Застосування робототехніки в медицині
Зміст:
- Введення
- Класифікація медичних роботів
- Роботи-хірурги і роботизовані хірургічні системи
- Роботи-симулятори пацієнтів
- Екзоскелети і роботизовані протези
- Роботи для медичних установ і роботи-помічники
- Нанороботи
- Інші спеціалізовані медичні роботи
- Ефективність роботів в медицині
- Висновок
Друга половина ХХ століття стала часом інтенсивного розвитку усіх галузей науки, техніки, електроніки і роботобудування. Медицина стала одним з головних векторів впровадження роботів і штучного інтелекту. Головною метою розвитку медичної робототехники є висока точність і якість обслуговування, підвищення ефективності лікування, зменшення ризиків завдання шкоди здоров'ю людини. Тому в цій статті ми розглянемо нові методи лікування, а також використання роботів і автоматизованих систем в різних областях медицини.
Ще в середині 70-х років в лікарні місті Фэрфакс, США, штат Виржиния, з'явився перший медичний мобільний робот ASM, який перевозив контейнери з підносами для живлення хворих. У 1985 році уперше світ побачив роботизовану хірургічну систему PUMA 650, розроблену спеціально для нейрохірургії. Трохи пізніше хірурги отримали новий маніпулятор PROBOT, а в 1992 році з'явилася система RoboDoc, що застосовувалася в ортопедії при протезуванні суглобів. Через рік компанія Computer Motion Inc. представила автоматичну руку Aesop для утримання і зміни положення відеокамери при лапароскопічних операціях. А в 1998 році цей же виробник створив досконалішу систему ZEUS. Обидві ці системи не були повністю автономними, їх завданням було асистування лікарям при операції. У кінці 90х років компанія-розробник Intuitive Surgical Inc створила універсальну роботизовану хірургічну систему з дистанційним управлінням - Da Vinci, яка з кожним роком удосконалюється і впроваджується у багато медичних центрів світу досі.
Класифікація медичних роботів
Нині роботи грають колосальну роль в розвитку сучасної медицини. Вони сприяють точній роботі при операціях, допомагають провести діагностику і поставити правильний діагноз. Замінюють відсутні кінцівки і органи, відновлюють і покращують фізичні можливості людини, знижують час на госпіталізацію, забезпечують зручність, швидкість реагування і комфорт, економлять фінансові витрати на обслуговування.
Існує декілька видів медичних роботів, що відрізняються своїми функціональними можливостями і конструкцією, а також сферою застосування для різних областей медицини :
Роботи-хірурги і роботизовані хірургічні системи - застосовуються для проведення складних хірургічних операцій. Є не автономними пристроями, а дистанційно керованим інструментом, який забезпечує лікаря точністю, підвищеною вправністю і керованістю, додатковою механічною силою, зменшує стомлюваність хірурга, знижує ризик захворювання хірургічної бригади гепатитом, ВІЛ і іншими захворюваннями.
Роботи-симулятори пацієнтів - призначені для відробітку навичок ухвалення рішень і практичних лікарських інтервенцій в лікуванні патологій. Такі пристрої повністю відтворюють фізіологію людини, моделює клінічні сценарії, реагують на введення препаратів, аналізують дії навчаних і відповідним чином реагують на клінічні дії.
Екзоскелети і роботизовані протези - екзоскелети сприяють підвищенню фізичної сили і допомагають при відновному процесі опорно-рухового апарату. Роботизовані протези - импланты, які замінюють відсутні кінцівки, складаються з механико-электрических елементів, мікроконтроллерів з штучним інтелектом, а також здатні управлятися від нервових закінчень людини.
Роботи для медичних установ і роботи-помічники - є альтернативою санітарам, медсестрам і медбратам, доглядальницям, няням і іншому медичному персоналу, здатні забезпечувати відхід і увага пацієнтові, допомагати в реабілітації, забезпечувати постійний зв'язок з лікарем, транспортувати хворого.
Нанороботи - мікророботи, що діють в організмі людини на молекулярному рівні. Розробляються для діагностики і лікування ракових захворювань, проведення досліджень кровоносних судин і відновлення пошкоджених клітин, можуть аналізувати структуру ДНК, проводити її коригування, знищувати бактерії і віруси і так далі.
Інші спеціалізовані медичні роботи - існує величезна кількість роботів, лікування людини, що допомагають в тому або іншому процесі. Наприклад, пристрої, які здатні автоматично переміщатися, дезинфікувати і кварцевать лікарняні приміщення, заміряти пульс, брати кров на аналіз, робити і видавати медикаменти та ін.
Розглянемо детальніше кожен вид роботів на прикладах сучасних автоматизованих пристроїв, що розробляються і впроваджених у багатьох сферах медицини.
Роботи-хірурги і роботизовані хірургічні системи
Найвідомішим роботом-хірургом у всьому світі є апарат "Da Vinci". Пристрій, зроблений компанією Intuitive Surgical, важить півтонни і складається з двох блоків, один - блок управління, призначений для оператора, а другий - четырехрукий автомат, який виконує роль хірурга. Маніпулятор з штучними зап'ястками має сім ступенів свободи, аналогічно з рукою людини, і 3D систему візуалізації, яка виводить тривимірне зображення на монітор. Така конструкція підвищує точність рухів хірурга, виключає тремор рук, невмілі рухи, зменшує довжину розрізів і крововтрату під час операції.
Робот хірург Da Vinci
За допомогою робота можливо провести величезну кількість різних операцій таких, як відновлення мітрального клапана, реваскуляризація міокарду, абляція тканин серця, установка епікардіального електронного стимулятора серця для бивентрикулярной ресинхронизации, операції на щитовидній залозі, шлункове шунтування, фундоплікація по Nissen, гистерэктомия і міомектомія, операції на хребті, заміна дисків, тимектомія - операція по видаленню вилочковой залози, лобектомія легені, операції в урології, эзофагоэктомия, резекція пухлини середостіння, радикальна простатектомія, пиелопластика, видалення сечовий міхур, перев'язка і розв'язка матковий труба, радикальний нефректомія і резекція брунька, реімплантація сечовід і інший.
Нині розгорнулася боротьба за ринок медичних роботів і автоматизованих хірургічних систем. Учені і компанії-виробники медичного устаткування прагнуть впровадити свої пристрої, тому з кожним роком з'являється все більше роботизованих апаратів.
Конкурентами "Da Vinci" стали новий робот-хірург MiroSurge, призначений для операцій на серці, роботизована рука від компанії UPM для точної вставки голок, катетерів і інших хірургічних інструментів в процедурах мінімально інвазивній хірургії, хірургічна платформа під назвою IGAR від компанії CSII, роботизована система-катетер Sensei X, виробництва Hansen Medical Inc для проведення складних операцій на серці, система для трансплантації волосся ARTAS від Restoration Robotics, хірургічна система Mazor Renaissance, яка допомагає робити операцію хребет і головний мозок, робот-хірург від учений з SSSA Biorobotics Institute, а також робот-помічник для відстежування хірургічний інструмент від GE Global Research, знаходиться у стадії розробка, і багато інший. Роботизовані хірургічні системи служать асистентами або помічниками для лікарів і не є повністю автономними пристроями.
Робот хірург MiroSurge
Робот хірург от UPM
Робот катетер Sensei X
Роботизована система по трансплантації волосся ARTAS
Робот хірург Mazor Renaissance
Робот хірург от SSSA Biorobotics Institute
Робот для відстежування хірургічних інструментів від GE Global Research
Роботи-симулятори пацієнтів
Для відробітку практичних навичок майбутніх лікарів існують спеціальні роботи-манекени, які відтворюють функціональні особливості серцево-судинною, дихальною, видільною систем, а також мимоволі реагують на різні дії тих, що навчаються, наприклад, при введенні фармакологічних препаратів. Найпопулярніший робот-симулятор пацієнта - HPS(Human Patient Simulator) від американської компанії METI. До нього можна підключити прикроватный монітор і відстежувати показники кров'яного тиску, хвилинного сердечного викиду, ЕКГ і температури тіла. Пристрій здатний споживати кисень і виділяти вуглекислий газ, як при справжньому диханні. У режимі анестезії можливе поглинання або виділення закису азоту. Така функція забезпечує відробіток навичок по штучній вентиляції легенів. Зіниці в очах робота здатні реагувати на світло, а рухливі повіки закриваються або відкриваються залежно від того, чи знаходиться пацієнт у свідомості. На сонних, плечових, стегнових, променевих підколінних артеріях промацується пульс, який міняється автоматично і залежить від артеріального тиску.
Симулятор HPS має 30 профілів пацієнтів з різними фізіологічними даними, імітуючи здорового чоловікову, вагітну жінку, літню людину і так далі. В процесі навчання моделюється певний клінічний сценарій, в якому описується місце дії і стан пацієнта, мети, необхідне устаткування і медикаменти. Робот має фармакологічну бібліотеку, що складається з 50 препаратів, включаючи газоподібні анестетики і внутрішньовенні препарати. Управління манекеном робиться за допомогою безпровідного комп'ютера, дозволяючи інструкторові контролювати усі аспекти процесу навчання безпосередньо поряд із студентом.
Слід зазначити велику популярність манекенів-симуляторів породіль, наприклад, GD/F55. Він розроблений для навчання медичного персоналу у відділеннях акушерства і гінекології, дозволяє відпрацювати практичні навички і уміння в гінекології, акушерстві, неонтології, педіатрії, інтенсивній терапії і сестринському відході в пологовому відділенні. Робот Simroid імітує пацієнта в кріслі стоматолога, його ротова порожнина в точності повторює людську. Пристрій здатний симулювати звуки і стогін, які створює людина, якщо йому боляче. Існують роботи-тренажери для навчання маніпуляційній техніці. Це, по суті, муляж людини з імітаторами вен і посудин, виконаних з еластичних трубок. На такому пристрої студенти відпрацьовують навички венесекції, катетеризації, венепункції.
Екзоскелети і роботизовані протези
Один з найвідоміших медичних пристроїв являється роботизований костюм - екзоскелет. Він допомагає людям з обмеженими фізичними можливостями переміщати свої тіла. В мить, коли людина намагається поворушити руками або ногами, спеціальні датчики на шкірі прочитують невеликі зміни в електричних сигналах організму, приводячи в робочий стан механічні елементи екзоскелета. Одними з популярних пристроїв стали Walking Assist Device (допоміжний пристрій для ходьби) від японської компанії Honda, реабілітаційний екзоскелет HAL від компанії Cyberdyne, широко вживаний в японських лікарнях, апарат Parker Hannifin університету Вандербильта(Vanderbilt University), що дає можливість рухати суглобами стегон і колін, потужний экзоскелет NASA Х1, розроблений для космонавтів і паралізованих людей, екзоскелет Kickstart від Cadence Biomedical, працюючий не від батареї, а що використовує кінетичну енергію, генеровану людиною при ходьбі, екзоскелети eLEGS, Esko Rex, HULC від виробника Ekso Bionics, ReWalk від компанії ARGO, Mindwalker від компанії Space Applications Services, що допомагають паралізованим людям, а також унікальний мозг-машинный інтерфейс (BMI) або просто екзоскелет для мозку MAHI - EXO II для відновлення рухових функцій методом прочитування мозкових хвиль.
Широке застосування екзоскелетів допомагає багатьом людям у всьому світі відчути себе повноцінними. Навіть повністю паралізовані люди вже сьогодні мають можливість ходити. Яскравим прикладом служать роботизовані ноги фізика Амита Гоффера, які управляються за допомогою спеціальних милиць і можуть автоматично визначати, коли треба зробити крок, розпізнавати мовні сигнали "вперед", "сидіти", "стояти".
Екзоскелет для ходьби Walking Assist
Екзоскелет HAL от Cyberdyne
Екзоскелет Parker Hannifin
Екзоскелет NASA Х1
Екзоскелет Kickstart від Cadence Biomedical
Экзоскелет HULC від Ekso Bionics
Екзоскелет ReWalk від ARGO
Экзоскелет для мозку MAHI - EXO II
Экзоскелет від Амит Гоффера
Але що ж робити, коли кінцівки відсутні? Це стосується в основному ветеранів війни, а також жертв випадкових обставин. У зв'язку з цим такі компанії, як компанія Quantum International Corp(QUAN) і їх экзопротезы і Defense Advanced Research Projects Agency(DARPA) спільно з Департаментом допомоги ветеранам, Центром реабілітації і Службою розвитку США вкладають величезні засоби в дослідження і розробку роботизованих протезів(біонічних рук або ніг), які мають штучний інтелект, здатні відчувати довкілля і розпізнавати наміри користувача. Ці пристрої з точністю імітують поведінку природних кінцівок, а також управляються за допомогою власного мозку(мікроелектроди, імплантовані в мозок, або датчики прочитують нейросигнали і передають їх у вигляді електричних сигналів в мікроконтроллер). Володар найпопулярнішої біонічної руки вартістю в 15000 доларів США - британець Найджел Экланд, який їздить по світу і пропагує використання штучних роботизованих протезів.
Однією з важливих наукових розробок стали штучні роботизовані кісточки iWalk BiOM, розроблені професором Массачусетського технологічного інституту Хью Херром(Hugh Herr) і його групою биомехатроники в лабораторії MIT Media Lab. iWalk отримує фінансування від американського Департаменту у справах ветеранів і Міністерства оборони, і тому багато інвалідів-ветеранів, що служили в Іраку і Афганістані, вже отримали свої біонічні кінцівки.
Роботизовані кінцівки iWalk BiOM
Учені зі всього світу прагнуть не лише поліпшити функціональні особливості роботизованих протезів, а надати їм реалістичному вигляду. Американські дослідники на чолі з Женан Бао(Zhenan Bao) із Стэнфордского університету (Stanford University) в Каліфорнії, створили наношкіру для медичних протезних пристроїв. Це полімерний матеріал має високу гнучкість, міцність, електропровідність і чутливість до тиску (прочитування сигналів за типом сенсорних панелей).
Роботи для медичних установ і роботи-помічники
Лікарня майбутнього - лікарня з мінімальним людським персоналом. З кожним днем в медичні установа все більше впроваджуються роботи-медсестри, роботи-медбрати і роботи телеприсутності для контакту з лікарем. Наприклад, в Японії вже давно працюють роботи-санітари від Panasonic, роботи-помічники Human Support Robot(HSR) від компанії Toyota, ірландський робот-медбрат RP7 від розробника InTouch Health, корейський робот KIRO - M5 і багато інших. Такі пристрої є платформою на колесах і здатні вимірювати пульс, температуру, контролювати час їди і медикаментів, своєчасно оповіщати про проблемні ситуації і необхідні дії, підтримувати зв'язок з живим медичним персоналом, збирати розкидані або такі, що впали речі і так далі.
Роботи-санітари від Panasonic
Робот-помічник HSR від Toyota
Робот медбрат RP7 від InTouch Health
Частенько, в умовах безперервного медичного обслуговування, лікарі фізично не можуть приділити досить уваги пацієнтам, особливо якщо вони знаходяться на великій відстані один від одного. Розробники роботизованої медичної техніки постаралися і створили роботов-телеприсутствия(наприклад, LifeBot 5, або RP - VITA від компанії iRobot і InTouch Health). Автоматизовані системи дозволяють передавати аудіо і відео сигнал через мережі 4G, 3G, LTE, WiMAX, Wi - Fi, супутникову або радіозв'язок, вимірювати серцебиття пацієнта, кров'яний тиск і температуру тіла. Деякі пристрої можуть виконувати електрокардіографію і УЗИ, мають електронний стетоскоп і отоскоп, переміщаються в лікарняних коридорах і палатах, огинаючи перешкоди. Такі медичні помічники забезпечують своєчасний відхід і обробляють клінічні дані в режимі реального часу.
Робот телеприсутності LifeBoat 5
Робот телеприсутності RP - VITA
Для безпечного транспортування зразків, ліків, устаткування і витратних матеріалів в лікарнях, лабораторіях і аптеках з великим успіхом використовуються роботи-кур'єри. Помічники мають сучасну навігаційну систему і бортові датчики, що дозволяють з легкістю пересуватися в приміщеннях із складним плануванням. До яскравими представникам подібних пристроїв можна віднести американські RoboCouriers від компанії Adept Technology і Aethon з Медицинскомго центру University of Maryland, японські Hospi - R від Panasonic і Terapio від компанії Adtex.
Робот кур'єр RoboCouriers від Adept Technology
Робот кур'єр Aethon
Робот кур'єр Hospi-R від Panasonic
Окремим напрямом розвитку роботизованої медичної техніки є створення колясок-трансформерів, автоматизованих ліжок і спеціальних транспортних засобів для інвалідів. Згадаємо про такі розробки, як крісло з гумовими гусеницями Unimo від японської компанії Nano - Optonics, коляска-трансформер від групи учених з Технологічного інституту Чиба(Chiba Institute of Technology) під керівництвом доцента Шуро Накаджима(Shuro Nakajima), що використовує ноги-колеса для подолання сходів або канав, робоколяска Tek Robotic Mobilisation Device від компанії Action Trackchair. Компанія Panasonic готова розв'язати проблему перенесення хворого з крісла на ліжко, що вимагає великих фізичних зусиль медичного персоналу. Цей пристрій самостійно перетворюється з ліжка в крісло і навпаки, коли це необхідно. Компанія Murata Manufacturing Co об'єдналася з Kowa, щоб зробити інноваційний медичний транспортний засіб Electric Walking Assist Car, що є автономним велосипедом з маятниковою системою управління і гіроскопом. Ця розробка в основному призначена для престарілих і людей, які мають проблеми з ходьбою. Окремо відмітимо серію японських роботів RoboHelper від Muscle Actuator Motor Company, які є незамінними помічниками медсестрам по відходу за лежачими пацієнтами. Апарати здатні підняти людину з ліжка в сидяче положення або забрати фізичні відходи лежачої людини, виключаючи використання горщиків і качок.
Нанороботи
Нанороботи або наноботи - роботи розміром з молекулу(менше 10 нм), здатні рухатися, прочитувати і обробляти інформацію, а також програмуватися і виконувати певні завдання. Цей абсолютно новий напрям в розвитку робототехники. Сфери використання таких пристроїв : рання діагностика раку і цілеспрямована доставка ліків в ракові клітини, біомедичний інструментарій, хірургія, фармакокінетика, моніторинг хворих діабетом, виробництво за допомогою молекулярного складання нанороботами пристрою з окремих молекул по його кресленнях, військове застосування в якості засобів спостереження і шпигунства, а також в якості зброї, космічні дослідження і розробки та ін.
На даний момент відомі розробки медичних мікроскопічних роботів для виявлення і лікування раку від південнокорейських учених, біороботи від учених з університету штату Ілінойс, які можуть переміщатися у в'язких рідинах і біологічних середовищах самостійно, прототип морської міноги - наноробот Cyberplasm, який є пересувається в організм людина, виявляючи захворювання на ранній стадія, наноробот інженер Адо пуна, який може путешевствовать по кровоносний система, доставляє ліки, бере аналіз і видаляє згусток кров, магнітний наноробот Spermbot - розробка учений Oliver Schmidt і його колега з інститут інтеграційний нанонаука в Дрезден (Німеччина) для достаки сперма і ліки, нанобот для заміна білок в організм від учений з Віденського університету (University of Vienna) спільно з дослідниками з Університету природних ресурсів і наук про життя Відня (University of Natural Resources and Life Sciences Vienna).
Мікророботи Cyberplasm
Нанороботи Адо Пуна
Нанороботи для заміни білків
Магнітний наноробот Spermbot
Інші спеціалізовані медичні роботи
Існує величезна кількість спеціалізованих роботів, що виконують окремі завдання, без яких неможливо уявити собі ефективне і якісне лікування. Одними з таких пристроїв є роботизований кварцевий апарат Xenex і робот-дезинфектор TRU - D SmartUVC від Philips Healthcare. Поза сумнівом, такі апарати просто незамінні помічники у боротьбі з внутрішньолікарняними інфекціями і вірусами, які служать одній з найсерйозніших проблем в медичних установах.
Роботизований кварцевий апарат Xenex
Робот-дезинфектор TRU - D SmartUVC від Philips Healthcare
Збір аналізу крові - найбільш поширена медична процедура. Якість при виконанні процедури залежить від кваліфікації і фізичного стану медичного працівника. Частенько спроба узяти кров з першого разу закінчується невдачею. Тому для вирішення цієї проблеми був розроблений робот Veebot, що має комп'ютерний зір, за допомогою якого він визначає місце розташування вени і акуратно направляє туди голку.
Робот для забору крові Veebot
Робот для вивчення блювотного процесу Vomiting Larry дозволяє досліджувати норовирусы, що призводять до 21 мільйона захворювань, нудота, що включає симптоми, водянистої діареї, болю в животі, втрати смаку, загальної млявості, слабкості, болю в м'язах, головнуюой болю, кашлю, субфебрильної температури, і, звичайно, сильної блювоти.
Найпопулярнішим роботом для дітей залишається PARO - пухнаста дитяча іграшка у вигляді гренландського тюленя. Терапевтичний робот може ворушити головою і лапами, розпізнавати голос, інтонацію, дотики, вимірювати температуру і освітленість в кімнаті. Його конкурентом є величезний плюшевий робот-ведмідь HugBot, що обнімається, який заміряє пульс і кров'яний тиск.
Терапевтичний робот PARO
Окрема гілка медицини, що займається діагностикою, лікуванням хвороб, травм і розладів у тварин - це ветеринарія. Для навчання кваліфікованих фахівців в цій області Коледж ветеринарної медицини в розробці роботов-домашних тварин створює унікальних роботів-тренажерів у вигляді собак і кішок. Для наближення до точної моделі поведінки тварини програмне забезпечення розробляється окремо в Центрі перспективних обчислювальних систем при Корнельском університеті (САС).
Ефективність роботів в медицині
Очевидно, що застосування роботів в медицині носить ряд переваг перед традиційним лікуванням за участю людського чинника. Використання механічних рук в хірургії запобігає багатьом ускладненням і помилкам при операціях, скорочують післяопераційний відновний період, зменшують ризик зараження і інфікування хворого і персоналу, виключають велику втрату крові, знижують больові відчуття, сприяють кращому косметичному ефекту(невеликі рубці і шрами). Роботизовані медичні помічники і реабілітаційні роботи дозволяють приділити пильну увагу до пацієнта під час лікування, контролювати процес одужання, обмежити живий персонал від трудомісткої і неприємної роботи, дозволити хворому почувати себе повноцінною людиною. Інноваційні методи лікування і устаткування з кожним днем наближають нас до здоровішої, безпечному і довгому життю.
З кожним роком світовий ринок медичних роботів поповнюється новими пристроями і, поза сумнівом, росте. За даними дослідницької компанії Research and Markets, до 2020 року ринок тільки одних реабілітаційних роботів, біопротезів і экзоскелетов виростить до 1,8 млрд. доларів США. Головним бумом медичних роботів очікується після прийняття єдиного стандарту ISO 13482, який стане зведенням правил для елементів конструкції, матеріалів і програмного забезпечення, вживаного в пристроях.
Висновок
Без сумніву можна сказати, що медичні роботы- це майбутнє медицини. Застосування автоматизованих систем значно скорочує лікарські помилки, зменшує дефіцит медичного персоналу. Наноробототехника допомагає здолати важкі захворювання і запобігти ускладненням на ранній стадії, широко застосовувати ефективні наноліки. У течії найближчих 10-15 років медицина ступить на новий рівень з використанням роботизованого обслуговування. На жаль, Україна знаходиться в жалюгідному стані відносно цієї галузі розвитку. Приміром, в Росії в Єкатеринбурзі знаменитий робот-хірург "Da Vinci" провів свою першу операцію ще в 2007 році. А в 2012 році президент Дмитро Анатолійович Медведєв доручив Мінохоронздоров'я Росії разом з Минпромторгом пропрацювати питання по розвитку нових медичних технологій із застосуванням робототехники. Цю ініціативу підтримала Російська академія наук. Реалія така, що за відсутності реальної підтримки влади України в розвитку області медичної робототехники, наша держава з кожним роком відстає від інших цивілізованих країн. Звідси слідує показник рівня розвитку країни в цілому, адже турбота про здоров'я і життя громадянина, згадана в головному законі - Конституції України, є "найвищою соціальною цінністю".
