Сегодня исследовательские группы по всему миру пытаются нащупать концепцию использования роботов в медицине. Хотя правильнее, пожалуй, говорить «уже нащупали». Судя по количеству разработок и интересу всевозможных научных групп, можно утверждать о том, что магистральным направлением стало создание медицинских микророботов. Сюда же можно отнести и роботов с приставкой «нано-». Причём первые успехи в этой области были достигнуты сравнительно недавно, всего восемь лет назад.
В 2006 году группа исследователей под руководством Сильвана Мартеля впервые в мире провела успешный эксперимент, запустив крошечного робота размером с шарик от авторучки в сонную артерию живой свиньи. При этом робот перемещался по всем назначенным ему «путевым точкам». И за прошедшие с тех пор годы микроробототехника несколько продвинулась вперёд.
Одной из главных целей для инженеров сегодня является создание таких медицинских роботов, которые будут способны перемещаться не только по крупным артериям, но и по относительно узким кровеносным сосудам. Это позволило бы проводить сложные виды лечения без столь травматического хирургического вмешательства.
Но это далеко не единственное потенциальное преимущество микророботов. В первую очередь, они были бы полезны при лечении рака, целенаправленно доставляя лекарство прямо к злокачественному образованию. Ценность такой возможности сложно переоценить: при химиотерапии препараты подаются через капельницу, нанося сильнейший удар по всему организму. По сути, это сильный яд, который повреждает многие внутренние органы и, за компанию, саму опухоль. Это сравнимо с ковровой бомбардировкой ради уничтожения небольшой одиночной цели.
Задача создания подобных микророботов находится на стыке целого ряда научных дисциплин. Например, с точки зрения физики - как заставить столь малый объект самостоятельно двигаться в вязкой жидкости, которой для него является кровь? С точки зрения инженерии - как обеспечить робота энергией и как отслеживать перемещение по организму крохотного объекта? С точки зрения биологии - какие использовать материалы для изготовления роботов, чтобы они не наносили вреда организму человека? А в идеале, роботы должны быть биоразлагаемыми, чтобы не пришлось ещё решать проблему их вывода из организма.
Одним из примеров того, как микророботы могут «загрязнять» тело пациента, является «биоракета».
Этот вариант микроробота представляет собой титановое ядро, окружённое оболочкой из алюминия. Диаметр робота 20 мкм. Алюминий вступает в реакцию с водой, в ходе которой на поверхности оболочки формируются пузырьки водорода, которые толкают всю конструкцию. В воде такая «биоракета» проплывает за одну секунду расстояние, равное 150 своим диаметрам. Это можно сравнить с человеком двухметрового роста, который за секунду проплывает 300 метров, 12 бассейнов. Работает такой химический двигатель около 5 минут благодаря добавке галлия, уменьшающего интенсивность образования оксидной плёнки. То есть максимальный запас хода составляет около 900 мм в воде. Направление движению задаётся роботу внешним магнитным полем, а использовать его можно для точечной доставки лекарств. Но только после иссякания «заряда», в пациенте окажется россыпь микрошариков с алюминиевой оболочкой, который отнюдь не благотворно влияет на организм человека, в отличие от биологически нейтрального титана.
Микророботы должны быть так малы, что просто масштабировать до нужного размера традиционные технологии не получится. Никаких стандартных деталей подходящего размера тоже не производят. А даже если бы и производили, они бы просто не подошли для таких специфических нужд. И потому исследователи, как это уже много раз было в истории изобретений, ищут вдохновения у природы. Например, у тех же бактерий. На микро, и тем более наноуровне действуют совсем другие физические законы. В частности, вода является очень вязкой жидкость. Поэтому нужно применять другие инженерные решения для обеспечения движения микророботов. Бактерии эту задачу зачастую решают с помощью ресничек.
В начале этого года группа исследователей из Университета Торонто создала прототип микроробота длиной в 1 мм, управляемого внешним магнитным полем и оснащённого двумя захватами. Разработчикам удалось с его помощью построить мост. Также этот робот может использоваться не только для доставки лекарств, но и для механического восстановления тканей в кровеносной системе и органах.
Мускульные роботы
Ещё одно интересное направление в микроробототехнике - роботы, приводимые в движение мускулами. Например, есть такой проект: стимулируемая электричеством мышечная клетка, к которой прикреплён робот, чей «хребет» сделан из гидрогеля.
Эта система, по сути, копирует природное решение, встречающееся в организмах многих млекопитающих. Например, в теле человека сокращение мышц передаётся костям через сухожилия. В данном биороботе, когда клетка сокращается под действием электричества, то «хребет» сгибается и поперечные перекладины, выполняющие роль ног, притягиваются друг к другу. Если одна из них при сгибании «хребта» перемещается на меньшее расстояние, то робот движется по направлению к этой «ноге».
Есть и другое видение, какими должны быть медицинские микророботы: мягкими, повторяющими формы различных живых существ. Например, вот такая робо-пчела (RoboBee).
Правда, она предназначена не для медицинских целей, а для целого ряда других: опыления растений, поисково-спасательных операций, обнаружения ядовитых веществ. Авторы проекта, конечно, не копируют слепо анатомические особенности пчелы. Вместо этого они внимательно анализируют всевозможные «конструкции» организмов различных насекомых, адаптируя и воплощая их в механике.
Или другой пример использования имеющихся в природе «конструкций» - микроробот в виде двустворчатого моллюска. Движется он с помощью хлопанья «створок», создавая тем самым реактивную струю. При размере около 1 мм он может плавать внутри человеческого глазного яблока. Как и большинство других медицинских роботов, этот «моллюск» в качестве источника энергии использует внешнее магнитное поле. Но есть важное отличие - он лишь получает энергию для движения, само поле его не двигает, в отличие от большинства других видов микророботов.
Большие роботы
Конечно, одними лишь микророботами парк медицинской техники не ограничивается. В фантастических фильмах и книгах медицинские роботы обычно представляются в виде замены хирурга-человека. Мол, это некое крупное устройство, которое быстро и очень точно производится всевозможные хирургические манипуляции. И не удивительно, что эта идея была реализована одной из первых. Конечно, современные хирургические роботы не способны заменить человека целиком, но зашивание им уже вполне доверяют. Также они используются в качестве продолжения рук хирурга, как манипуляторы.
Однако в медицинской среде не утихают споры относительно целесообразности использования таких машин. Многие специалисты придерживаются мнения, что особых выгод такие роботы не дают , а благодаря своей высокой цене существенно увеличивают стоимость медицинских услуг. С другой стороны, есть исследование , согласно которому пациентам с раком простаты, подвергавшимся хирургической операции с роботом-ассистентом, в дальнейшем требуется менее интенсивное применение гормональных средств и радиотерапии. В общем, неудивительно, что усилия многих учёных оказались направлены на создание микророботов.
Интересным проектом является Робонавт (Robonaut), телемедицинский робот, предназначенный для оказания помощи космонавтам. Это пока экспериментальный проект, но такой подход может быть использован не только для оказания таким важным и дорогим в подготовке людям, как космонавты. Телемедицинские роботы могут быть использованы и для оказания помощи в различных труднодоступных районах. Конечно, это будет целесообразно только в том случае, если дешевле будет установить в лазарете какого-нибудь глухого таёжного или горного посёлка робота, чем держать фельдшера на зарплате.
А этот медицинский робот ещё более узкоспециализирован, он используется для лечения облысения. ARTAS занимается автоматическим «выкапыванием» волосяных фолликул из кожи головы пациента, основываясь на фотографиях высокого разрешения. Потом врач-человек вручную внедряет «урожай» в облысевшие участки.
Всё-таки мир медицинских роботов вовсе не так однообразен, как может показаться неискушённому человеку. Более того, он активно развивается, идёт накопление идей, результатов экспериментов, ищутся наиболее эффективные подходы. И кто знает, возможно, ещё при нашей жизни слово «хирург» будет означать врача не со скальпелем, а с баночкой микророботов, которых достаточно будет проглотить или внедрить через капельницу.
- >>
- Последняя
Медицинские роботы сегодня и завтра
Медицина всегда была сложна, сегодня о ней говорят, как об одной из сложнейших областей, которой овладело человечество. Тем не менее медицинские роботы могут ставить точные диагнозы и проводить лечение, и совсем скоро овладеют они и прочими медицинскими направлениями.
Мы рождены, мы живем, и в конце - мы умираем. Это правда. Однако качество нашей жизни часто коррелирует с нашим здоровьем. Вообще, чем здоровее, тем больше мы можем достичь - таким образом, мы счастливее.
Вот почему здоровье всегда было проблемой. В настоящее время медицина прошла очень долгий путь по сравнению со временем Гиппократа Кос. Теперь люди могут делать очень сложные операции, изобретать лекарства для различных болезней и так далее. Возникает вопрос: может ли медицина идти дальше и каким образом?
Ответ на первую часть вопроса «определенно». Однако ответы на вторую часть могут отличаться. Есть много заметных полей, которые могли бы изменить ход истории болезни, например, стволовые клетки. Тем не менее, я уверен, что поле робототехники и связанных с роботикой областей, таких как медицинская бионика и биомехатроника, будет играть большую роль в медицине в ближайшем будущем.
На самом деле, сейчас в этих областях происходит много интересных вещей. Итак, в этом разделе моего сайта я попытаюсь пролить свет на вопросы о медицинских роботах и областях, связанных с роботикой в медицине, сейчас и в будущем.
Операции с помощью робота
Медицинские роботы, которые могут делать операции, звучат чудесно, не так ли? Все существующие хирургические роботы в этот день на самом деле хитроумно сделаны манипуляторами, контролируемыми компетентными врачами. Есть некоторые проблемы с уровнем искусственного интеллекта, необходимые для самостоятельной работы, но это может быть достигнуто в один прекрасный день.
В настоящее время существует два поля, в которых разрабатываются и тестируются хирургические роботы. Одним из них является телеробота, позволяющая врачу делать операцию на расстоянии. Другое поле - минимально инвазивная хирургия - операция проводится без больших сокращений.
Система хирургии робота da Vinci - один из ярких примеров использования робототехники в хирургических целях. Более тысячи единиц используются во всем мире. Подробнее о роботизированной хирургии в целом.
Роботы новые сотрудники больниц
Больницы - это немного похоже на фабрики. Есть много мирских задач. Например - перенос вещей, перемещение образцов с одного аппарата на другой, очистка. Есть также задачи, требующие некоторой силы. Например, подъем и перемещение пациентов.
Я полагаю, вы поняли, что есть много задач, которые могут выполнять медицинские роботы. В этой области были некоторые разработки - есть роботы, предназначенные для лабораторного использования, есть AGV (Automated Guided Vehicle), предназначенные для использования в больницах.
Насколько я знаю, большинство из них находятся на стадии тестирования. Тем не менее, это, безусловно, выполнимая задача.
Терапевтические роботы
Медицинские роботы, используемые в терапии. Идея этого довольно похожа на терапию с животными, только роботы более предсказуемы. Подробнее о терапевтических роботах.
Биологическое протезирование
Это поле, связанное с роботикой. Результат не может считаться роботом, но включенные в него дисциплины весьма схожи - AI, электроника, механика и многое другое.
Великий сон заключается в том, что в один прекрасный день будут бионные руки и бионные ноги, столь же хорошие и функциональные (или даже лучше), как наши естественные конечности. Недавняя разработка в этой области довольно поразительна. Несколько компаний работают в этой области - Ossur , Otto Bock и Touch Bionics являются одними из тех, кого я знаю.
Применение и использование роботов в медицине в будущем
Возможно, это будет возможно в будущем. Идея состоит в том, чтобы разработать устройства размером до нескольких нанометров, отсюда и название - нано-роботы. Эти маленькие устройства могут затем использоваться разными способами. Например, для исправления сломанной кости или для доставки лекарства в нужное место или для уничтожения раковых клеток.
Возможности ограничены только воображением. К настоящему времени нанороботы находятся в стадии исследований и разработок, поэтому на самом деле это фантазия.
В мировую медицину активно интегрируются искусственный интеллект и сложные методы автоматизации из робототехники. Применение роботов поднимает здравоохранение на новый уровень, оптимизируя ход лечения, отслеживания динамики, проведения анализа и хирургических операций. Ниже представлена подборка из 10 любопытных медицинских роботов, выпущенных на сегодняшний день.
Робот-ассистент da Vinci
Производитель: компания Intuitive Surgical, США.
Головной офис компании Intuitive Surgical, Inc. расположен в городе Саннивейл, штат Калифорния. Считается мировым лидером в роботической малоинвазивной хирургии.
Краткая справка о роботе
Робот da Vinci разработан как вспомогательный инструмент для хирургов. Робот не запрограммирован под самостоятельное проведение операции, поскольку процедура и ход операции контролируются человеком дистанционно. Робот использует специальные инструменты, включая миниатюрные камеры для визуализации и стандартные инструменты (т.е. ножницы, скальпели и пинцеты), разработанные для точной диссекции при проведении полостных операций.
За 2016 год было проведено 750 000 операций с помощью da Vinci. С момента выпуска робота – 4 000 000. По состоянию на 31 декабря 2016 года в мире было установлено 3919 систем. В России – 26 систем во всех крупных городах. Создатели робота da Vinci нацелены на решение ряда проблем в хирургии. Во-первых, улучшенное качество изображения (в 3D), которое помогает хирургам и персоналу преодолеть ограничения невооруженного глаза при идентификации тканевых структур при операции. Во-вторых, внедрение интеллектуальных систем. Современные датчики, обеспечивающие одновременную обратную связь, упрощают выявление тканевых структур как источника осложнений и вариабельности.
Робот Preceyes
Производитель: компания Preceyes B.V., Голландия.
Головной офис компании Preceyes B.V. расположен в городе Эйндховен, провинция Северный Брабант. Целью компании считается развитие новых высокоточных методов терапии и облегчение способов проведения витреоретинальной хирургии.
Робот Preceyes разработан как деликатное роботизированное решение для помощи хирургам-офтальмологам при проведении операции. Робот не запрограммирован под самостоятельное проведение операции, поскольку процедура и ход операции контролируются человеком дистанционно – через сенсорный экран и джойстик. Компания Preceyes B.V. ставит еще одной своей целью повышение профессионализма хирургов, а не замену человека машиной.
Краткая справка о роботе
Первая операция с использованием робота Preceyes прошла в оксфордской клинике Джона Рэдклиффа в Великобритании в 2016 году. Создатели робота Preceyes нацелены на решение ряда проблем в хирургии:
- смягчение резких неосторожных движений хирурга, что помогает хирургу исключить повреждения внутренних органов;
- повышенная точность. Точность движений робота – 1 на 1000 долей миллиметра.
Робот Veebot
Производитель: стартап Veebot, США.
Информация о головном офисе отсутствует. Целью компании считается предоставление точного и непродолжительного забора крови у пациента с автоматизацией процесса и проведением инфузионной терапии.
Краткая справка о роботе
Робот Veebot пока проходит испытания и демонстрирует выбор места введения иглы в 83% случаев. Создатели машины заявляют о планах повысить результат до 90% перед проведением первых клинических испытаний. Для зажатия и улучшения визуализации вен робот оснащен рукавом. Также для улучшения видимости вен применяются инфракрасные и звуковые датчики, вид с камеры и четкий алгоритм для определения места, наклона и глубины введения иглы.
Робот SurgiBot
Производитель: компания TransEnterix, США.
Головной офис компании TransEnterix находится в городе Моррисвилль, штат Северная Каролина. Компания считается пионером в области применения робототехники для повышения качества малоинвазивной хирургии. Также компания нацелена на решение клинических и экономических сложностей при проведении лапароскопии.
Краткая справка о роботе
Роботизированная система SurgiBot TM разработана как малоинвазивная платформа с применением инструментов в ходе единичного рассечения. Применение гибких инструментов при операции контролируется хирургом из стерильного поля. Робот оснащен щупами, регулятором чувствительности управляющих ручек и камерой с фонариком, которая выводит изображение хода процесса на стандартный монитор.
Робот SurgiBot пока не доступен для покупки.
Робот Smart Tissue Autonomous Robot (STAR), США
Производитель: "Национальный детский медицинский центр" (Children"s National Medical Center), город Вашингтон, округ Колумбия. Ученые-разработчики нацелены на создание высокоточного робота для автономных операций на мягких тканях.
Краткая справка о роботе
Робот STAR основан на работе технологии NVIDIA GeForce GTX TITAN GPU с применением механической руки, с 3D-камерой, машинным зрением в ближнем диапазоне инфракрасных волн и биомаркерами для четкой ориентации в оперируемой полости.
Система Robodoc
Производитель: компания Curexo Technology Corporation, США.
Головной офис компании Curexo Technology Corporation расположен в городе Фремонт, штат Калифорния. Миссия компании заключается в повышении заботы о пациентах посредством работы над качеством и создания точных роботизированных платформ.
Краткая справка о роботе
На территории США, Европы, Японии, Кореи и Индии при помощи Robodoc было проведено 28000 операций по замене суставов.
Работа с роботом включает два этапа: планирование и составление плана перед операцией. В ходе первого этапа пациент проходит КТ-сканирование для получения и вывода изображения на 4 рабочих окна, составляющих один экран. После выбора и анализа точной анатомической структуры импланта из базы идет планирование операции с передачей информации на вспомогательный механизм ROBODOС Surgical Assistant. Робот оснащен фиксаторами и специальным регистратором DigiMatch, формирующим точное изображение картины костной ткани в пространстве.
Auris Robotic Endoscopy System (ARES)
Производитель: компания Auris Surgical Robotics, США.
Головной офис компании Auris Surgical Robotics расположен в Силиконовой долине. Компания нацелена на создание нового поколения хирургических роботов, способных расширить сферу применения специализированных платформ для проведения медицинских процедур.
Краткая справка о роботе
В конце 2014 года было проведено клиническое исследование с участием пациентов с подозрением развития рака. Типы хирургических операции проводятся за счет взаимозаменяемости механических рук робота с инструментами и гибкого эндоскопа. Среди инструментов отмечены лазеры, пинцеты, иглы и скальпели, при помощи которых хирург проведет биопсию, операцию по восстановлению слизистой желудка и иссечение опухолей. Робот не запрограммирован под самостоятельное проведение операции, поскольку процедура и ход операции контролируются человеком дистанционно через рабочую станцию на рабочем столе компьютера.
Роботизированная установка CorPath 200
Производитель: компания Corindus Vascular Robotics, США.
Головной офис компании Corindus Vascular Robotics расположен в городе Уолтем, штат Массачуссетс. Компания считается мировым лидером в области роботизированной сердечно-сосудистой хирургии.
Краткая справка о роботе
Роботизированная установка CorPath 200 предназначена для коронарной ангиопластики с расширением суженных или заблокированных артерий. Стандартное проведение операции допускает риск облучения из-за рентгена. Установка не запрограммирована под самостоятельное проведение операции, поскольку процедура и ход операции контролируются человеком дистанционно через джойстик. Удаленный контроль уточняет движение катетера и повышает безопасность пациента.
Магнитные микророботы
Производитель: Федеральная политехническая школа Лозанны (EPFL), Франция, и Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Швейцария.
Краткая справка о роботе
Магнитные микророботы предназначены для точечной доставки лекарственных веществ в организм пациента. Структура микроробота имитирует тело червя Trypanosoma brucei, который передвигается при помощи регулярного сжатия придатка-жгутика. Использование биосовместимого гидрогеля и магнитных наночастиц делает микророботов безмоторными, гибкими и мягкими. Управление проходит через электромагнитное поле, которое преобразует магнитные наночастицы в крепления и инициируют движение микроробота.
Страна-производитель: компания Medtech S.A., Франция.
Головной офис компании Medtech расположен в городе Монпелье. Миссия компании заключается в создании отношений, инструментов и программ, нацеленных на внедрение передовых медицинских решений на рынок медицинских услуг.
Краткая справка о роботе
Робот Rosa разработан для результативности и безопасности хирургических операций по неврологии. Робот Rosa – единственный роботизированный механизм, который прошел одобрение на проведение неврологических операций на территории Европы, США и Канады. Механизм работает по принципу GPS для черепа в ходе краниальных операций, требующих хирургического планирования на основании предоперационной информации, точной анатомии пациента и управления инструментами. Робот Rosa включает нейронавигационную станцию и высокоточный манипулятор, которые повышают безопасность и скорость точных нейрохирургических операций.
Профессор Дмитрий Пушкарь говорит: "Роботизированная хирургия стала настоящим переворотом в медицине. Робот da Vinci изменил качество хирургии во всем мире".
Применение роботов в медицине аналогично революции, которая предвосхищает тесное взаимодействие человека и технологий. Благодаря автоматизации снижается роль человеческого фактора, приводящего к ошибкам врачей, а лечение становится доступнее.
Фото: roboticsbusinessreview.com
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Подобные документы
Рассмотрение принципа работы медицинского робота "Да Винчи", позволяющего хирургам выполнять сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Применение роботов и современных нанотехнологий в медицине и их значение.
реферат , добавлен 12.01.2011
Описание истории развития робототехники и применения ее в хирургических операциях на примере программно-управляемого автоматического манипулятора Да Винчи с инструментом Endo Wrist. Создание плавающей капсулы с камерой и эндолюминальной системы ARES.
реферат , добавлен 07.06.2011
Правильная и своевременная обработка рук как залог безопасности медицинского персонала и пациентов. Уровни обработки рук: бытовой, гигиенический, хирургический. Основные требования к антисептикам для рук. Европейский стандарт обработки рук EN-1500.
презентация , добавлен 24.06.2014
Применение в медицине микроскопических устройств на основе нанотехнологий. Создание микроустройств для работы внутри организма. Методы молекулярной биологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы. Контейнеры для доставки лекарств и клеточной терапии.
реферат , добавлен 08.03.2011
Оказание первой медицинской помощи при несчастных случаях, бедствиях и авариях. Общие правила переноски и подъема пострадавших на носилках и без них при различны травматических повреждениях. Способы выноса пострадавших из очага бедствия или аварии.
реферат , добавлен 27.02.2009
Этиология, пато- и морфогенез рака прямой кишки. Маркеры онкогенеза, их прогностическая значимость. Основные критерии оценки результатов иммуногистихимического исследования и результаты состояния РПК у пациентов после радикального хирургического лечения.
дипломная работа , добавлен 19.05.2013
Общая характеристика и отличительные признаки различных методик обследования пациентов, используемых в современной медицине. Порядок и инструментарий для проведения обследования. Понятие и причины, разновидности одышки, направления ее исследования.
реферат , добавлен 12.02.2013
Разнообразие интересов и талантов Леонардо да Винчи. Проведение анатомических вскрытий художником, создание системы изображений органов и частей тела в поперечном сечении. Исследования в области сравнительной анатомии, содержание дневниковых записей.
презентация , добавлен 28.10.2013
". Перевод на русский язык редакции сайт
2.3 Медицина и робототехника
2.3.1 Обзор области
Здравоохранение и роботы
В результате демографических изменений во многих странах системы здравоохранения сталкиваются с возрастающей нагрузкой, поскольку им приходится обслуживать стареющее население. На фоне роста спроса на услуги совершенствуются процедуры, что приводит к улучшению результатов. Одновременно растут затраты на оказание медицинских услуг, несмотря на снижение числа людей, занятых в области оказания медицинской помощи.
Применение технологий, включая робототехнику, представляется частью возможного решения. В данном документе отрасль медицины разделена на три подобласти:
- Роботы для больниц (Clinical Robotics) : Можно определить соответствующие робототехнические системы, как те, что обеспечивают процессы "заботы" и "излечения". Прежде всего - это роботы для диагностики, лечения, хирургического вмешательства и ввода медикаментов, а также в системах экстренной помощи. Такие роботы управляются персоналом больницы или обученными специалистами в области заботы о пациентах.
- Роботы для реабилитации (Rehabilitation) : Такие роботы обеспечивают послеоперационную или посттравматическую помощь, когда прямое физическое взаимодействие с робототехнической системой будет либо ускорять процессс восстановления (выздоровления), либо обеспечивать замену утраченной функциональности (например, когда речь идет о протезе ноги или руки).
- Вспомогательные роботы (Assistive robotics) : В этот сегмент относят другие аспекты робототехники, применяемой в медицинской практике, когда первичным назначением робототехнических систем является обеспечение поддержки либо тому, кто оказывает медицинскую помощь, либо непосредственно пациенту, независимо от того, идет ли речь о больнице или о другом медицинском учреждении.
Все перечисленные поддомены характеризуются тем, что требуют обеспечения системами безопасности, которые принимают в расчет клинические потребности пациентов. В типовом случае управлением или настройками таких систем занимается квалифицированный больничный персонал.
Медицинская робототехника - больше, чем просто технология
Кроме развития непосредственно робототехнических технологий, важно, чтобы соответствующие роботы внедрялись, как часть процессов лечения в больнице или других медицинских процедур. Требования к системе должны формироваться на основе четко выявленных потребностей пользователя и получателя услуг. При разработке таких систем, принципиально важно демонстрировать ту дополнительную пользу, которую они могут обеспечить при их внедрении, это критически важно для дальнейшего успеха на рынке. Получение дополнительной пользы требует прямого вовлечения в процесс разработки данной техники профессионалов в области медицины, а также пациентов, как на стадии дизайна, так и на стадии внедрения при разработке роботов. Разработка систем в контексте среды их будушего применения обеспечивает вовлечение заинтересованных сторон. Ясное понимание существующей медицинской практики, очевидная необходимость обучения медицинского персонала пользованию системой, владение различной информацией, которая может потребоваться для разработки, - критически необходимые факторы при создании пригодной к дальнейшему внедрению системы. Введение роботов в медицинскую практику потребует адаптации всей системы оказания медицинских услуг. Это деликатный процесс, в рамках которого технология и практика оказания медицинских услуг оказывают взаимное влияние и должны будут адаптироваться друг к другу. С момента начала разработки, важно принимать во внимание этот аспект "взаимозависимости".
Разработка роботов для нужд медицины включает очень широкий набор различных потенциальных приложений. Рассмотрим их ниже, в контексте выделенных ранее трех основных сегментов рынка.
Роботы для больниц
Этот сегмент представлен разнообразными приложениями. Можно выделить, например, такие категории:
Системы, которые непосредственно расширяют возможности хирурга в плане ловкости (гибкости и точности) и силы;
Системы, которые позволяют проводить дистанционную диагностику и вмешательства. В эту категорию можно включать, как телеуправляемые системы, когда врач может находиться на большем или меньшем удалении от пациента, так и системы для использования внутри тела пациента;
Системы, которые обеспечивают поддержку во время диагностических процедур;
Системы, которые обеспечивают поддержку во время хирургических процедур.
Кроме этих приложений для больниц, существует некоторое количество вспомогательных приложений для больниц, включая роботов для взятия образцов, лабораторных исследований образцов ткани, а также других услуг, необходимых в больничной практике.
Роботы для реабилитации
Реабилитационная робототехника включает такие устройства, как протезы или например, роботизированные экзоскелеты или ортезы, которые обеспечивают тренировку, поддержку или замену утраченных активностей или нарушенной функциональностей человеческого тела и его структуры. Такие устройства могут применяться, как в больницах, так и в повседневной жизни пациентов, но как правило требуют первичной настройки медицинскими специалистами и последующего наблюдения за их правильной работой и взаимодействием с пациентом. Постоперационное восстановление, особенно в ортопедии, согласно прогнозам, будет основной сферой применения таких роботов.
Поддержка специалистов и ассистивная робототехника
Этот сегмент включает ассистивных роботов, предназначенных для использования в больницах или в домашней среде, которые разработаны для того, чтобы помогать персоналу больниц или сиделкам выполнять рутинные операции. Можно отметить существенную разницу в дизайне и внедрениях робототехнических систем, связанную с местом и условиями их использования. В контексте использования квалифицированным персоналом, будь то условия больницы или домашние условия при использовании робота для заботы о пожилом человеке, разработчики могут рассчитывать на то, что роботом управляет квалифицированный специалист. Такой робот должен соответствовать требованиям и стандартам больницы и системы здравоохранения и обладать соответствующими сертификатами. Эти роботы будет оказывать помощь персоналу соответствующих медицинских учреждений в их повседневной работе, особенно медсестрам и сиделкам. Такие робототехнические системы должны позволять сиделке проводить больше времени с пациентами, сокращая физическую нагрузку, например, робот сможет поднимать пациента для того, чтобы провести с ним необходимые рутинные операции.
2.3.2 Возможности в настоящее время и в перспективе
Робототехника для медицины - это чрезвычайно сложное направление для разработок в силу мультидисциплинарной природы и необходимости соблюдения различных жестких требований, а также из-за того, что во многих случаев медицинские робототехнические системы физически взаимодействуют с людьми, которые к тому же могут находиться в весьма уязвимом состоянии. Приведем основные возможности, существующие в выделенных нами сегментах медицины.
2.3.2.1 Больничные роботы
Это роботы для хирургии, диагностики и терапии. Рынок роботов для хирургического вмешательства велик по размерам. Робото-ассистивные возможности могут использоваться практически во всех областях - кардиологии, сосудологии, ортопедии, онкологии и неврологии.
С другой стороны, есть множество технических проблем, связанных с ограничениями на размеры, емкость, связанных с окружающей средой и небольшим числом технологий, которые доступны для немедленного использования в больничных условиях.
Кроме технологических проблем, есть и коммерческие. Например, связанные с тем, что США старается сохранять монопольное положение на этом рынке за счет объемной интеллектуальной сосбственности. Обойти эту ситуацию можно только за счет разработки принципиально нового "железа", ПО и концепций управления. Также для таких разработок требуется солидная финансовая поддержка высокозатратных, но необходимых разработок и соответствующих клинических испытаний. Типичные области, где сейчас есть возможности:
Минимально инвазивная хирургия (MIS)
Здесь можно добиться успеха за счет разработки систем, способных расширить возможности гибкости движений инструментов за пределы, обеспечиваемые анатомией рук хирурга, повысить эффективность, или дополнить системы обратной связью (например, позволяющей судить о силе нажатия), или дополнительными данными, помогающими осуществлять процедуру. Успехи рыночного внедрения могут зависеть от ценовой эффективности продукта, сокращенного времени его развертывания (подготовки к работе) и сокращения уровня дополнительного обучения, которое необходимо, чтобы научиться использованию роботизированной сситемы. Любая разработанная система должна наглядно демонстрировать "добавленную ценность" в контексте хирургии. Клинические опытные внедрения и оценки в ходе такого тестирования в клиниках являются обязательными для того, чтобы систему приняло хирургическое сообщество.
Если сравнивать с другими направлениями малоинвазивной хирургии, робото-ассистивные системы потенциально обеспечивают хирургу лучшее управление хирургическими инструментами, а также лучший обзор во время операции. От хирурга более не требуется стоять все время операции, поэтому он не устает столь же быстро, как при традиционном подходе. Тремор рук может быть почти полностью отфильтрован программным обеспечением робота, что особенно важно для применения в хирургии, имеющей дело с микромасштабами, например, хирургии глаза. В теории, хирургический робот можно использовать почти 24 часа в день, заменяя бригады хирургов, которые с ним работают.
Робототхеника может обеспечивать быстрое восстановление, сокращение травматизма и снижение негативного влияния на ткани пациента, а также снижение нобходимой радиационной дозы. Роботизированные хирургические инструменты могут разгрузить мозг врача, сократить "кривую обучения" и повысить эргономику рабочего процесса для хирурга. Способы терапии, использование которых сдерживают границы возможностей человеческого тела, также становятся возможными при переходе к использованию робототехнических технологий. Например, новое поколение гибких роботов и инструментов, позволяющих добраться до органов, глубоко скрытых в теле человека, позволяют сократить размер входного разреза в человеческом теле или обойтись естественными отверстиями в человеческом теле для выполнения хирургических операций.
В долгоросрочной перспективе, использование обучающихся систем в хирургии может сократить сложность проведения операции за счет увеличения потока полезной информации, которую хирург будет получать в ходе операции. Другие потенциальные преимущества включают возможность повышения уровня возможностей бригад парамедиков ("скорой помощи") при проведении с помощью роботов стандартных клинических экстренных процедур в полевых условиях, а также проведение теле-хирургических операций на удаленных объектах, где есть только соответствующий робот и нет квалифицированного хирурга.
Можно выделить следующие возможности:
Новые совместимые инструменты, обеспечивающие повышение уровня безопасности, при сохранении всех возможностей манипулции ими, включая негнущиеся инструменты. За счет использования новых методов управления или специальных решений (которые, например, могут встраиваться в инструмент или являться внешними по отношениюк к нему) функционирование инструметов может подстраиваться в реальном времени так, чтобы обеспечить совместимость или стабильность, когда что важнее;
Введение усовершенствованных ассистивных технологий, которые ведут и предупреждают хирурга во время операции, что позволяет говорить об упрощении решения задач хирургии и снижении числа ошибок медиков. Такая "обучающая поддержка" должна повысить "совместимость" оборудования и хирурга, что обеспечит интуитивность и отсутствие сомнений при использовании системы.
Применение подходящих уровней автономии роботов в хирургической практике вплоть до полной автономности конкретных хорошо детерминированных процедур, например: автономная аутопсия; взятие образцов крови (Veebot); биопсия; автоматизация части хирургических действий (затягивание узлов, поддержка камеры...). Повышение автономности обладает потенциалом повышения эффективности.
- "Умные" хирургические инструменты по-сути условно управляются хирургами. Эти инструменты находятся в прямом контакте с тканью и повышают уровень мастерства хирурга. Миниатюризация и упрощение хирургических инструментов в будущем, также как и доступности хирургических процедур внутри и снаружи "операционного театра" - основной путь развития таких технологий.
Обучение : Обеспечение физически точных моделей, что достигается за счет использования инструментов с тактильной обратной связью обеспечивают потенциал улучшения обучения, как на ранних стадиях обучения, так и при достижении уверенных навыков работы. Возможность симулирования широкого разнообразия условий и сложностей также могут повышать эффективность данного типа обучения. Сейчас качество тактильной обратной связи еще содержит ряд ограничений, что создает сложности в демонстрировании превосходства данного типа обучения.
Клинические образцы : Есть много областей для применения автономных систем для взятия образцов - от систем для взятия анализов крови и образцов ткани для биопсии до менее инвазивных методов аутопсии.
2.3.2.2 Робототехника для реабилитации и протезирования
Робототехника для реабилитации покрывает широкий диапазон различных форм реабилитации и может быть разделена на подсегменты. В Европе существует достаточно сильная промышленность в данном секторе и активное взаимодействие с ней ускорит технологическое развитие.
Средства реабилитации
Это средства, которые могут использоваться после травмы или после операции для тренировки и поддержки восстановления. Роль этих средств - поддержка выздоровления и ускорение восстановления, при одновременной защите пользователя и его поддержке. Такие системы могут использоваться в больничных условиях под надзором врачебного персонала или выступать самостоятельным упражнением, когда устройство управляет движениями или ограничивает движения - в зависимости от того, что требуется в данном конкретном случае. Такие системы также могут обеспечивать ценную данные о процессе восстановления и мониторить состояние более непосредственно чем даже при наблюдении за пациентом в условиях больницы.
Средства функциональной замены
Назначение такой робототехнической системы - это замена утраченной функциональности. Это может быть результатом старения или травматического ранения. Такие устройства разрабатывают с целью повышения мобильности и моторных навыков пациента. Они могут выполняться, как протезы, экзоскелеты или ортопедические устройства.
В развитых реабилитационных системах критически важно, чтобы существующие европейские производители были вовлечены в процесс в качестве известных участников рынка, а релевантные клиники и партнеры клиник были вовлечены в процесс разработки. Европа в настоящее время лидирует в мире в этой области.
Нейро-реабилитация
(Сеть COST TD1006, Европейская сеть Робототехники для Нейро-реабилитации обеспечивает платформу для обмена стандартизации определений и примеров разработок по всей Европе).
В настоящее время используется немного роботизованных устройств для нейро-реабилитации, поскольку еще не удалось обеспечить их широкого распространения. Робототехника используется для после-инсультной реабилитации в после-острой фазе и других нейро-моторных патологий, таких, как болезнь Паркинсона, множественный склероз и атаксия. Позитивные результаты с использованием роботов (не хуже или лучше, чем при использовании традиционной терапии) в реабилитационных целях начинают подтверждаться результатами исследований. В последнее время позитивные результаты также подтвержадются исследованиями в области нейро-визуализации. Было доказано, что интеграция с FES показала усиление позитивного результата (как для мышечной системы, так и периферийной и для центральной моторной). Упражнения с биологической обратной связью и игровыми интерфейсами начинают рассматриваться как решения, которые можно реализовать, но такие системы все еще находятся на ранней стадии разработки.
Для того, чтобы разрабатывать работоспособные системы необходимо решить несколько проблем. Это низкая стоимость устройств, проверенные результаты клинических испытаний, хорошо определенный процесс оценки состояния пациента. Возможности систем по корректной идентификации намерений пользователя и тем самым предотвращение травм, в настоящее время ограничивает эффективность таких систем. Управление и мехатроника, интегрированные для того, чтобы отвечать возможностям человеческого тела, включая когнитивную нагрузку, находятся на ранних стадиях развития. Должны быть достигнуты улучшения в надежности и в продолжительности рабочего времени до того, как могут быть разработаны пригодные к коммерческому использованию системы. Также целями разработки должны быть быстрое время развертывания и востребованность терапевтами.
Протезирование
Существенный прогресс может быть получен в области производства умных протезов, которые способны адаптироваться к особенностям движений пользователя и к условиям окружающей среды. Робототехника обладает потенциалом для комбинирования улучшенных способностей самообучения и повышенной гибкости и управления, особенно по части протезов верхних конечностей и кистевых протезов. Частные области исследований включают возможности адаптации к персональному, полу-автономному управлению, обеспечение искуственной чувствительности за счет обратной связи, улучшенная проверка, улучшенная энергоэффективность, self power recovery, улучшенный процессинг миоэлектрических сигналов. Смарт протезы и ортезы, управляемые активностью мышц пациента, позволят воспользоваться преимуществами таких систем обширным группам пользователей.
Системы поддержки мобильности
Пациенты с сокращением физических возможностей, временным или постоянным, могут воспользоваться преимуществами, связанными с повышением мобильности. Роботизированные системы могут обеспечивать поддержку и упражнения, необходимые для увеличения мобильности. Уже есть примеры разработок таких систем, но они находятся на ранней стадии развития.
В будущем возможно что такие системы смогут компенсировать даже когнитивные расстройства, предотвращая падения и несчастные случаи. Ограничения таких систем связаны с их стоимостью, а также с возможностью длительно носить на себе такие системы.
В ряде реабилитационных приложений, есть возможность использования натуральных интерфейсов, таких как миоэлектрика, снятие сигналов с головного мозга, а также интерфейсов, основанных на речи и жестах.
2.3.2.3 Поддержка специалистов и ассистивные роботы.
Поддержка со стороны специалистов и ассистивная робототехника могут быть разделены на ряд областей применения.
Системы поддержки заботящегося о пациенте : Поддерживающие системы, используемые лицами, заботящимися о пациентах, которые взаимодействуют с пациентами или системы, используемые пациентами. Они могут включать роботизированные системы, которые обеспечивают использование лекарственных средств, берут образцы, улучшают гигиену или процессы восстановления.
Подъем и перемещение пациента : Системы подъема и позиционирования пациента могут обладать различными возможностями от точного позиционирования во время хирургических вмешательств или сеансов лучевой терапии до содействия младшему медицинскому персоналу или лицам, заботящимся о пациенте, в подъеме человека с кровати или укладывании на нее, а также в транспортировке пациентов по больнице. Такие системы могут быть разработаны так, чтобы их можно было конфигурировать в зависимости от состояния пациента и использовать их так, чтобы у пациента была определенная степень управления их положением. Ограничения здесь могут быть связаны с необходимостью получения сертификатов безопасности и безопасного управления силами, достаточными для перемещения пациентов так, чтобы исключить возможные травмы пациентов. Энергоэффективные структуры и дизайн, выполненный с учетом необходимости экономии пространства, будут критичны для эффективных внедрений.
При разработке ассистивных робототехнических решений, важно придерживаться набора базовых принципов. Разработка должна фокусироваться на поддержке дефицита функциональности, а не на создании специфических условий. Решения должны быть практичными с точки зрения их использования и обеспечивать заметные преимущества для пользователя. Это может включать использование технологий для мотивирования пациентов делать для себя как можно больше, при одновременном сохранении безопасности. Внедрение таких систем не будет жизнеспособным и востребованным, если они не обеспечат воможности снижения нагрузки на персонал, создавая экономический кейс для внедрения, при одновременной надежности и безопасности использования.
Роботы для биомедицинских лабораторий для медицинских исследований
Роботы уже находят примнение в биомедицинских лабораториях, где они сортируют образцы и манипулируют ими в процессе проведения исследований. Приложения для создания сложных роботизированных систем расширяют возможности еще более, например, в область усовершенствованного скрининга клеток и манипуляций, связанных с клеточной терапией и избирательной сортировкой клеток.
2.3.2.4 Требования в среднесрочном периоде
Следующий список представляет "точки роста" в области медицинской робототехники
Экзоскелеты для нижней части туловища, которые подстраивают свое функционирование к индивидуальным особенностям поведения пациента и/или особенностям его анатомии, оптимизируя поддержку в зависимости от пользователя или условий окружающей среды. Системы могут адаптироваться пользователем к различным условиям и выполнению различных задач. Области применение: нейро-реабилитация и поддержка работников.
Роботы, предназначенные для автономной реабилитации (например, реабилитация в "игровом" режиме, реабилитация верхних конечностей после инсульта) должны воспринимать нужды пациента и его реакции, а также подстраивать под них терапевтическое воздействие.
Роботы, предназначенные для поддержки мобильности и возможностей пациента к манипуляции, должны поддерживать натуральные интерфейсы, гарантируя безопасность и работоспособность в условиях окружающей среды, близкой к "натуральной".
Реабилитационные роботы, разработанные для того, чтобы обеспечивать интеграцию сенсоров и двигателей, за счет обеспечения двунаправленной связи, включая мультирежимный ввод команд (миоэлектрика + инерциальная сенсорика) и мультирежимной обратной связи (электро-тактильной, вибро-тактильной и/или визуальной).
Протезы рук, запяться, кисти, которые автоматически адаптируются к пациенту, позволяя ему управлять по-отдельности любым пальцем, вращением большого пальца, кистевыми DOF-ами. Это должно сопровождаться применением множественных сенсоров и алгоритмов распознавания паттернов, чтобы обеспечить естественность управления (постоянное управление силой) за счет возможных DOFs. Области применения: восстановление функциональности руки для ампутантов.
Протезы и реабилитационные роботы, оснащенные системами полу-автоматического управления для улучшения качества функционирования и/или сокращения когнитивной нагрузки на пользователя. Системы должны позволять восприятие и интерпретацию окружения вплоть до определенного уровня, чтобы сделать возможным автономное принятие решений.
Протезы и реабилитационные роботы способные задействовать разнообразные онлайн-ресурсы (хранилища информации, процессинг) за счет использования облачных вычислений, чтобы внедрить усовершенствованную функциональность, которая находится существенно за пределами возможностей "бортовой" электроники и/или возможностей прямого управления со стороны пользователя.
Недорогие протезы и робототехнические решения, созданные с использованием аддитивных технологий или массовых производств (3D-печать и т.п)
Надомная терапия, снижающая интенсивность невропатической боли или фантомной боли верхних конечностей за счет усовершенствованной интерпретации сигналов, снимаемых с мышц, благодаря использованию роботизированных конечностей (с меньшей гибкостью, чем в предыдущих примерах) и/или "виртуальной реальности".
Биомиметрическое управление взаимодействием с роботом-хирургом.
Адекватные технологии механической актуации и сенсорики для разработки гибких миниатюрных роботов с силовой обратной связью, а также инструментов для усовершенствованной и расширенной хирургии с минимальной инвазивностью.
Системы подзарядки от окружающей среды для имплантируемых микро-роботов.
Для получения биомиметрического управления процессами реабилитации: интеграция волевых "импульсов" при движении субъекта, при поддержке FES для улучшенного повторного обучения моторике, при управлении роботом.
Разработка применимых в условиях больницы методов для восстановления двигательной активности, которая выходит за пределы парадигмы обычно используемых статичных механизмов с ручной настройкой.
На низком TRL
Автоматизированное когнитивное понимание необходимых задач в действующем окружении. Бесшовное физическое объединение человек-робот для условий "обычной" окружающей среды на базе дополнительного управляющего интерфейса. Полноценная, не требующая настроек адаптивность к пациенту. Надежность выявления намерений.