Семь самых перспективных медицинских роботов. Обзор состояния робототехники в восстановительной медицине Роботы в медицине на английском

Казанский Государственный

Технологический Университет

Реферат на тему:

Робототехника в медицине

Выполнил студент группы

Нигматуллин А.Р.

Казань 2010.

Вступление

1. Виды медицинских роботов

Заключение

Вступление

В эпоху бурного развития науки и техники появляется множество различных нововведений в самых различных областях. Прилавки супермаркетов заполняются экзотической пищей, в торговых комплексах появляются одежды из новейших материалов, а в гипермаркетах электроники и того дальше, невозможно угнаться за развитием новых изобретений. Все привычное старое стремительно сменяется на необыкновенное, новое, к которому так не просто привыкнуть. Но если бы не было прогресса, то люди не познали бы множества загадок, которые еще не раскрыты, и природа тщательно скрывает их от нас. Несмотря на все это, благодарю высокой профессиональности современных ученых физиков, безостановочно ведутся разработки в различных сферах. Простой человек вряд ли озадачивался вопросом что же нового можно внести в этот и без того безгранично цивилизованный и прогрессивный мир. Для примера можно рассмотреть наш мир, каким он был даже одну сотню лет назад. Не было не телевизоров, не компьютеров, не бытовой техник, без которой современному человеку в быту просто не обойтисьли даже 10 лет назад, когда сотовые телефоны только –только вышли в свет и были громоздкими и очень малофункциональными, что касается и компьютерной техники. Наука движет мир вперед, и в любых областях жизнедеятельности человека нужны какие – либо нововведения. В данном пример хотелось бы выбрать как определенный аспект – область медицины, а точнее ее технического потенциала. Медицина так же не стоит на месте, появляются новее 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 –ого века, за пройденное время они были значительно улучшены и модернизированы. На данный момент существуют роботы – помощники, военные разработки роботов, космические, бытовые и конечно медицинские. Далее стоит подробнее разобрать какие виды роботов и для какого применения существуют на данный момент времени.

Виды медицинских роботов

Один из наиболее известных и прославленных достижений последнего времени стал робот по названием «Да Винчи», который, как можно догадаться был назван в честь великого инженера, художника и ученого Леонардо Да Винчи. Новинка позволяет хирургам выполнять самые сложные операции, не касаясь пациента и с минимальным повреждением его тканей. Робот, который может применяться в кардиологии, гинекологии, урологии и общей хирургии, был продемонстрирован медицинским центром и отделением хирургии университета штата Аризона.

Во время операции с “да Винчи” хирург находится за пару метров от операционного стола за компьютером, на мониторе которого представлено трехмерное изображение оперируемого органа. Врач управляет тонкими хирургическими инструментами, проникающими в тело пациента сквозь небольшие отверстия. Такие инструменты с дистанционным управлением можно использовать для точных операций на небольших и труднодоступных участках тела.

Доказательством необычайных возможностей “да Винчи” стал первый в мире полностью эндоскопический байпас, выполненный совсем недавно в Колумбийском Пресвитерианском медицинском центре в Нью-Йорке. Уникальную операцию провели директор центра по роботизированной кардиохирургии Майкл Аргензиано, и заведующий отделом кардиоторакальной хирургии доктор Крейг Смит. При этом они использовали всего лишь три небольших отверстия - два для манипуляторов и одно - для видеокамеры. Понять, что это значит, может только человек, хоть раз наблюдавший “традиционную” операцию на открытом сердце.

Действия бригады, “открывающей” грудную клетку пациента, производят на новичка (по журналистскому заданию мне как-то пришлось побывать в этой роли) неизгладимое впечатление. До сих пор помню мурашки по всему телу от жуткого визга разрезающей грудину дисковой пилы и огромную рану, в которой деловито сновали руки в окровавленных резиновых перчатках.

В Соединенных Штатахбайпасили аортокоронарное шунтирование является самой распространенной операцией на открытом сердце. Ежегодно эту процедуру проходят здесь 375 тысяч человек. Широкое внедрение “да Винчи” могло бы значительно облегчить их судьбу, помогая пациентам быстрее поправляться после операции и раньше выписываться из госпиталей.

Главный хирург аризонского центра, где испытывают “да Винчи”, доктор Алан Гамильтон вообще уверен в том, что роботостроение произведет революцию в хирургии. Пока что эта революция только начинается, а вот в... кино “да Винчи” уже произвел изрядный фурор. Хирургический робот сыграл роль в последнем кинофильме сериала о Джеймсе Бонде “Умри в другой день” (Die Another Day).

В начале фильма крупным планом показываются три механические руки, шарящие по телу захваченного врагами агента 007. “Хирурги и шпионы похожи друг на друга, поскольку они стремятся выполнить свои задачи без излишней суеты и с использованием новейших технологий, - сказал представитель лондонского Имперского колледжа, где трудится сейчас “да Винчи”. - Фильмы о Джеймсе Бонде всегда восхищали меня демонстрацией невиданных технических новинок. Но я никогда не думал, что когда-нибудь отдел, который я возглавляю, будет сотрудничать с производителями бондианы”.

“Да Винчи” - лишь один из примеров развития новой отрасли в медицине.

Другие роботы применяются в самых различных операциях, вплоть до хирургии головного мозга. Пока что эти устройства достаточно громоздки, но врачи надеются на появление и миниатюрных помощников. Прошлым летом, например, отдел энергетики американской Национальной лаборатории Sandia в Альбукерке уже построил самый маленький в мире робот высотой в один сантиметр. А британская корпорация Nanotechnology Development разрабатывает крошку Fractal Surgeon, который будет самостоятельно собираться из еще меньших блоков внутри человеческого тела, проводить там необходимые действия и саморазбираться.

Теперь же робота оснастили самыми продвинутыми "глазами" в мире(о чём свидетельствуетпресс-релизкомпании). 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 (фото 2009 Intuitive Surgical)

Еще одна интересная новость. Сотрудники Университета Вандербильта (США) выступили с концепцией новой автоматической когнитивной системы TriageBot. Машины будут собирать медицинскую информацию, осуществлять основные диагностические измерения и в конечном итоге ставить предварительные диагнозы, пока люди занимаются более неотложными проблемами. В результате пациенты будут меньше ждать, а специалисты вздохнут свободнее и существенно снизят количество ошибок.«Последние достижения в области дизайна гуманоидных роботов, сенсорных технологий и архитектуры когнитивного контроля сделали такую систему возможной», - подчёркивает соавтор проекта Митч Уилкс.В США около 40% пациентов отделений экстренной помощи поступают туда в состоянии, опасном для жизни. Врачам приходится уделять им первоочередное внимание. Роботы могли бы заняться остальными 60%.Если проект окажется успешным, через пять лет возле стойки регистрации появятся электронные терминалы, подобные тем, что установлены в аэропортах, а также специальные «умные» стулья и мобильные роботы.При поступлении пациент должен прежде всего зарегистрироваться. В предлагаемой системе сопровождающее лицо сможет внести все необходимые данные через терминал с сенсорным экраном. Возможны голосовые подсказки. При этом автомат сможет распознавать наличие критической информации (например, острая боль в груди) и информировать о ней врача, чтобы пациентом занялись как можно скорее. В противном случае больного направят в зал ожидания.План более подробной диагностики пациента разрабатывается в соответствии с этими первоначальными сведениями. В предлагаемой системе простейшие процедуры можно проделать уже в приёмной, на специальном стуле, который измерит кровяное давление, пульс, насыщение крови кислородом, частоту дыхания, высоту и вес.Кроме того, мобильные помощники будут периодически проверять состояние пациентов в зале ожидания, уделяя особое внимание артериальному давлению, частоте пульса и, возможно, интенсивности болевых ощущений. В случае обнаружения критических изменений робот обязан проинформировать человеческий персонал.Последний элемент системы TriageBot - это администратор, который следит за машинами, обеспечивает связь с больничной базой данных и служит посредником между автоматикой и медиками.Планируется провести ряд исследований, в ходе которых будет определён точный набор функций роботов и их внешний вид. Параллельно разрабатываются прототипы.

Для более точных и удобных расчетов ученые создали чудного робота –фармацевта. Электронно-механическое чудо, работающее в большом подвале Пресвитерианской больницы в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико, зовут Рози. “Родитель” этого мощного механического агрегата, перемещающегося по четырехметровому рельсу в темной застекленной комнате, - новое подразделение корпорации Intel - Intel Community Solutions, использующее достижения фирмы для решения социальных задач.

На сегодняшний день робототехнологии шагнули далеко вперед, благодаря чему концепция лечения людей значительно изменилась. Исходя из того, какое количество исследовательских групп сейчас занимается изготовлением роботов, в медицине намечается огромный прогресс, особенно если сравнивать с успехами восьмилетней давности.

Первые успешные мероприятия по приходятся на 2006 год, когда ученый Сильван Мартель собрал исследовательскую группу и создал уникального на тот момент крошечного робота, габариты которого едва превышали шарик от обычной ручки. Этот искусственный организм был помещен в сонную артерию живой свиньи, где он успешно перемещался по заданным точкам. С тех пор роботы в медицине заняли свою нишу и продолжают активно развиваться. А если судить по опыту последних нескольких лет, эти технологии движутся огромными шагами.

Преимущества роботов

Главная цель создания подобных «помощников» - перемещаться не только по наиболее крупным артериям человека, но и получать данные с участков с узкими кровеносными сосудами. Благодаря этому применение роботов в медицине позволит выполнять довольно сложные операции без травматического вмешательства. Таким образом, значительно снижается риск смертности от слишком агрессивной анестезии или из-за того, что пациент страдает от аллергической реакции на тот или иной препарат.

Однако это не единственный плюс использования роботов в медицине. Например, подобные технологии могут помочь при лечении рака. Дело в том, что микророботы способны доставлять лекарственные препараты непосредственно к очагу злокачественного образования. В отличие от химиотерапии, когда агрессивные препараты распространяются по всему телу больного и вызывают непоправимые последствия, такой метод не нанесет сильного удара по иммунной системе человека.

Современные роботы в медицине способны справляться с большим перечнем задач. Однако и сегодня остается масса вопросов касательно того, как заставить столь малый искусственный организм перемещаться по крови или отслеживать его местоположение. Но некоторые современные разработки, позволяют справляться с поставленными задачами. Рассмотрим их подробнее.

«Биоракеты»

Эти роботы-помощники в медицине являются своего рода титановыми ядрами, заключенными в алюминиевые оболочки. При этом их размер не превышает 20 мкм. Когда алюминиевая оболочка соприкасается с водой, начинается реакция, в ходе которой на поверхности ядра образуется водород. Именно это вещество заставляет микроконструкцию перемещаться со скоростью, равной 150 своим диаметрам за секунду. Это равносильно тому, что человек ростом 2 метра способен проплыть за столько же времени 300 метров. Химический двигатель этого уникального робота в медицине применяется благодаря добавке специального вещества - галлия. Этот компонент уменьшает скорость образования оксидного налета. Благодаря этому микроробот может проработать порядка 5 минут с максимальным запасом хода 900 мм (при условии пребывания в воде).

Чтобы направить микроскопический агрегат по заданному направлению, используется внешнее магнитное поле. Таким образом, «биоракета» применима для доставки лекарственных препаратов в определенную точку организма человека.

Мускульные роботы

Это довольно интересное направление робототехники. Мускульные роботы в медицине применяются для стимуляции мышечных клеток. Работают такие микроскопические агрегаты посредством электрических импульсов, которые они передают. Сами роботы представляют собой своего рода хребты, изготовленные из гидрогеля. Они работают по такому же принципу, что и в организме млекопитающих. Например, если речь идет о человеческом теле, то мышцы начинают сокращаться благодаря сухожилиям. В случае с микророботом этот процесс происходит благодаря электрическому заряду.

Да Винчи

Робот «Леонардо» в медицине получил особую популярность. Он был создан, чтобы в будущем заменить хирургов. На сегодняшний день этот самостоятельный механизм весом 500 кг, оснащенный четырьмя «руками», способен справляться с огромным количеством задач. Три его конечности оснащены миниатюрными инструментами для выполнения сложнейших операций. На четвертой «руке» находится крошечная видеокамера.

То, как действуют такие роботы в медицине, фото демонстрирует лучше всего. Да Винчи способен оперировать через самые крошечные разрезы, ширина которых составляет не более нескольких сантиметров. Благодаря этому после хирургического вмешательства у пациента не остается безобразных шрамов.

В процессе работы «Леонардо» на некотором отдалении от него сидит медицинский работник, который управляет пультом. Благодаря современному джойстику врач может выполнять сложнейшие манипуляции с ювелирной точностью. Все действия передаются конечностям робота, который повторяет движения пальцев рук.

Стоит также отметить, что «руки» агрегата немного отличаются от человеческих кистей тем, что манипуляторы способны работать в режимах. Кроме этого искусственные «пальцы» не устают и могут мгновенно замирать, если оператор случайно отпустит пульт управления. Врач может контролировать свои движения при помощи мощных окуляров, которые позволяют увеличивать картинку в 12 раз.

«Киробо»

Этот интересный робот был разработан специально для космонавтов, которые испытывают психологическое давление, находясь так далеко от родной планеты. Человекообразная машина отличается небольшими габаритами. Ее рост составляет всего 34 см. Однако этого вполне достаточно. Робот способен поддерживать полноценную беседу, реагировать на вопросы и имитировать «живое» общение. Единственный минус новой разработки заключается в том, что общается он пока что исключительно на японском языке.

Робот прекрасно отличает человеческую речь от прочих звуков. Кроме этого, он способен узнавать людей, с которыми уже общался до этого. Он может определять настроение исходя из мимики и вообще много чего умеет. При необходимости он может даже обнять.

Некоторые ученые полагают, что данные интеллектуальные роботы в медицине не нужны. Однако они вполне могут найти применение в психотерапии.

«ПАРО»

Этот помощник работает в качестве зоотерапевта. Внешне он был создан в виде Наружная оболочка робота изготовлена из мягкого материала, который напоминает натуральную белую шкуру реального животного. Внутри он набит всевозможными датчиками (прикосновения, температуры, света, положения, звука и прочего). Этот полноценный искусственный интеллект прекрасно осознает где он находится, способен откликаться на присвоенное ему имя. Уникальный робот с умилительной мордочкой различает грубость и ласковое отношение.

Сегодня этот интересный робот уже широко применяется для терапии различных категорий пациентов. Его можно погладить, обнять, пообщаться с ним или просто рассказать о своих переживаниях. В будущем данные роботы будут направлены в дома престарелых, детские сады и реабилитационные центры для помощи людям, страдающим от психологических переживаний. Очень часто в послеоперационный период пациенты нуждаются в поддержке, однако в медицинских учреждениях невозможно содержать животных, поэтому такой искусственный интеллект станет настоящим прорывом в восстановительной медицине.

«Хоспи»

Этот робот предназначен для того, чтобы заменить фармацевтов. Это поможет медперсоналу значительно сэкономить время на поиск нужных лекарственных препаратов и доставку их в стенах больниц. По большому счету этот помощник представляет собой роботизированную аптечку, высота которой составляет 130 см. Робот способен перевозить вес до 20 кг, этого вполне достаточно для того, чтобы перемещать по госпиталю большое количество самых разных лекарственных препаратов и образцов. При перемещении "Хоспи" способен огибать препятствия, поэтому риск того, что он столкнется с персоналом или посетителями больницы сведен практически к нулю.

«РП Вита»

Этот робот способен оказывать помощь в консультировании на расстоянии. Виртуальный «помощник» позволяет лечащему врачу совершать обход за считанные минуты. Кроме этого благодаря роботу становится возможным следить за состоянием тяжелобольных пациентов, требующих особенного внимания на протяжении дня и ночи.

Высота чуда техники составляет 1,5 метров. Внутри робота установлена система специальных звуковых и лазерных датчиков, за счет которых осуществляется построение маршрута агрегата. Также он оснащен экраном, на котором будет отображаться лицо лечащего врача. Благодаря этому имитируется полноценное общение с пациентами, которые в полной мере ощущают присутствие медицинского сотрудника. «РП Вита» также оснащен современными диагностическими инструментами. Для работы с агрегатом достаточно ноутбука или планшета.

«Хал»

Данный робот представляет собой специализированный экзоскелет, благодаря которому парализованные люди смогут полноценно передвигаться.

Датчики оборудования закрепляются на коже пациентов и начинают считывать силу импульсов, которые исходят от тех или иных мышц. Если какой-либо узел работает не в полной мере, то активируется экзоскелет, и органы получают необходимые для их работы заряды.

Сегодня робот представлен в двух модификациях: целый скелет или только для ног.

«Ватсон»

Этот суперкомпьютер оснащен сразу 90 серверами по четыре процессора, в каждом из которых установлено по восемь ядер. Оперативная память робота составляет шестнадцать терабайт. «Ватсон» - это онколог, который способен ставить диагнозы за короткое время. Агрегат оснащен отличным искусственным интеллектом, благодаря чему он способен быстро считывать информацию и делать необходимые выводы. Робот за считанные минуты обрабатывает до 600 000 медицинских справочников и других необходимых для диагностирования документов. Врачу остается загрузить в память болезни пациента и получить вероятный диагноз. Кроме того, «Ватсону» можно задавать вопросы, только пока что исключительно в письменной форме.

В заключение

Исходя из быстро развивающихся технологий, несложно сделать вывод, что роботы в медицине в будущем будут незаменимы. Они позволят медицинским учреждениям перейти на новый уровень диагностирования и лечения самых сложных заболеваний. При этом речь идет также и о психических больных.

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.

Вторая половина ХХ века стала временем интенсивного развития всех областей науки, техники, электроники и роботостроения. Медицина стала одним из главных векторов внедрения роботов и искусственного интеллекта. Главной целью развития медицинской робототехники является высокая точность и качество обслуживания, повышение эффективности лечения, уменьшение рисков нанесения вреда здоровью человека. Поэтому в этой статье мы рассмотрим новые методы лечения, а также использование роботов и автоматизированных систем в различных областях медицины.

Еще в середине 70-х годов в больнице городе Фэрфакс, США, штат Виржиния, появился первый медицинский мобильный робот ASM, который перевозил контейнеры с подносами для питания больных. В 1985 году впервые мир увидел роботизированную хирургическую систему PUMA 650, разработанную специально для нейрохирургии. Чуть позже хирурги получили новый манипулятор PROBOT, а в 1992 году появилась система RoboDoc, применявшаяся в ортопедии при протезировании суставов. Через год компания Computer Motion Inc. представила автоматическую руку Aesop для удержания и изменения положения видеокамеры при лапароскопических операциях. А в 1998 году этот же производитель создал более совершенную систему ZEUS. Обе эти системы не являлись полностью автономными, их задачей было ассистирование врачам при операции. В конце 90х годов компания-разработчик Intuitive Surgical Inc создала универсальную роботизированную хирургическую систему с дистанционным управлением – Da Vinci, которая с каждым годом совершенствуется и внедряется во многие медицинские центры мира до сих пор.

Классификация медицинских роботов:

В настоящее время роботы играют колоссальную роль в развитии современной медицины. Они способствуют точной работе при операциях, помогают провести диагностику и поставить правильный диагноз. Заменяют отсутствующие конечности и органы, восстанавливают и улучшают физические возможности человека, снижают время на госпитализацию, обеспечивают удобство, быстроту реагирования и комфорт, экономят финансовые затраты на обслуживание.

Существует несколько видов медицинских роботов, отличающихся своими функциональными возможностями и конструкцией, а также сферой применения для различных областей медицины:

Роботы-хирурги и роботизированные хирургические системы - применяются для проведения сложных хирургических операций. Являются не автономными устройствами, а дистанционно управляемым инструментом, который обеспечивает врача точностью, повышенной сноровкой и управляемостью, дополнительной механической силой, уменьшает утомляемость хирурга, снижает риск заболевания хирургической бригады гепатитом, ВИЧ и другими заболеваниями.

Роботы-симуляторы пациентов - предназначены для отработки навыков принятия решений и практических врачебных интервенций в лечении патологий. Такие устройства полностью воспроизводят физиологию человека, моделирует клинические сценарии, реагируют на введение препаратов, анализируют действия обучаемых и соответствующим образом реагируют на клинические воздействия.

Экзоскелеты и роботизированные протезы - экзоскелеты способствуют повышению физической силы и помогают при восстановительном процессе опорно-двигательного аппарата. Роботизированные протезы - импланты, которые заменяют отсутствующие конечности, состоят из механико-электрических элементов, микроконтроллеров с искусственным интеллектом, а также способны управляться от нервных окончаний человека.

Роботы для медицинских учреждений и роботы-помощники - являются альтернативой санитарам, медсестрам и медбратам, сиделкам, няням и другому медицинскому персоналу, способны обеспечивать уход и внимание пациенту, помогать в реабилитации, обеспечивать постоянную связь с лечащим врачом, транспортировать больного.

Нанороботы - микророботы, действующие в организме человека на молекулярном уровне. Разрабатываются для диагностики и лечения раковых заболеваний, проведения исследований кровеносных сосудов и восстановления поврежденных клеток, могут анализировать структуру ДНК, проводить ее корректировку, уничтожать бактерии и вирусы и т.д.

Другие специализированные медицинские роботы - существует огромное количество роботов, помогающие в том или ином процессе лечения человека. Например, устройства, которые способны автоматически перемещаться, дезинфицировать и кварцевать больничные помещения, замерять пульс, брать кровь на анализ, производить и выдавать медикаменты и др.

Рассмотрим подробнее каждый вид роботов на примерах современных автоматизированных устройств, разрабатываемых и внедренных во многих сферах медицины.

Роботы-хирурги и роботизированные хирургические системы:

Самым известным роботом-хирургом во всем мире является аппарат "Da Vinci". Устройство, произведенное компанией Intuitive Surgical, весит полтонны и состоит из двух блоков, один - блок управления, предназначен для оператора, а второй - четырёхрукий автомат, который выполняет роль хирурга. Манипулятор с искусственными запястьями имеет семь степеней свободы, аналогично с рукой человека, и 3D визуализационную систему, которая выводит трехмерное изображение на монитор. Такая конструкция повышает точность движений хирурга, исключает тремор рук, неловкие движения, уменьшает длину разрезов и кровопотерю во время операции.

Робот хирург Da Vinci

С помощью робота возможно провести огромное количество различных операций таких, как восстановление митрального клапана, реваскуляризация миокарда, абляция тканей сердца, установка эпикардиального электронного стимулятора сердца для бивентрикулярной ресинхронизации, операции на щитовидной железе , желудочное шунтирование, фундопликация по Nissen, гистерэктомия и миомэктомия, операции на позвоночнике, замена дисков, тимэктомия - операция по удалению вилочковой железы, лобэктомия легкого, операции в урологии , эзофагоэктомия, резекция опухоли средостения, радикальная простатэктомия, пиелопластика, удаление мочевого пузыря, перевязка и развязка маточных труб , радикальная нефрэктомия и резекция почки, реимплантация мочеточника и другие.

В настоящее время развернулась борьба за рынок медицинских роботов и автоматизированных хирургических систем. Ученые и компании-производители медицинского оборудования стремятся внедрить свои устройства, поэтому с каждым годом появляется все больше роботизированных аппаратов.

Конкурентами "Da Vinci" стали новый робот-хирург MiroSurge , предназначенный для операций на сердце, роботизированная рука от компании UPM для точной вставки игл, катетеров и других хирургических инструментов в процедурах минимально инвазивной хирургии, хирургическая платформа под названием IGAR от компании CSII , роботизированная система-катетер Sensei X , производства Hansen Medical Inc для проведения сложных операций на сердце, система для трансплантации волос ARTAS от Restoration Robotics , хирургическая система Mazor Renaissance , которая помогает производить операции на позвоночнике и головном мозге, робот-хирург от ученых из SSSA Biorobotics Institute , а также робот-помощник для отслеживания хирургических инструментов от GE Global Research , находящийся в стадии разработки, и многие другие. Роботизированные хирургические системы служат ассистентами или помощниками для врачей и не являются полностью автономными устройствами.

Робот хирург MiroSurge

Робот хирург от UPM

Робот хирург IGAR

Робот катетер Sensei X

Роботизированная система по трансплантации волос ARTAS

Робот хирург Mazor Renaissance

Робот хирург от SSSA Biorobotics Institute

Робот для отслеживания хирургических инструментов от GE Global Research

Роботы-симуляторы пациентов:

Для отработки практических навыков будущих врачей существуют специальные роботы-манекены, которые воспроизводят функциональные особенности сердечно–сосудистой, дыхательной, выделительной систем, а также непроизвольно реагируют на различные действия обучающихся, например, при введении фармакологических препаратов. Самый популярный робот-симулятор пациента – HPS (Human Patient Simulator) от американской компании METI. К нему можно подключить прикроватный монитор и отслеживать показатели кровяного давления, минутного сердечного выброса, ЭКГ и температуры тела. Устройство способно потреблять кислород и выделять углекислый газ, как при настоящем дыхании. В режиме анестезии возможно поглощение или выделение закиси азота. Такая функция обеспечивает отработку навыков по искусственной вентиляции легких. Зрачки в глазах робота способны реагировать на свет, а подвижные веки закрываются или открываются в зависимости от того, находится ли пациент в сознании. На сонных, плечевых, бедренных, лучевых подколенных артериях прощупывается пульс, который меняется автоматически и зависит от артериального давления.

Симулятор HPS имеет 30 профилей пациентов с различными физиологическими данными, имитируя здорового мужнину, беременную женщину, пожилого человека и т.д. В процессе обучения моделируется определенный клинический сценарий, в котором описывается место действия и состояние пациента, цели, необходимое оборудование и медикаменты. Робот имеет фармакологическую библиотеку, состоящую из 50 препаратов, включая газообразные анестетики и внутривенные препараты. Управление манекеном производится с помощью беспроводного компьютера, позволяя инструктору контролировать все аспекты процесса обучения непосредственно рядом со студентом.

Следует отметить большую популярность манекенов-симуляторов рожениц, например, GD/F55. Он разработан для обучения медицинского персонала в отделениях акушерства и гинекологии, позволяет отработать практические навыки и умения в гинекологии, акушерстве, неонтологии, педиатрии, интенсивной терапии и сестринском уходе в родильном отделении. Робот Simroid имитирует пациента в кресле стоматолога, его ротовая полость в точности повторяет человеческую. Устройство способно симулировать звуки и стон, которые создает человек, если ему больно. Существуют роботы-тренажеры для обучения манипуляционной технике. Это, по сути, муляж человека с имитаторами вен и сосудов, выполненных из эластичных трубок. На таком устройстве студенты отрабатывают навыки венесекции, катетеризации, венепункции.

Экзоскелеты и роботизированные протезы:

Один из самых известных медицинских устройств является роботизированный костюм - экзоскелет. Он помогает людям с ограниченными физическими возможностями перемещать свои тела. В момент, когда человек пытается пошевелить руками или ногами, специальные датчики на коже считывают небольшие изменения в электрических сигналах организма, приводя в рабочее состояние механические элементы экзоскелета. Одними из популярных устройств стали Walking Assist Device (вспомогательное устройство для ходьбы) от японской компании Honda , реабилитационный экзоскелет HAL от компании Cyberdyne , широко применяемый в японских больницах, аппарат Parker Hannifin университета Вандербильта (Vanderbilt University) , дающий возможность двигать суставами бедер и колен, мощный экзоскелет NASA Х1 , разработанный для космонавтов и парализованных людей, экзоскелет Kickstart от Cadence Biomedical , работающий не от батареи, а использующий кинетическую энергию, генерируемую человеком при ходьбе, экзоскелеты eLEGS, Esko Rex, HULC от производителя Ekso Bionics , ReWalk от компании ARGO , Mindwalker от компании Space Applications Services , помогающие парализованным людям, а также уникальный мозг-машинный интерфейс (BMI) или просто экзоскелет для мозга MAHI-EXO II для восстановления двигательных функций методом считывания мозговых волн.

Широкое применение экзоскелетов помогает многим людям во всем мире почувствовать себя полноценными. Даже полностью парализованные люди уже сегодня имеют возможность ходить. Ярким примером служат роботизированные ноги физика Амита Гоффера , которые управляются с помощью специальных костылей и могут автоматически определять, когда нужно сделать шаг, распознавать речевые сигналы "вперед", "сидеть", "стоять".

Экзоскелет для ходьбы Walking Assist

Экзоскелет HAL от Cyberdyne

Экзоскелет Parker Hannifin

Экзоскелет NASA Х1

Экзоскелет Kickstart от Cadence Biomedical

Экзоскелет HULC от Ekso Bionics

Экзоскелет ReWalk от ARGO

Экзоскелет Mindwalker от Space Applications Services

Экзоскелет для мозга MAHI-EXO II

Экзоскелет от Амит Гоффера

Но что же делать, когда конечности отсутствуют? Это касается в основном ветеранов войны, а также жертв случайных обстоятельств. В связи с этим такие компании, как компания Quantum International Corp (QUAN) и их экзопротезы и Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) совместно с Департаментом помощи ветеранам, Центром реабилитации и Службой развития США вкладывают огромные средства в исследование и разработку роботизированных протезов (бионических рук или ног), которые обладают искусственным интеллектом, способные чувствовать окружающую среду и распознавать намерения пользователя. Эти устройства с точностью имитируют поведение природных конечностей, а также управляются с помощью собственного мозга (микроэлектроды, имплантированные в мозг, или датчики считывают нейросигналы и передают их в виде электрических сигналов в микроконтроллер). Обладатель самой популярной бионической руки стоимостью в 15000 долларов США - британец Найджел Экланд, который ездит по миру и пропагандирует использование искусственных роботизированных протезов.

Одним из важных научных разработок стали искусственные роботизированные лодыжки iWalk BiOM , разработанные профессором Массачусетского технологического института Хью Херром (Hugh Herr) и его группой биомехатроники в лаборатории MIT Media Lab. iWalk получает финансирование от американского Департамента по делам ветеранов и Министерства обороны, и поэтому многие инвалиды-ветераны, служившие в Ираке и Афганистане, уже получили свои бионические лодыжки.

Роботизированные лодыжки iWalk BiOM

Ученые со всего мира стремятся не только улучшить функциональные особенности роботизированных протезов, а придать им реалистичный вид. Американские исследователи во главе с Женан Бао (Zhenan Bao) из Стэнфордского университета (Stanford University) в Калифорнии, создали нанокожу для медицинских протезных устройств . Это полимерный материал обладает высокой гибкостью, прочностью, электропроводностью и чувствительностью к давлению (считывание сигналов по типу сенсорных панелей).

Нанокожа из Stanford University

Роботы для медицинских учреждений и роботы-помощники:

Больница будущего - больница с минимальным человеческим персоналом. С каждым днем в медицинские учреждение все больше внедряются роботы-медсестры, роботы-медбратья и роботы телеприсутствия для контакта с лечащим врачом. Например, в Японии уже давно работают роботы-санитары от Panasonic , роботы-помощники Human Support Robot (HSR) от компании Toyota , ирландский робот-медбрат RP7 от разработчика InTouch Health, корейский робот KIRO-M5 и многие другие. Такие устройства представляют собой платформу на колесах и способны измерять пульс, температуру, контролировать время приема пищи и медикаментов, своевременно оповещать о проблемных ситуациях и необходимых действиях, поддерживать связь с живым медицинским персоналом, собирать разбросанные или упавшие вещи и т.д.

Роботы-санитары от Panasonic

Робот-помощник HSR от Toyota

Робот медбрат RP7 от InTouch Health

Робот-медсестра KIRO-M5

Зачастую, в условиях непрерывного медицинского обслуживания, врачи физически не могут уделить достаточно внимания пациентам, особенно если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Разработчики роботизированной медицинской техники постарались и создали роботов-телеприсутствия (например, LifeBot 5 , или RP-VITA от компании iRobot и InTouch Health). Автоматизированные системы позволяют передавать аудио и видео сигнал через сети 4G, 3G, LTE, WiMAX, Wi-Fi, спутниковую или радиосвязь, измерять сердцебиение пациента, кровяное давление и температуру тела. Некоторые устройства могут выполнять электрокардиографию и УЗИ, имеют электронный стетоскоп и отоскоп, перемещаются в больничных коридорах и палатах, огибая препятствия. Такие медицинские помощники обеспечивают своевременный уход и обрабатывают клинические данные в режиме реального времени.

Робот телепристутсвия LifeBot 5

Робот телепристутсвия RP-VITA

Для безопасной транспортировки образцов, лекарств, оборудования и расходных материалов в больницах, лабораториях и аптеках с большим успехом используются роботы-курьеры. Помощники имеют современную навигационную систему и бортовые датчики, позволяющие с легкостью передвигаться в помещениях со сложной планировкой. К яркими представителям подобных устройств можно отнести американские RoboCouriers от компании Adept Technology и Aethon из Медицинскомго центра University of Maryland , японские Hospi-R от Panasonic и Terapio от компании Adtex .

Робот курьер RoboCouriers от Adept Technology

Робот курьер Aethon

Робот курьер Hospi-R от Panasonic

Робот курьер Terapio от Adtex

Отдельным направлением развития роботизированной медицинской техники является создание колясок-трансформеров, автоматизированных кроватей и специальных транспортных средств для инвалидов. Вспомним о таких разработках, как кресло с резиновыми гусеницами Unimo от японской компании Nano-Optonics , (Chiba Institute of Technology) под руководством доцента Шуро Накаджима (Shuro Nakajima), использующая ноги-колеса для преодоления лестниц или канав, робоколяска Tek Robotic Mobilisation Device от компании Action Trackchair. Компания Panasonic готова решить проблему переноса больного с кресла на кровать, требующую больших физических усилий медицинского персонала. Это устройство самостоятельно превращается из кровати в кресло и наоборот, когда это необходимо. Компания Murata Manufacturing Co объединилась с Kowa, что бы сделать инновационное медицинское транспортное средство Electric Walking Assist Car , представляющее собой автономный велосипед с маятниковой системой управления и гироскопом. Эта разработка в основном предназначена для престарелых и людей, которые имеют проблемы с ходьбой. Отдельно отметим серию японских роботов RoboHelper от Muscle Actuator Motor Company , которые являются незаменимыми помощниками медсестрам по уходу за лежачими пациентами. Аппараты способны поднять человека с кровати в сидячее положение или забрать физические отходы лежачего человека, исключая использование горшков и уток.

Нанороботы:

Нанороботы или наноботы - роботы размером с молекулу (менее 10 нм), способные двигаться, считывать и обрабатывать информацию, а также программироваться и выполнять определенные задачи. Это совершенно новое направление в развитии робототехники. Сферы использования таких устройств: ранняя диагностика рака и целенаправленная доставка лекарств в раковые клетки, биомедицинский инструментарий, хирургия, фармакокинетика, мониторинг больных диабетом, производство посредством молекулярной сборки нанороботами устройства из отдельных молекул по его чертежам, военное применение в качестве средств наблюдения и шпионажа, а также в качестве оружия, космические исследования и разработки и др.

На данный момент известны разработки медицинских микроскопических роботов для выявления и лечения рака от южнокорейских ученых , биороботы от ученых из университета штата Иллинойс , которые могут перемещаться в вязких жидкостях и биологических средах самостоятельно, прототип морской миноги - наноробот Cyberplasm , который будет передвигаться в организме человека, выявляя заболевания на ранней стадии, нанороботы инженера Адо Пуна , которые могут путешевствовать по кровеносной системе, доставлять лекарства, брать анализы и удалять сгустки крови, магнитный наноробот Spermbot - разработка ученого Oliver Schmidt и его коллег из Института интегративной нанонаук в Дрездене (Германия) для достаки спермы и лекарств, наноботы для замены белков в организме от ученых из Венского университета (University of Vienna) совместно с исследователями из Университета природных ресурсов и наук о жизни Вены (University of Natural Resources and Life Sciences Vienna).

Микророботы Cyberplasm

Нанороботы Адо Пуна

Магнитный наноробот Spermbot

Нанороботы для замены белков

Другие специализированные медицинские роботы:

Существует огромное количество специализированных роботов, выполняющих отдельные задачи, без которых невозможно представить себе эффективное и качественное лечение. Одними из таких устройств являются роботизированный кварцевый аппарат Xenex и робот-дезинфектор TRU-D SmartUVC от Philips Healthcare . Несомненно, такие аппараты просто незаменимые помощники в борьбе с внутрибольничными инфекциями и вирусами, которые служат одной из самых серьезных проблем в медицинских учреждениях.

Роботизированный кварцевый аппарат Xenex

Робот-дезинфектор TRU-D SmartUVC от Philips Healthcare

Сбор анализа крови - наиболее распространенная медицинская процедура. Качество при выполнении процедуры зависит от квалификации и физического состояния медицинского работника. Зачастую попытка взять кровь с первого раза заканчивается неудачей. Поэтому для решения этой проблемы был разработан робот Veebot , имеющий компьютерное зрение, с помощью которого он определяет местоположение вены и аккуратно направляет туда иглу.

Робот для забора крови Veebot

Робот для изучения рвотного процесса Vomiting Larry позволяет исследовать норовирусы, приводящие к 21 миллиону заболеваний, включающие симптомы тошноты, водянистой диареи, боли в животе, потери вкуса, общей вялости, слабости, боли в мышцах, головнуюой боли, кашля, субфебрильной температуры, и, конечно, сильной рвоты.

Робот для изучения рвотного процесса Vomiting Larry

Самым популярным роботом для детей остается PARO - пушистая детская игрушка в виде гренландского тюленя. Терапевтический робот может шевелить головой и лапами, распознавать голос, интонацию, прикосновения, измерять температуру и освещенность в комнате. Его конкурентом является огромный обнимающийся плюшевый робот-медведь HugBot , который замеряет пульс и кровяное давление.

Терапевтический робот PARO

Робот-медведь HugBot

Отдельная ветка медицины, занимающаяся диагностикой, лечением болезней, травм и расстройств у животных - это ветеринария. Для обучения квалифицированных специалистов в этой области Колледж ветеринарной медицины в разработке роботов-домашних животных создает уникальных роботов-тренажеров в виде собак и кошек . Для приближения к точной модели поведения животного программное обеспечение разрабатывается отдельно в Центре перспективных вычислительных систем при Корнельском университете (САС).

Роботы-тренажеры в виде собак и кошек

Эффективность роботов в медицине:

Очевидно, что применение роботов в медицине носит ряд преимуществ перед традиционным лечением с участием человеческого фактора. Использование механических рук в хирургии предотвращает многие осложнения и ошибки при операциях, сокращают послеоперационный восстановительный период, уменьшают риск заражения и инфицирования больного и персонала, исключают большую потерю крови, снижают болевые ощущения, способствуют лучшему косметическому эффекту (небольшие рубцы и шрамы). Роботизированные медицинские помощники и реабилитационные роботы позволяют уделить пристальное внимание к пациенту во время лечения, контролировать процесс выздоровления, ограничить живой персонал от трудоемкой и неприятной работы, позволить больному чувствовать себя полноценным человеком. Инновационные методы лечения и оборудование с каждым днем приближают нас к более здоровой, безопасной и долгой жизни.

С каждым годом мировой рынок медицинских роботов пополняется новыми устройствами и, несомненно, растет. По данным исследовательской компании Research and Markets, к 2020 году рынок только одних реабилитационных роботов, биопротезов и экзоскелетов вырастит до 1,8 млрд. долларов США. Главным бумом медицинских роботов ожидается после принятия единого стандарта ISO 13482 , который станет сводом правил для элементов конструкции, материалов и программного обеспечения, применяемого в устройствах.

Заключение:

Без сомнения можно сказать, что медицинские роботы- это будущее медицины. Применение автоматизированных систем значительно сокращает врачебные ошибки, уменьшает дефицит медицинского персонала. Наноробототехника помогает преодолеть тяжелые заболевания и предотвратить осложнения на ранней стадии, широко применять эффективные нанолекарства. В течении ближайших 10-15 лет медицина ступит на новый уровень с использованием роботизированного обслуживания. К сожалению, Украина находится в плачевном состоянии в отношении этой отрасли развития. К примеру, в России в Екатеринбурге знаменитый робот-хирург "Da Vinci" провел свою первую операцию еще в 2007 году. А в 2012 году президент Дмитрий Анатольевич Медведев поручил Минздраву России вместе с Минпромторгом проработать вопрос по развитию новых медицинских технологий с применением робототехники. Эту инициативу поддержала Российская академия наук. Реалия такова, что при отсутствии реальной поддержки власти Украины в развитии области медицинской робототехники, наше государство с каждым годом отстает от других цивилизованных стран. Отсюда следует показатель уровня развития страны в целом, ведь забота о здоровье и жизни гражданина, упомянутая в главном законе - Конституции Украины, является "наивысшей социальной ценностью".

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