Конспект содержит материалы, излагаемые в лекционном курсе, с необходимыми рисунками и схемами

Системы для измерения механических величин

К ним в первую очередь относятся весы. Основным направлением автоматизации в медицинском весоизмерительном оборудовании является накопление данных, их статистическая обработка и определение дополнительных параметров (доля жира, воды и т. п.).

Робототехнические системы медицинского назначения

Роботом принято называть устройство, самостоятельно собирающее информацию о внешней среде и на ее основе формирующее модель поведения.

Медицинские РТС можно разделить на следующие разновидности:
1. Биоуправляемые протезы
2. Тренажеры
3. Тренажеры-имитаторы человека
4. Роботы для выполнения простых рутинных вспомогательных операций, в том числе транспортные.
5. Роботы для хирургии
6. Микророботы
Биоуправляемые протезы рассматриваются в курсе «Конструирование и производство систем замены органов и аппаратура для инвалидов».
Роботы-тренажеры предназначены для восстановления функций у людей с ограниченными возможностями, а также для ухода за ними (эту разновидность иногда называют робот-нянька). Один из них – робот-тюлень Paro стоимостью $2956. Этот электронный детеныш-тюлень был создан в терапевтических целях. Около 800 таких тюленей арендуются сегодня центрами реабилитации, госпиталями и домами престарелых. Обтянутый нежным мехом, робот, способный реагировать на голос, движения, предназначен для снятия депрессии и стресса у пациента, улучшения душевного состояния. Особенно по душе Paro пришелся по душе японским детям, за что заслуженно получил награду «Робот года 2006» (рис. 117) [34].



Рис. 117. Робот-тюлень Paro

Другая модель также отличается завидной «полезностью» для престарелых и больных людей. Уже доступный на рынках Японии и Европы, робот My Spoon с помощью руки-джойстика накормит владельца, будь то немощный старик или годовалый ребенок. My Spoon можно настроить «под себя», что позволит превратить трапезу в приятный и неторопливый процесс. Стоимость My Spoon пока оставляет желать лучшего – $3454. Этот робот также стал одним из лучших роботов 2006 года.

Благодаря стараниям сотрудничества роботостроителей японского университета Tohoku свет увидел один из роботов помощников больным людям – Walking Partner Robot. Этот робот призван помогать реабилитирующимся после травм людям вновь с легкостью обретать навыки хождения (рис. 118) [34].

Рис. 118. Walking Partner Robot

Walking Partner Robot оснащен системой сенсоров, которые обнаруживают присутствие препятствий, ступенек, и т.п. при проверке движения и поведения пользователя. Три сенсора проверяют статус человека, обнаруживая и измеряя расстояние до потенциальных препятствий. Робот реагирует на изменения, сопровождая процесс речевыми предупреждениями, и автоматически останавливается или притормаживает когда необходимо. Также новинку можно будет использовать не только в больничных палатах, а и в повседневной жизни – очень кстати Walking Partner Robot придется пожилым людям, которым сложно передвигаться. Также планируется начать разработку «уличной» версии Walking Partner Robot, для прогулок по аллеям и паркам. Предположительно цена новинки составит около $4200.

Недавно американские пациенты с болезнью Альцгеймера получили помощника, который облегчает им общение с врачами и родственниками [35]. 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 [35]. 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.
Тренажеры-имитаторы человека предназначены для обучения медицинского персонала различным операциям – искусственное дыхание, массаж и т. д. Это может быть полноразмерный манекен или его часть (например, грудная часть) с набором датчиков и исполнительных элементов. Пример: тренажеры Максим-I, Максим-II, Максим-III российской фирмы ООО «Квазар» [36].
Для выполнения рутинных операций разработаны, например, робот-санитар, робот-медсестра, робот-фармацевт, транспортные роботы.
На публичной демонстрации в Токио инженеры-разработчики представили общественности довольно необычного робота-санитара, обладающего потрясающими тактильными и физическими способностями. Главной задачей устройства стала работа с довольно тяжелыми объектами – 30-кг грузом и человекоподобной куклой-пациентом весом в 66 кг (рис. 119) [34].



Рис. 119. Робот-санитар

Профессор Университета Токио Ясуо Кунйоши (Yasuo Kuniyoshi) и его команда довольно долго работали над созданием 155-см робота, вес которого составляет 70 кг. Специальное программное обеспечение позволяют роботу очень точно координировать свои движения, а более 1800 тактильных сенсоров обеспечивают совершенный контроль над тяжелыми предметами и грузами.

По словам Ясуо, весь секрет заключается в симбиозе использования сенсоров и небольших двигателей. Именно это придает роботу практически человеческую силу. Более того, применение в домашних условиях роботов с мощными моторами небезопасно. Небольшая совокупная мощность каждого из шарниров, действующих во время выполнения операций, позволяет успешно оперировать с серьезными нагрузками.
Нужно сказать, что для транспортировки грузов различной массы и размера робот использовал всевозможные подходы. К примеру, чтобы поднять 30-кг пакет, робот одной рукой пододвинул его к краю стола и уже потом другой рукой этот груз подхватил. В случае с «пациентом», роботу пришлось просунуть руки под куклу, что обеспечило нормальные условия для хватки и транспортировки.
Складывается впечатление, что робототехника, практически ежедневно анонсируемая японскими разработчиками, вскоре отберет у обычных людей рабочие места и оставит уволенных сотрудников на улицах. Яркий пример тому – выход на работу робота-медсестры в Центральной Больнице Aizu префектуры Fukushima в Японии [34].
Руководство больницы приняло решение завербовать несколько ярких цветных роботов, которые будут выполнять работу секретарш и простых медсестер (рис. 120). К примеру, зеленый андроид с легкостью сможет провести Вас в назначенную комнату или палату. Более полный его коллега синего цвета, очевидно, любит сидячую работу и всегда норовит посплетничать. Этому роботу, наверное, определят место секретарши в приемной. Неизвестно, приживутся ли новые сотрудники в коллективе больницы, и как к ним будут относиться больные, может, начнут специально ходить в больницу, выдумывая всякие недуги только чтобы поглазеть на диковинку.

Рис. 120. Робот-медсестра

Электронно-механическое чудо, работающее в большом подвале Пресвитерианской больницы в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико, зовут Рози, робот-фармацевт [35]. «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.
Транспортные роботы в медицине используют довольно давно. Еще в 1977 году в Фэрфакской окружной больнице (США) была внедрена транспортная система на основе мобильного робота AMS car [37].
Американская компания Intuitive Surgical представила медицинской общественности новую роботизированную хирургическую систему под кодовым названием «да Винчи» (da Vinci) [35]. 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 (рис. 121). Такие инструменты с дистанционным управлением можно использовать для точных операций на небольших и труднодоступных участках тела.



Рис. 121. Робот-хирург «да Винчи»

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 Штатах байпас или 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.
Исследователи двух японских университетов (Ritsumeikan University и Shiga University of Medical Science) создали прототип миниатюрного медицинского робота. Длина робота всего 2 см, диаметр 1 см (рис. 122) [34]. Мини робот (minibot) вводится в организм пациента через надрез и может свободно «плавать» по организму, делая снимки и выполняя ряд хирургических действий. Робот управляется врачами через внешний пульт управления, установленный рядом с пациентом. Использование такого робота помогает в ряде случаев избежать прямого хирургического вмешательства.

Рис. 122. Minibot
Предварительно делаются снимки организма пациента, которые потом служат картой для мини робота. Визуальные данные выводятся на экран компьютера через кабель диаметром 2 мм, который также может служить спасательным тросом, если мини робот потеряется в дебрях организма или застрянет.
Не понятно, насколько свободно и как далеко может заплывать мини робот в организме… А еще интересно, каково это – чувствовать как по твоему организму плавает робот хирург. Но желания чудо устройство испытать на себе пока не возникало.