Роботы помощники во время операций. Семь самых перспективных медицинских роботов

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.

Роботы в медицине

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Робототехника сегодня завоевывает разнообразные области, в которых, казалось бы, всегда будут трудиться люди. Одна из этих областей – медицина. Сегодня роботы делают сложные операции или заменяют органы, жизненно важные для человека. Итак, представляем вам 10 медицинских роботов.

Cue

Биолог Аюб Кхаттак и дизайнер Клинт Север создали устройство, которое должно помочь людям, чувствующим недомогание. Аппарат Cue, анализирующий состояние здоровье своего пользователя, обладает компактными габаритами, что упрощает его повседневное использование. На данный момент Cue показывает уровень витамина D, тестостерона, а также умеет определять способность человека к воспроизводству. Кроме того, аппарат выявляет у своего хозяина наличие таких заболеваний, как ВИЧ и грипп. Для того, чтобы провести анализ, в специальный картридж необходимо поместить образец слюны, крови или слизистой оболочки пользователя. Анализ производится в течение нескольких минут.

Ubot-5

В Массачусетском университете был создан робот, помогающий людям пережить последствия инсульта. Так, в 2013 году Ubot-5 помог восстановиться 72-летнему мужчине, имеющему проблемы с сердцем. Робот умеет оценивать состояние речи больного, а также делать пациенту физиотерапию. По итогам роботы Ubot-5 с больным был выявлен положительный эффект как в области движения, так и в области речи больного.

Argus II

Компанией Second Sight разработала устройство, которое способно частично восстановить зрение незрячим. Вначале необходимо имплантировать специальную матрицу электродов. Кроме того, необходимы солнечные очки с миниатюрной видеокамерой. Изображение, которое попадает в объектив этой видеокамеры, передается к визуальному процессору, который находится на поясе пользователя. Далее визуальный процессор посылает данные изображения на очки в виде 60-пиксельных черно-белых изображений, которые, в свою очередь, передаются на упомянутые выше матрицы. Электроды этих матриц воздействует на фоторецепторы и клетки, передающие сигналы от фоторецепторов в зрительный нерв. Безусловно, Argus II передает пользователю изображения в виде довольно грубых форм, однако данное устройство помогает незрячим ориентироваться в пространстве.

Lightbot

Конструкторы из японской компании NSK создали робота-поводыря Lightbot, способного помогать незрячим людям, а также людям, имеющим проблемы с передвижением. Ориентируется Lightbot в окружающем мире, используя трехмерный датчик. Робот умеет распозновать препятствие, передвигается по лестнице как вверх, так и вниз. Благодаря колесам Lightbot умеет не только шагать, но и ездить. Кстати, скорость движения робота зависит от скорости движения использующего его человека.

Robocast

Ученые из Великобритании, Германии, Италии и Израиля создали робототехническую систему Robocast, призванную помочь нейрохирургам. Основная задача этой системы – помочь во время операций по трепанации мозга. Как известно, данная операция является крайне опасной и трудоёмкой: ошибка на миллиметр может привести к необратимым повреждением головного мозга. Robocast обладает системой «мозг – компьютер», которая включает в себя автоматический планировщик траектории инструмента, управляющий механизм с обратной связью, набор датчиков операционного поля, микроконтроллеры и двух роботов. Таким образом, большой робот контролирует своего маленького коллегу, размещает его в необходимом месте и координирует его в нужном направлении. Маленький робот необходим для внедрения хирургического инструмента в мозг пациента. Кроме того, Robocast всегда можно перевести на ручное управление.

Veebot

Обычный врач далеко не всегда попадает в вену с первого раза. Поэтому для забора крови компания Mountain View был создан робот Veebot. Робот определяет место нахождения вены в руке пациента, используя камеру, специальное программное обеспечение и инфракрасную подсветку, а также Weebot исследует вену при помощи ультразвука. Таким образом робот определяет, что толщина вены достаточна для прокола.

7 Finger Robot

Ученые из Массачусетского института технологий создали специальное устройство, увеличивающее количество пальцев на руке до семи. В первую очередь, дополнительные пальцы предназначены для людей, которым приходится пользоваться лишь одной рукой. Движениями механических пальцев управляют биологические пальцы пользователя. Другими словами, дополнительные пальцы копируют те движения, которые делают человек (например, захватывающее движение). Также, благодаря своим сервомоторам, дополнительные пальцы способны развивать силу, равную силе обычных пальцев.

Робот-сиделка VGo

Американской компанией Vgo Communication был создан робот-сиделка для больных, прошедший тестирование в одной из бостонских детских больниц. Основные задачи робота VGo заключаются в том, чтобы помочь в восстановлении больным, а также обеспечить им связь с внешним миром. Например, благодаря роботу VGo, дети, проходящие лечение в больнице, могут дистанционно посещать школу. Кроме того, робот позволяет администрации больницы контролировать деятельность своих подчиненных. Рост VGo составляет 164 сантиметров, передвигается он на четырех колесах. Ещё VGo может делать анализ крови пациентов.

Amigo

Ученые Лестерского университета (Великобритания) сконструировали медицинского робота Amigo, задачей которого является лечение аритмии сердца. Робот может помочь врачам вводить катетер к поврежденным участкам сердца. Amigo также способен подать больному стакан воды. Робот подключен к единой сети, в которой объединены разнообразные роботы по всему миру. Цель данной сети состоит в объединении информации о возможностях роботов, а также в создании программного обеспечения и навигационных карт, что должно сделать этих роботов доступнее в использовании.

Jukusui-Kun

Доктор Кабе, работающий в лаборатории японского университета Waseda, создал робота-подушку под названием Jukusui-Kun. Подушка выглядит как мягкая игрушка-медведь. Основные пользователи Jukusui-Kun – люди, страдающие синдромом апноэ сна. Во время сна такие люди испытывают трудности с дыханием – их мучает хронический храп. К робоподушке прилагаются беспроводной датчик, который подкладывается под простынь, беспроводной датчик, который прикрепляется к пальцу пациента, а также микрофон. Подушка анализирует состояние пользователя во время сна, уровень шума, движения спящего, а также количество кислорода в крови. На движения спящего Jakusui-Kun реагирует поглаживанием, после чего человек принимает позу, наиболее благоприятную для сна.

Слайд 2

Медицинская робототехника

Для восстановительной медицины и реабилитации Роботы для жизнеобеспечения Роботы для диагностики, терапии, хирургии Активные биоуправляемые протезы, экзоскелетоны Массаж точечный и классический, кресла Активные и пассивные движения конечностей в суставах Малоинвазивные для диагностики и хирургии Рентгеновский облучатель наноробот Телеуправление через интернет Перекладка, транспортировка Подвоз лекарств Передача инструментов хирургу поводырь Сервис для пожилых Автоматическая комната

Слайд 3

Робот “Lokomat” для выполнения движений конечностей в бедренных, коленных и голеностопных суставах.

Слайд 4

активный протез коленного сустава Активные протезы и экзоскелетоны

Слайд 5

протезы активные пассивные простейшие тяговые Миотонические биоэлектрические Без обратных связей С обратными связями тяговые

Слайд 6

робот Unimate Puma 560 Первый хирургический робот UnimatePuma 560 был создан в конце 1980-х в Америке. Этот робот, по сути, являлся большой рукой с двумя когтистыми отростками, которые могли врфащаться друг относительно друга. Амплитуда движений - 36 дюймов. Робот имел довольно ограниченный спектр движений, использовался в нейрохирургии для удерживания инструментов при проведении стереотаксической биопсии.

Слайд 7

В 1998 году появился активный робот ZEUS, предназначенный для дистанционной эндоскопической хирургии. Параллельно с ZEUS создавалась другая аналогичная система, получившая название DA VINCI. ZEUS

Слайд 8

HEXAPOD