в сидячее положение или забрать физические отходы лежачего человека, исключая использование горшков и уток.

Нанороботы:

Нанороботы или наноботы - роботы размером с молекулу (менее 10 нм), способные двигаться, считывать и обрабатывать информацию, а также программироваться и выполнять определенные задачи. Это совершенно новое направление в развитии робототехники. Сферы использования таких устройств: ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки, биомедицинский инструментарий, хирургия, фармакокинетика, мониторинг больных диабетом, производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам, военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия, космические исследования и разработки и др.

На данный момент известны разработки медицинских микроскопических роботов для выявления и лечения рака от южнокорейских ученых , биороботы от ученых из университета штата Иллинойс , которые могут перемещаться в вязких жидкостях и биологических средах самостоятельно, прототип морской миноги - наноробот Cyberplasm , который будет передвигаться в организме человека, выявляя заболевания на ранней стадии, нанороботы инженера Адо Пуна , которые могут путешевствовать по кровеносной системе, доставлять лекарства, брать анализы и удалять сгустки крови, магнитный наноробот Spermbot - разработка ученого Oliver Schmidt и его коллег из Института интегративной нанонаук в Дрездене (Германия) для достаки спермы и лекарств, наноботы для замены белков в организме от ученых из Венского университета (University of Vienna) совместно с исследователями из Университета природных ресурсов и наук о жизни Вены (University of Natural Resources and Life Sciences Vienna).

Микророботы Cyberplasm

Нанороботы Адо Пуна

Магнитный наноробот Spermbot

Нанороботы для замены белков

Другие специализированные медицинские роботы:

Существует огромное количество специализированных роботов, выполняющих отдельные задачи, без которых невозможно представить себе эффективное и качественное лечение. Одними из таких устройств являются роботизированный кварцевый аппарат Xenex и робот-дезинфектор TRU-D SmartUVC от Philips Healthcare . Несомненно, такие аппараты просто незаменимые помощники в борьбе с внутрибольничными инфекциями и вирусами, которые служат одной из самых серьезных проблем в медицинских учреждениях.

Роботизированный кварцевый аппарат Xenex

Робот-дезинфектор TRU-D SmartUVC от Philips Healthcare

Сбор анализа крови - наиболее распространенная медицинская процедура. Качество при выполнении процедуры зависит от квалификации и физического состояния медицинского работника. Зачастую попытка взять кровь с первого раза заканчивается неудачей. Поэтому для решения этой проблемы был разработан робот Veebot , имеющий компьютерное зрение, с помощью которого он определяет местоположение вены и аккуратно направляет туда иглу.

Робот для забора крови Veebot

Робот для изучения рвотного процесса Vomiting Larry позволяет исследовать норовирусы, приводящие к 21 миллиону заболеваний, включающие симптомы тошноты, водянистой диареи, боли в животе, потери вкуса, общей вялости, слабости, боли в мышцах, головнуюой боли, кашля, субфебрильной температуры, и, конечно, сильной рвоты.

Робот для изучения рвотного процесса Vomiting Larry

Самым популярным роботом для детей остается PARO - пушистая детская игрушка в виде гренландского тюленя. Терапевтический робот может шевелить головой и лапами, распознавать голос, интонацию, прикосновения, измерять температуру и освещенность в комнате. Его конкурентом является огромный обнимающийся плюшевый робот-медведь HugBot , который замеряет пульс и кровяное давление.

Терапевтический робот PARO

Робот-медведь HugBot

Отдельная ветка медицины, занимающаяся диагностикой, лечением болезней, травм и расстройств у животных - это ветеринария. Для обучения квалифицированных специалистов в этой области Колледж ветеринарной медицины в разработке роботов-домашних животных создает уникальных роботов-тренажеров в виде собак и кошек . Для приближения к точной модели поведения животного программное обеспечение разрабатывается отдельно в Центре перспективных вычислительных систем при Корнельском университете (САС).

Роботы-тренажеры в виде собак и кошек

Эффективность роботов в медицине:

Очевидно, что применение роботов в медицине носит ряд преимуществ перед традиционным лечением с участием человеческого фактора. Использование механических рук в хирургии предотвращает многие осложнения и ошибки при операциях, сокращают послеоперационный восстановительный период, уменьшают риск заражения и инфицирования больного и персонала, исключают большую потерю крови, снижают болевые ощущения, способствуют лучшему косметическому эффекту (небольшие рубцы и шрамы). Роботизированные медицинские помощники и реабилитационные роботы позволяют уделить пристальное внимание к пациенту во время лечения, контролировать процесс выздоровления, ограничить живой персонал от трудоемкой и неприятной работы, позволить больному чувствовать себя полноценным человеком. Инновационные методы лечения и оборудование с каждым днем приближают нас к более здоровой, безопасной и долгой жизни.

С каждым годом мировой рынок медицинских роботов пополняется новыми устройствами и, несомненно, растет. По данным исследовательской компании Research and Markets, к 2020 году рынок только одних реабилитационных роботов, биопротезов и экзоскелетов вырастит до 1,8 млрд. долларов США. Главным бумом медицинских роботов ожидается после принятия единого стандарта ISO 13482 , который станет сводом правил для элементов конструкции, материалов и программного обеспечения, применяемого в устройствах.

Заключение:

Без сомнения можно сказать, что медицинские роботы- это будущее медицины. Применение автоматизированных систем значительно сокращает врачебные ошибки, уменьшает дефицит медицинского персонала. Наноробототехника помогает преодолеть тяжелые заболевания и предотвратить осложнения на ранней стадии, широко применять эффективные нанолекарства. В течении ближайших 10-15 лет медицина ступит на новый уровень с использованием роботизированного обслуживания. К сожалению, Украина находится в плачевном состоянии в отношении этой отрасли развития. К примеру, в России в Екатеринбурге знаменитый робот-хирург "Da Vinci" провел свою первую операцию еще в 2007 году. А в 2012 году президент Дмитрий Анатольевич Медведев поручил Минздраву России вместе с Минпромторгом проработать вопрос по развитию новых медицинских технологий с применением робототехники. Эту инициативу поддержала Российская академия наук. Реалия такова, что при отсутствии реальной поддержки власти Украины в развитии области медицинской робототехники, наше государство с каждым годом отстает от других цивилизованных стран. Отсюда следует показатель уровня развития страны в целом, ведь забота о здоровье и жизни гражданина, упомянутая в главном законе - Конституции Украины, является "наивысшей социальной ценностью".

Опубликовано: Архипов М.В., Головин В.Ф., Журавлев В.В. Мехатроника, автоматизация, управление, № 8, М., 2011, с. 42 – 50

Обзор 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