Робототехника в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

В эпоху бурного развития науки и техники появляется множество различных нововведений в самых различных областях. Медицина так же не стоит на месте, появляются новые сложнейшие аппараты для жизнеобеспечения человека, примером тому могут стать множество аппаратов, например аппарат для искусственной вентиляции легких, либо аппарат искусственной почки и т.п. Появились миниатюрные измерители сахара в крови, электронные измерители пульса и давления, этот список можно дополнить неоднократно.

Конкретнее хочется остановиться на примере внедрения робототехники в медицинскую отрасль. Различные роботы создаются человеком примерно с конца 20 века, за пройденное время они были значительно улучшены и модернизированы.

1. Роботы в медицине

1.1 Робот-хирург «Да Винчи»

Рисунок 1 - Робот-хирург «Да Винчи»

Один из наиболее известных и прославленных достижений последнего времени стал робот «Да Винчи», названный в честь великого инженера, художника и ученого Леонардо Да Винчи, который в свое время сконструировал первого антропоморфного робота, способного двигать ногами и руками, осуществлять иные действия (рисунок 1). Эта передовая методика сочетает в себе все преимущества классической и лапароскопической операций. Во время операции хирург располагается за удобным пультом управления, на экран выводится трехмерное изображение оперируемого участка. Удобство работы с таким пультом благоприятно сказывается на работе хирурга, так как тот не утомляется, как при стандартном хирургическом вмешательстве.

Рисунок 2 - Джойстики термоманипулятора

Хирург управляет телеманипулятором с помощью специальных джойстиков, которые реагируют на прикосновения кончиков пальцев (рисунок 2). Его движения с абсолютной точностью воспроизводятся робототехникой. Это обеспечивает высокое качество операции и повышает безопасность ее проведения. В реальном времени движения хирурга передаются на операционный стол системы.

Хирургический робот Да Винчи оснащен сверхточными манипуляторами из 4 рук, одна из которых имеет встроенную камеру, которые передают изображения в реальном времени на пульт, еще две заменяют руки хирурга во время проведения операции, а четвертая служит в качестве ассистента (рисунок 3).

Рисунок 3 - Манипуляторы робота

С помощью острия размещенного на конце лапароскопических рук, производятся надрезы величиной 1-2 см. За счет таким маленьких надрезов снижается уровень травматизма тканей.

Точность движения механических манипуляторов превосходят возможности рук человека. Имея семь степеней свободы и способность изгиба на 90 градусов, руки робота имеют широкую амплитуду движений. Это незаменимо при оперативном вмешательстве в ограниченном пространстве, например, при работе с сердечной сумкой или малым тазом. Команда людей-ассистентов контролируют работу робота да Винчи, подготавливая место для надрезов, следя за ходом операции, поднося стерильные инструменты.

В настоящее время робота оснастили самыми продвинутыми «глазами» в мире. Трёхмерное зрение было у него и раньше, а вот высокой чёткости добились только сейчас. Новая версия позволяет следить за операцией сразу двум хирургам. Один из них может как ассистировать, так и учиться мастерству у старших коллег. На рабочем дисплее может быть отображена не только картинка с камер, но и два дополнительных параметра, например данные ультразвука и ЭКГ.

Многорукий da Vinci позволяет оперировать с большой точностью, а значит, и с минимальным вмешательством в организм пациента. В результате восстановление после операции происходит быстрее, чем обычно.

Рисунок 4 - Робот-диагностик «Рози»

Робот - фармацевт «Рози» работает в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико.

Задача Рози - приготовление и распределение лекарств сотен наименований. Работает он круглосуточно, практически не делает перерывов и при этом совершенно не ошибается. За два с половиной года службы в больничной аптеке не было ни одного случая, когда бы пациенту отправили не то лекарство. Коэффициент точности работы Рози - 99,7 процентов, а это значит, что сортировка и дозировка прописанных препаратов никогда не отличается от тех, что указаны в рецептах врачей.

Устройство весом более 4.5 тонн разработано подразделением отдела корпоративных общественных проектов корпорации Intel (Intel Community Solutions). Скользя по металлическому рельсу, Рози механической "рукой" собирает наполненные таблетками пакетики, висящие вдоль стен. Затем она вкладывает эти пакетики, на каждый из которых нанесен штрих-код, в конверты и отправляет их по палатам пациентам в контейнерах пневмопочты.

В палате медсестра с помощью небольшого устройства сканирует браслет на запястье пациента и получает информацию о том, какое лекарство он должен принимать, когда и в каком количестве. Затем медсестра сканирует штрих-код на пакете с лекарством - это позволяет проверить, действительно ли лекарство предназначено именно для данного больного, а также совпадают ли частота и дозировка приема.

Так же Рози помог своевременно обнаружить множество ошибок. Рози никогда не отправит больному лекарство с истекшим сроком годности. Залогом его точности являются заложенные в электронный мозг машины государственные стандарты контроля качества. Между тем, согласно данным Национального института здоровья в Вашингтоне из-за ошибок с лекарствами в стране ежегодно умирают около 50 тысяч человек. Но приготовление и распределение лекарств - не единственная проблема, которую в Пресвитерианской больнице решили с помощью Рози. До его появления было очень сложно следить за отпуском наркотических средств: сотрудники тратили уйму времени, пересчитывая таблетки, чтобы ни одна из них не осталась неучтенной. Сегодня от этой рутинной работы их освободил робот Рози.

Робот-нянька

Рисунок 5 - Робот-нянька

Робот нянька ухаживает за больными людьми, в частности страдающими от болезни Альцгеймера (рисунок 5).

Он облегчает пациентам общение с врачами и родственниками. Оборудованный камерой, экраном и всем необходимым для беспроводной связи через Интернет, робот Companion позволяет врачу контактировать с пациентом, который находится в специализированной клинике. Робот также используется для обучения персонала, помощи пациентам, имеющим проблемы с передвижением, общения пациентов с детьми. Как ни странно, пациенты, обычно неохотно принимающие все новое, отнеслись к механическому собеседнику совсем неплохо: показывали на него, смеялись, даже пытались заговаривать с ним.

По мнению исполнительного директора создавшей машину компании InTouch Health Юлина Ванга, применение роботов при уходе за престарелыми людьми может снять остроту проблемы старения нации. Пока же фирма собирается сдавать своих роботов в аренду домам престарелых.

Робот-физиотерапевт

Рисунок 6 - Робот-физиотерапевт

Настоящий шаг в будущее сделали инженеры из Массачусетского технологического института, заменившие врача-физиотерапевта роботом. Как известно, люди, перенесшие инсульт, надолго забывают о своей привычной жизни. В течение многих месяцев и даже лет они вновь учатся ходить, держать ложку в руках, совершать те обыденные действия, о которых раньше даже не задумывались. Теперь им могут помочь не только врачи, но и роботы.

Речь идет о сеансах физиотерапии, необходимых для восстановления координации движений рук. Сейчас пациенты обычно занимаются с врачами, которые показывают им соответствующие упражнения. В отделения реабилитации Бостонского городского госпиталя, где проводятся испытания новой установки, выздоравливающему от инсульта предлагается с помощью джойстика перемещать на экране по заданной траектории небольшой курсор. Если же человек не может этого сделать, управляемый компьютером джойстик с помощью встроенных электромоторов сам переместит его руку в необходимое положение.

Врачи остались довольны работой новинки. В отличие от человека, робот может совершать одни и те же движения тысячи раз в день и при этом не уставать.

Рисунок 7 - комплекс KineAssist

Так же существует комплекс KineAssist (рисунок 7). Он является совместной разработкой Чикагского реабилитационного института и компании kinea Design (ранее - Chicago PT). Врачи и инженеры, работавшие над данным проектом, в результате исследований выявили основные проблемы, возникающие при реабилитации пациентов с нарушением опорно-двигательного аппарата. Основное назначение KineAssist - предоставить более интенсивное и эффективное лечение пациентам, не нарушая их физической и психологической связи с физиотерапевтами и исключая фактор страха перед падением.

Устройство весом 227 кг представляет собой механизированную платформу с «интеллектуальными» ремнями, поддерживающими туловище человека, чтобы помочь пациентам с нарушениями неврологических функций научиться удерживать равновесие и ходить. Тренажёр KineAssist разрабатывался как средство помощи для терапевтов, а не как их замена. Датчики, встроенные в ремни, прогнозируют движения пациента и помогают ему удерживать равновесие. Учитывая, что теперь пациент находится в безопасности, физиотерапевты могут предложить ему выполнить более сложные упражнения, например, тренироваться в ходьбе по лестнице или делать шаги в сторону. Несмотря на свой вес, тренажёр с легкостью балетного танцора передвигается вперёд, назад и в стороны, в зависимости от направления движения пациента. Благодаря специальному программному обеспечению физиотерапевт может регулировать нагрузку и интенсивность во время занятий.

KineAssist предлагает большое количество режимов и видов упражнений, основными из которых являются:

- ходьба (возможно использование KineAssist вместе с беговой дорожкой);

- тренировка равновесия. Во время данного упражнения инструктор старается расширить привычную для пациента «зону безопасности», например, поставив перед ним препятствие, которое придётся обойти или перешагнуть;

- тренировка силы, где при движении пациента тренажёр прилагает сопротивление (возможна тренировка различных групп мышц);

- тренировка осанки. В этом режиме инструктор фиксирует тело пациента в определённом положении, а во время выполнения упражнений тренажёр поддерживает именно это положение тела.

KineAssist можно применять как для лечения больных, у которых относительно неплохо восстановились двигательные функции, так и для начальной реабилитации более слабых пациентов сразу после травмы или заболевания. Начиная с 2004 года KineAssist успешно проходит испытания в реабилитационных центрах США (в настоящий момент в центре Alexian Rehabilitation Hospital). Предварительная статистика по больным пережившим инсульт показывает, что реабилитация тех, кто занимался на роботизированном тренажёре, протекает, как минимум, в два раза эффективнее. К сожалению, из-за высокой цены (более 200 000 долларов США) данный комплекс могут позволить себе лишь самые крупные лечебные учреждения.

Робот для переноски пациентов RIBA

Рисунок 8 - Робот для переноски пациентов RIBA

Японский институт физических и химических исследований (BMC RIKEN) и компания Tokai Rubber Industries (TRI) представили «медвежеподобного» робота, предназначенного для оказания помощи медсёстрам в больницах. Новая машина буквально носит пациентов на руках (рисунок 8).

RIBA (Robot for Interactive Body Assistance) - это усовершенствованная версия андроида RI-MAN.

По сравнению с предшественником RIBA серьёзно продвинулся вперёд.

Как и RI-MAN, новичок способен аккуратно поднимать человека с кровати или инвалидного кресла, переносить его на руках, например в туалет, а потом доставлять обратно и так же бережно укладывать в постель или усаживать в коляску. Но если RI-MAN носил, лишь зафиксированных в определённом положении кукол весом 18,5 кг, RIBA уже транспортирует живых людей массой до 61 кило.

Рост «медведя» 140 сантиметров (RI-MAN - 158 см), и весит он вместе с аккумуляторами 180 килограммов (предшественник - 100 кг). RIBA распознаёт лица и голоса, выполняет голосовые команды, ориентируется по собранным видео- и аудиоданным, которые обрабатывает в 15 быстрее, чем RI-MAN, и «гибко» реагирует на малейшие изменения в окружающей среде.

Руки нового робота имеют семь степеней свободы, голова - одну (позже будет три), в талии две степени. Корпус покрыт разработанным TRI новым мягким материалом наподобие полиуретановой пены. Двигатели работают довольно тихо (53,4 дБ), а всенаправленные колёса позволяет машине маневрировать в ограниченном пространстве.

Робот-помощник Yurina

Рисунок 9 - Робот-помощник Yurina

Постепенно будут внедрены и роботы помощники, задачей которых будет непосредственная помощь врачам, данные модели уже используются в некоторых клиниках зарубежной медицины. Yurina, робот от японской компании Japan Logic Machine, который способен переносить лежачих пациентов на манер больничной каталки, только гораздо более плавно (рисунок 9).

Что еще интереснее, Yurina может трансформироваться в инвалидное кресло, управляемое сенсорным экраном, контроллера или голосом. Робот достаточно ловок, чтобы перемещаться в узких коридорах, что делает его действительно неплохим помощником для настоящих врачей.

Вспомогательный робот-рука Rapuda

Рисунок 10 - Вспомогательный робот-рука Rapuda

Последняя разработка японского Института исследования интеллектуальных систем (Intelligent Systems Research Institute) также имеет чисто практическое применение. Роботизированная рука Rapuda ориентирована на то, чтобы облегчить жизнь инвалидов, имеющих проблемы с подвижностью верхних конечностей (рисунок 10). Рука, управляемая при помощи джойстика, берет стакан воды со стола и даже поднимает упавшие на пол объекты.

Пока создатели не могут сказать, когда и по какой цене Rapuda будет доступна широкому кругу покупателей. Определенно, еще стоит поработать над скоростью осуществления манипуляций. Но можно сказать точно - такая технология явно будет востребована, поэтому разработка продолжается.

Робот-хирург

На калифорнийской конференции производитель NVIDIA озвучил весьма смелую идею - проводить операцию на сердце без остановки сердца и вскрытия грудной клетки.

Робот-хирург будет производить операцию с помощью манипуляторов, подведенных к сердцу через небольшие отверстия в груди пациента. Технология визуализации «на лету» оцифровывает бьющееся сердце, демонстрируя хирургу трехмерную модель, по которой он может ориентироваться точно так же, как если бы смотрел на сердце через вскрытую грудную клетку. Основная сложность заключается в том, что сердце совершает большое количество движений за короткое время - но, по словам разработчиков, мощности современных вычислительных систем на базе графических процессоров NVIDIA хватит, чтобы визуализировать орган, синхронизируя движения инструментов робота с биением сердца. За счет этого создается эффект неподвижности - хирургу без разницы, «стоит» сердце или работает, ведь манипуляторы робота совершают аналогичные движения, компенсируя биение!

Пока вся информация об этой невероятной технологии состоит из коротенькой видеодемонстрации, но мы будем с нетерпением ожидать новых сведений от NVIDIA. Кто бы мог подумать, что совершить революцию в хирургии задумала компания-производитель видеокарт.

2. Роботизированные устройства

2.1 Электронная кожа

Уже много лет в лабораториях по всему миру пытаются создать микророботов, которые смогли бы выполнять различные операции внутри организма пациентов. Дальше простейших прототипов у инженеров дело пока не пошло. Теперь ученые получили возможность пойти обходным путем - на смену сложным и неэффективным устройствам приходят микроорганизмы.

Один из самых последних прототипов был создан несколько лет назад в швейцарском Институте робототехники и интеллектуальных систем. Он представляет собой крошечную металлическую спираль, которую можно разглядеть только под очень мощным микроскопом. Попав в переменное магнитное поле, она начинает вращаться и работать, как пропеллер. Направлением движения этого устройства тоже можно управлять с помощью магнитов.

Со временем разработчики рассчитывают использовать его для доставки лекарств в различные ткани человеческого организма. Пока получается не очень хорошо.

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

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

Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с таким манипулятором смог бы запросто обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Авторы электронной кожи из Стэнфорда, чья статья также вышла в Nature Materials, отмечают, что достоинства их технологии - дешевизна и широкий диапазон давлений, который способен измерять подобный бутерброд.

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

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

2.2 Сенсорно-импульсный протез руки MPL

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

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

2.3 Роботизированное инвалидное кресло

робот хирургический инвалидный протез

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

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

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

2.4 Антенна-биосенсор

Ученые из Университета Тафтса (Tufts University) создали антенну-биосенсор, имплантируемую в организм человека для «присмотра» за протеинами и различными химическими соединениями. Одно из возможных применений изобретения заключается в автономном мониторинге уровня глюкозы больного диабетом, уведомляя пациента, когда показатели отклоняются от нормы. Впрочем, создатели говорят о гораздо большем практическом потенциале инновации.

Шелк выбран неслучайно. Этот природный материал прочнее кевлара, тоньше человеческого волоса, а главное - он биосовместим с организмом человека (не вызывает реакции иммунной системы). Антенна создана с тем расчетом, что каждый биологический агент в теле человека резонирует на своей, уникальной частоте из терагерцевого диапазона. Ученые надеются, что их изобретение сможет принимать эти сигналы, различать их и транслировать на компьютер беспроводным способом.

2.5 Мозговые имплантаты

Имплантация является одной из самых значимых отраслей современной медицины и играет важную роль в её развитии. Существует множество сфер применения имплантатов, однако ключевой считается головной мозг, как наиболее сложный и наименее изученный компонент человеческого организма. Исследование различных отклонений, связанных с человеческим мозгом, требует постоянного мониторинга состояния с целью обнаружения болезни на ранней стадии для её эффективного лечения. В данном случае примером может послужить такая болезнь, как эпилепсия, проявления которой при надлежащем контроле через встроенные в мозг имплантаты могут быть идентифицированы электронным оборудованием и лечащими врачами на начальном этапе и устранены при помощи электронных импульсов.

Проблема существующих в сегодняшней медицинской области имплантатов заключается в необходимости внедрения в человеческий мозг микроскопических электродов, использующих кремний для захвата сигналов, который не отличается эластичной структурой и негативно воспринимается организмом. Результатом активных исследований в этом направлении стала разработка имплантата учёными National Institutes of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), способного растворяться на поверхности мозга и адаптироваться к окружающей среде, не взаимодействуя при этом с внутренними тканями мозга. Основным материалом, применяемым в производстве такого рода имплантатов, является шёлк, который имеет природное происхождение и со временем растворяется, а остатки имплантата не вызывают каких-либо раздражений ввиду их ничтожно малой толщины. Такой выбор сырья обусловлен отсутствием возбуждающих реакций у шёлка и его способностью к быстрому исчезновению вне зависимости от временных периодов.

Основанные на шёлке имплантаты впервые были изобретены в University of Illinois и Tufts University и были протестированы на животных под действием наркоза. Тестовый набор состоял из тридцати электродов, объединённых в пять блоков на тонком слое полимида с подложкой из шёлка и без неё. Применение шёлка показало себя с лучшей стороны и позволило имплантатам получить более мощный уровень сигнала. Вполне вероятно, что такие устройства в ближайшем будущем можно будет интегрировать в человеческих мозг при помощи катетера и разместить их в ранее недоступных местах.

2.6 Автоматизированная носимая искусственная почка AWAK

Портативная машинка называется «Автоматизированная носимая искусственная почка» - AWAK (Automated Wearable Artificial Kidney). Она осуществляет перитонеальный диализ, при котором в брюшную полость вводится специально подобранный раствор - диализат, уносящий с собой удаляемые из крови токсины. Они проникают в раствор через брюшину.

Обычно такую процедуру проводят в клинике, причём с определённой периодичностью (к примеру, по нескольку часов каждый день), что фактически приковывает больного к аппарату. Также медики могут выполнять диализ на дому у пациента, но и в таком случае это сильно ограничивает свободу больного человека.

AWAK же позволяет пациенту вести обычную жизнь и перемещаться по городу.

Этот аппарат может работать круглосуточно, что исключает обычные для диализа периодические скачки в концентрации «отходов» в крови, наносящие удары по здоровью.

Также новое устройство, как утверждают его авторы, в силу некоторых конструктивных хитростей устраняет целый ряд негативных эффектов, обычно сопутствующих перитонеальному диализу, например, сокращает почти до нуля потерю белка.

Кроме того, AWAK не требует частой смены диализата, поскольку непрерывно регенерирует его, пропуская через сорбент. Восстановленный раствор ни в чём не уступает тем жидкостям, что обычно применяются в перитонеальном диализе, и даже напротив - по некоторым параметрам (состав, кислотность) он более благоприятен для организма, нежели распространённые смеси.

AWAK обеспечивает прокачку через пациента до 4 литров раствора в час. За стуки набирается в разы больше, чем при традиционном периодическом диализе. И всё это - в более-менее портативном аппарате, надеваемом словно пояс.

Американские учёные, создавшие AWAK, подписали лицензионное соглашение с новой сингапурской компанией AWAK Technologies, которая должна разработать коммерческий вариант «почки», пригодный для серийного выпуска.

Она существенно облегчит жизнь пациентов, нуждающихся в гемодиализе. При этом эффективность работы новой системы даже выше, чем у громоздких стационарных машин, утверждают её разработчики - специалисты из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и лос-анджелесского медицинского центра ветеранов (VA Greater Los Angeles Healthcare System).

2.7 Автоматический анестезиолог

Доктора и учёные из канадского университета Макгилла (McGill University) и принадлежащей ему поликлиники (McGill University Health Centre - MUHC) представили общественности устройство, способное самостоятельно полностью контролировать состояние пациента, которому нужна анестезия, и поддерживать дозировку необходимых препаратов по ходу операции .

Врач решает только один вопрос: каково должно быть состояние пациента в течение операции (уровень успокоения). Всё остальное делает машина: она определяет, в какой момент и в каком количестве необходимо то или иное лекарство.

McSleepy представляет собой компьютерную программу, которая может быть установлена, к примеру, на ноутбук. Она принимает сведения, приходящие с датчиков, собирающих информацию о состоянии человека, и даёт указания по дальнейшей работе устройствам ввода лекарств.

Учитываются три основных параметра: глубина гипнотического сна (анализ ЭЭГ), болевые ощущения и миорелаксация (расслабленность мышц). Простой и понятный, по словам создателей, интерфейс программы позволяет врачу-анестезиологу полностью контролировать процесс на экране компьютера.

С помощью обычных шприцов машина вводит в тело человека необходимые лекарства по мере необходимости. Робот значительно облегчает работу врачей (по крайней мере в ходе долгой и сложной операции).

Пример: некоторые препараты быстро выводятся из организма, и их необходимо вводить каждые полчаса. Подобный подбор лекарств в течение длительной операции может занять всё время анестезиолога, и ему некогда будет следить за состоянием пациента.

Заключение

В ходе выполнения этой работы мною были рассмотрены многочисленные роботизированные аппараты и устройства медицинского назначения, применимые как для сложных хирургических операций, так и для несложных задач.

Судя по публикациям организаций- разработчиков и медицинских центров области применения медицинских роботов, в том числе для восстановительной медицины, расширяются и спрос на них увеличивается. Медицинские роботы в сравнении другими аппаратными средствами имеют ряд преимуществ. Это - быстрая перепрограммируемость, высокая точность повторения движений, неутомимость, отсутствие субъективных факторов (добросовесность), дружественный интерфейс (психоэмоциональный контакт), партнёрство (для детей вовлечение в игры, в разнообразные движения, например, в утреннюю зарядку). Также адаптация к индивидуальным особенностям человека (позиционно-силовое управление), наличие интеллекта (накопление опыта, анализ, генерация программ), повышенная безопасность за счёт адаптации и интеллекта.

Концепция разработки и внедрения роботов для здоровых людей состоит в применении адаптивных и интеллектуальных роботов для сохранения и увеличения запасов здоровья населения, восстановлении работоспособности трудящихся.

Список литературы

«Интеллектуальное управление» А.К. Тугенгольд, Ростов-на-Дону, «Издательский центр ДГТУ» 2004

«Введение в мехатронику» А.К. Тугенгольд, Ростов-на-Дону, «Издательский центр ДГТУ» 2010

Автоматизация и интеллект. [Электрон.ресурс]. Режим доступа: http://www.aiportal.ru

Медицинские роботы и оборудование. [Электрон.ресурс]. Режим доступа: http://medrobot.ru

Размещено на Allbest.ru