Нечеткое ситуационное управление внутрисосудистым микророботом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Нечеткое ситуационное управление внутрисосудистым микророботом

Войнов В.В. e-mail: voynov_vv@mail.ru

Введение

Одной из наиболее актуальных проблем в медицинской практике сегодня является проблема внутрисосудистой диагностики и хирургии. В настоящее время подобные операции проводятся путем введения в сосуд катетера, на конце которого укреплен необходимый инструмент. Несмотря на то, что существуют достаточно большое количество устройств и методов для проведения внутрисосудистых операций, они не всегда позволяют достичь необходимого результата. Причиной этого может служить сложность работы сосудистого хирурга, который выполняет диагностические и хирургические операции в условиях острого дефицита информации, полагаясь, в основном, на свои тактильные ощущения и опыт. При этом риск операции, связанный с разрушением стенки сосуда инструментом, или катетером, вводимым в сосуд, довольно велик.

Возможный путь совершенствования технологии проведения внутрисосудистых операций заключается в применении микророботов, способных под наблюдением хирурга перемещаться внутри сосуда с учетом конкретной обстановки в рабочей зоне и выполнять необходимые операции. К ним можно отнести наблюдение за состоянием внутренних стенок сосуда, доставку лекарственных препаратов точно к месту их применения, выполнение операций по разрушению тромбов, например, с помощью ультразвуковых инструментов и др. Работы в данном направлении ведутся во всем мире, включая Россию. В МГТУ им. Н.Э. Баумана ведется разработка внутрисосудистого медицинского микроробота (далее по тексту - ВМР) для диагностики и лечения кровеносных сосудов человека [1]. Микроробот предназначен для перемещения по кровеносным сосудам человека с целью определения патологических локальных нарушений сосудистой системы и возможности местного терапевтического или хирургического воздействия на поврежденные участки. Одной из главных проблем при создании ВМР является построение системы управления перемещением микроробота в условиях биологической среды. Для организации процесса управления предлагается использовать методы нечеткой логики и ситуационного управления [2].

1. Внутрисосудистый микроробот

Движитель микроробота состоит из трех последовательно соединенных одинаковых по конструкции звеньев [3]. Каждое звено движителя состоит из упругой сильфонной оболочки и четырех упругих пластинчатых контактных элементов, которые крепятся к ее торцам (рис. 1а).

а) Свободное состояние

б) Сжатое состояние

Рис. 1. Внутрисосудистый микроробот

При сжатии сильфонной оболочки в продольном направлении (рис. 1б) происходит совместный прогиб всех четырех упругих элементов, прикрепленных к одному модулю. Контактные элементы имеют выпуклые площадки, прижимающиеся к внутренней полости трубчатого органа в четырех ортогональных направлениях, чем обеспечивается фиксация микроробота внутри трубчатого органа. Диаметр сильфона значительно меньше диаметра сосуда, поэтому свободный ток крови обеспечивается в любой фазе работы устройства.

Микроробот используют для своего перемещения принцип, заимствованный из живой природы - принцип перемещения дождевого червя или принцип перистальтики, основанный на последовательном сокращении его сегментов. Таким образом, микроробот относится к классу устройств перистальтического типа. В отличие от своих аналогов движитель микроробота является гидравлическим, причем рабочей жидкостью является физиологический раствор, чем обеспечивается безопасность для пациента в случае нарушения целостности сильфонной оболочки. Сжатие сильфона происходит за счет снижения давления рабочей жидкости в его полости. При отказе системы управления, или при возникновении иных непредвиденных ситуаций во всех камерах движителя восстанавливается нормальное давление, чем обеспечивается безопасность использования. При этом упругие оболочки транспортных модулей «складываются», после чего микроробот может быть извлечен из тела пациента.

Однако, при всей простоте конструкции и принципа перемещения движителя микроробота, работа в кровеносном сосуде предъявляет очень жесткие требования к системе управления микророботом. Оперативное вмешательство на кровеносных сосудах является до настоящего времени одним из наиболее сложных и наименее автоматизированных видов трудовой деятельности в медицинской практике. В ряде случаев хирург, работая вручную с помощью обычного медицинского инструмента, оказывается на пределе своих психофизиологических возможностей по точности выполнения рабочих движений, по тонкости ощущений и быстроте реакций. К этому надо добавить большую физическую нагрузку, так как зачастую операции продолжаются по нескольку часов. Отсутствие адекватной обратной связи, ограниченные условия наблюдения, работа по интуиции являются источником повышенного эмоционального напряжения. Вместе с тем, очевидно, что человек, использующий свой жизненный опыт и интуицию, не может быть исключен из хирургического процесса и заменен автоматическими устройствами. Внедрение робототехники, в первую очередь, направлено на улучшение условий работы хирурга, повышение эффективности и качества совершаемых им операций, обеспечение хирурга оперативной информацией, необходимой для принятия решения в ходе выполнения операции в условиях ограниченного временного ресурса. При этом процесс осуществления хирургической операции в ряде случаев должен быть организован таким образом, чтобы основную работу по реализации оперативного вмешательства делала робототехническая система, а функции хирурга сводились, главным образом, к управлению данной системой, контролю за состоянием пациента, за ходом операции и к принятию оперативных тактических решений.

Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем разработки медицинской робототехнической системы для внутрисосудистой диагностики и хирургии является проблема создания системы управления микророботом, которая обеспечивала бы его автономное перемещение в непрерывном пульсирующем потоке крови, исключая при этом возможность травматизма стенок кровеносных сосудов. В рамках данной работы далее будет рассмотрена задача управления ориентацией микроробота в сосуде, которая решаетися на уровне ситуационного управления систкмы управления ВМР.

2. Принципы организации ситуационного управления ВМР

В качестве одного из наиболее эффективных методов организации системы управления, функционирующей в условиях неопределенности, отметим ситуационный подход. В этом случае в основе принятия решения об управлении используется понятие ситуации, как обобщенной совокупности параметров внешнего мира и самого объекта управления - внутрисосудистого микроробота. Теоретические основы ситуационного управления сформулированы Д.А. Поспеловым в [4]. Иногда понятие «ситуация» заменяется понятием «ситуационного фрейма», поскольку фрейм есть по определению некоторый набор признаков. В соответствии с концепцией ситуационного управления, текущее управление определяется текущей ситуацией. Широкое распространение получил механизм управления «фрейм-сценарий», когда некоторой ситуации ставится в соответствие последовательность действий. Данная методология показала хорошие результаты в различных задачах робототехники [5]. Мы также будем придерживаться в той или иной форме понятия ситуации как одного из базовых понятий.

Логическим развитием методов ситуационного управления стало появление нечетких ситуационных систем [6]. Нечеткая логика используется здесь для формализации нечетких понятий с учетом их семантики и обеспечивает эффективную обработку качественной информации наравне с четкими, количественными данными. Разнообразие условий, в которых может оказаться микроробот, обрекает на неудачу попытку непосредственно описать всё их многообразие вместе с правилами соответствующих действий. Применение нечетких, слабо детализированных правил обладает в данном случае преимуществом, так как их число оказывается существенно меньше. Более того, использование нечеткой логики при оценке сложившихся ситуаций и построении логических заключений в моделях управления сложными объектами облегчает решение задач обеспечения общения с пользователем на профессионально-ориентированном языке, хранения, накопления и обработки качественной информации. Также как и в теории ситуационного управления, здесь главную роль играет понятие ситуации как набора значений признаков, описывающих состояние объекта управления в некоторый момент времени. Основное допущение состоит в том, что все возможные состояния объекта управления могут описываться набором типовых ситуаций, каждая из которых есть совокупность лингвистических значений признаков.

Итак, для управления микророботом мы будем использовать принципы нечеткого ситуационного управления.

Прежде чем перейти к рассмотрению задачи управления, введем понятие нечеткой ситуации, используемое на ситуационном уровне управления.

Пусть - множество признаков, значениями которых описываются состояния, в которых находится объект управления или рабочая среда. Каждый признак описывается соответствующей лингвистической переменной , где - терм-множество лингвистической переменной (набор лингвистических значений признака, - число значений признака); D - базовое множество признака . Для описания термов , соответствующих значениям признака , используются нечеткие переменные , т.е. значение описывается нечетким множеством в базовом множестве [6].

Нечеткой ситуацией называется нечеткое множество:

, (1)

где

, (2)

Таким образом, нечеткая ситуация - это совокупность нечетких значений признаков, характеризующих состояния объекта управления или рабочей среды.

Рассмотрим пример нечеткой ситуации, характеризующей некоторое состояние, возникшее при перемещении микроробота в сосуде.

Пусть ситуация описывается нечетким признаком «ориентация препятствия в сосуде». Заметим, что речь идет об ориентации по отношению к системе координат, связанной с устройством наблюдения, установленным на роботе (например, видеокамера). Определим терм-множества этого признака: T1 = { - препятствие сверху слева, - препятствие сверху справа, - препятствие снизу слева, - препятствие снизу справа}

Тогда описание нечеткой ситуации имеет следующий вид: Si = {<<>, <>, < >, <>/ориентация препятствия в сосуде>}.

3. Структура ситуационного уровня системы управления

Ситуационный уровень системы управления ВМР включает в себя три основных блока: блок распознавания ситуации, блок принятия решения и блок формирования управляющих воздействий.

Информация о состоянии окружающей среды воспринимается сенсорной подсистемой микроробота. После преобразования сенсорная информация поступает в блок распознавания ситуации, где формируется образ текущей ситуации. На основании данных о текущей ситуации с учетом целеполагающих команд от человека-оператора блок принятия решения формирует решение, наиболее соответствующее текущей ситуации. Далее блок формирования управляющих воздействий осуществляет выбор элементарных поведенческих программ из базы знаний. Эти программы формируют управляющие сигналы на логический и исполнительный уровни управления. Исполнительная система обеспечивает реализацию заложенных программ и опосредованно через микроробот осуществляет влияние на рабочую среду. Функционирование исполнительной системы регулируется сигналами обратной связи, предоставляющими информацию о состоянии элементов микроробота и получаемыми посредством сенсорной системы. Одновременно информация о состоянии микроробота объединяется с образом текущей ситуации и формирует полный образ текущей ситуации.

Таким образом, из приведенного описания можно выделить следующие задачи, требующие решения на ситуационном уровне:

- распознавание или оценка ситуации;

- выбор и принятие решения;

- формирование управляющего воздействия.

Рассмотрим принцип работы ситуационного уровня системы управления на примере решения задачи обхода препятствия микророботом внутри сосуда.

4. Задача обхода препятствия в сосуде

В определенный момент времени на рабочей сцене (перед микророботом) появляется препятствие в виде кальцинированного отложения на стенках сосуда. Микроробот должен обнаружить препятствие, распознать его тип и осуществить поворот головного звена, обеспечивающий дальнейший обход препятствия. Помимо операции обхода препятствия в зависимости от его формы возможно принятие решения о невозможности его преодоления, если просвет сосуда меньше допустимого для перемещения.

Главная функция ситуационного уровня системы управления состоит в выработке в соответствии с определенным набором правил и выдаче в требуемой форме управляющих воздействий на исполнительный уровень системы и предоставление, наиболее соотвтествующего текущей ситуации, управляющего решения оператору. Необходимым условием правильности выработанных воздействий является достоверное распознавание состояний, в которых находится объект управления.

4.1 Распознавание ситуации

Для распознавания состояния объекта управления или ситуации, в которой он находится, необходимо сравнить входную нечеткую ситуацию с каждой нечеткой ситуацией . В качестве меры для определения степени близости нечеткой ситуации нечеткой ситуации S () будет использоваться степень нечеткого включения нечеткой ситуации в нечеткую ситуацию . Включение нечеткой ситуации в нечеткую ситуацию определяется понятием степени включения ситуаций, базирующемся на определении степени включения нечетких множеств. Степень включения ситуации в ситуацию обозначается и определяется выражением:

,(3)

Величина является степенью включения нечеткого множества в нечеткое множество.

Рассмотрим процесс распознавания ситуации при решении задачи обхода микророботом препятствия в кровеносном сосуде.

Выделим 14 наиболее характерных ситуаций, зависящих от ориентации патологических отложений в сосуде (см. рис. 2).

В случае отсутствии патологии внутренняя полость сосуда выглядит в соответствии с рис. 2 (I).

При наличии атеросклеротических отложений в зависимости от их геометрии внутренняя полость сосуда выглядит в соответствии с рис. 2 (II) - (XIV).

Итак, пусть ситуация описывается нечетким признаком «ориентация препятствия в сосуде». Определим терм-множества этого признака: T₁ = { - препятствие сверху слева, - препятствие сверху справа, - препятствие снизу слева, - препятствие снизу справа}.

Рис. 2. Эталонные ситуации (рельеф внутренний полости сосуда)

Тогда, S_i = {<<>, <>, < >, <>/ориентация препятствия в сосуде>}.

Например, описание эталонной ситуации XIV будет выглядеть следующим образом: S_XIV = {<<>,<>,<>, <>/ориентация препятствия в сосуде>}. Таким образом описываются все эталонные ситуации.

Пусть текущая ситуация имеет описание:

Sс= {<<>,<>,<>,<>/ориентация препятствия в сосуде>}

Все эталонные ситуации отнесены к четырем уровням иерархии. На рис. 3 представлена схема поиска наиболее близкой ситуации. На самом верхнем уровне располагаются ситуации I и II, соответствующие отсутствию или наличию препятствия перед микророботом. На втором уровне иерархии располагаются ситуации, являющиеся вложенными для ситуаций первого уровня. На третьем уровне располагаются ситуации, являющиеся вложенными для ситуаций второго уровня. И, наконец, на четвертом - самом нижнем уровне располагаются ситуации, составляющие операции третьего уровня. Для распознавания ориентации препятствия в сосуде и определения управляющих воздействий на микроробот входная (текущая) ситуация сначала сравнивается с эталонными ситуациями 1-го уровня: I и II. Эталонная нечеткая ситуация, включающая входную нечеткую ситуацию с наибольшей степенью включения, в первом приближении определяет наличие препятствия в сосуде.

На следующем шаге входная ситуация сравнивается с теми нечеткими эталонными ситуациями второго уровня иерархии, которые включаются в эталонную ситуацию, найденную на предыдущем шаге, производится уточнение положения препятствия в сосуде. Процесс повторяется до достижения 4-го уровня.

Рис.3. Уровни иерархии эталонных ситуаций

Используя формулу 3 путем перебора эталонных ситуаций определим степень включения текущей ситуации в каждую из эталонных. Например, для ситуации VIII: внутрисосудистый микроробот хирургия

,

Проведя поиск методом последовательного перебора, можно сделать вывод, что наиболее близкой является ситуация типа XI. Распознавание типа ситуации позволяет перейти к выбору решения о последующем движении микроробота.

4.2 Выбор и принятие решения

Для построения блока принятия решений системы управления используем подход, заключающийся в формировании «решающей таблицы», т.е. соответствия между всеми возможными ситуациями и некоторым набором управляющих решений. Размер таблицы определяется числом ситуаций, которое, в свою очередь, зависит от степени конкретизации значений признаков.

Для построения решающей таблицы проводится опроса эксперта - хирурга-оператора. Естественно, что при описании ситуаций внимание эксперта будет сосредоточено на характерных, типовых ситуациях, которые могут возникнуть при управлении микророботом. Число типовых ситуаций гораздо меньше общего числа ситуаций, но для их описания эксперту наиболее удобно пользоваться словесными значениями признаков, представляющими собой значения соответствующих лингвистических переменных: <"Ориентация препятствия", Т1, D1>, где Т1 ) - терм-множество лингвистической переменной, D1 - диапазон изменения числовых значений признака.

Набор типовых ситуаций достаточно полно описывает возможные состояния микроробота при условии учета всех особенностей управления. Однако, как правило, учесть все особенности нельзя ввиду их непредсказуемости. В этой связи, при формировании управляющего воздействия целесообразно ввести меру истинности (или корректности) выполнения данного воздействия в конкретной ситуации, зависящую от значения терм-множества признака [5].

Тогда значение признака «Ориентация препятствия», при котором должно приниматься управляющее решение "Повернуть влево", может быть описано нечетким множеством на множестве значений признака: {<0,1/"препятствие сверху слева">, < 0,9/"препятствие сверху справа">, <0/"препятствие снизу слева">, < 0,8/"препятствие снизу справа">}. При этом совокупность нечетких множеств или нечетких признаков, характеризующих состояния объекта управления, будет определять нечеткую ситуацию, в которой находится микроробот.

Определим управляющие решения по указанным признакам в виде следующих терм-множеств:

R1 = {-повернуть вправо, -повернуть влево, - повернуть вверх, - повернуть вниз, - повернуть вправо вверх, - повернуть влево вверх, - повернуть вправо вниз, - повернуть влево вниз}

Определим матрицы отношений, описывающих силу воздействия управляющих решений:

Для определения результирующего значения признака достаточно выполнить минимаксную композицию исходного нечеткого значения признака и нечеткого отношения R.

{<<>,<>,<>,<>/ориентация препятствия в сосуде>}.

В результате может быть получен образ новой ситуации.

Заключение

Предложенный метод формирования управляющего решения на основе информации о текущей ситуации может быть применен для управления перемещением внутрисосудистого микроробота. Следует отметить, что использование методов нечеткого ситуационного управления позволяет не только осуществить автономное движение микроробота, но и обеспечить поддержку деятельности хирурга-оператора по принятию решений в условиях жестких временных ограничений с учетом требований к безопасности проводимых операций.

Литература

Саврасов Г.В., Нарайкин О.С., Гаврюшин С.С., Ющенко А.С., Войнов В.В., Поспелов В.И., Потапцев И.С., Пивоваров В.Н. Внутрисосудистый микроробот // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2006. - №11.

Войнов В.В. Алгоритм нечеткого адаптивного управления медицинским микророботом.// Экстремальная робототехника: Труды десятой научно-технической конференции. - СПб., 2007. -Т.5 - С.240-244.

Патент 2218191 Российская Федерация, МПК⁷ A61M29/00, A61B1/00. Эндовазальный мини-робот / Саврасов Г.В., Покровский А.В., Гаврюшин С.С., Нарайкин О.С., Ющенко А.С., Поспелов В.И.; заявители и патентообладатели НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана. - N 2002109308/14; заявл. 11.04.2002; опубл. 10.12.2003.

Поспелов Д.А. Ситуационное управление. Теория и практика. - М.: Наука, 1986.

Ющенко А.С., Киселев Д.В., Вечканов В.В. Адаптивная система нечеткого управления мобильным роботом // Мехатроника. -2002. - №1. - С. 20-26.

Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. - М.: Наука, 1990.

Размещено на Allbest.ru