Применение средств мехатроники в медицине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Последнее десятилетие отмечено бурным развитием высоких медицинских технологий, формирующих облик медицины 21 века. Во многих развитых странах активно ведутся разработки различных мехатронных устройств медицинского назначения. Основные направления развития медицинской мехатроники - разработка систем для реабилитации инвалидов, выполнения сервисных операций, а также для клинического применения. Основные направления развития медицинской мехатроники представлены на рисунке.

Рисунок - Основные направления развития медицинской мехатроники:

Все большую роль играют микророботы, способные самостоятельно функционировать внутри человеческого организма.

Отметим, что медицинские робототехнические системы являются медицинскими по своей сути, объединяя в единое целое механические и электронные компоненты, функционирующие в составе интеллектуальной робототехнической системы.

Ниже рассмотрены основные достижения в области медицинской мехатроники и намечены перспективы ее дальнейшего развития.

1. Роботы для реабилитации инвалидов

Медицинские роботы реабилитации предназначены главным образом для решения двух задач: восстановления функций утраченных конечностей и жизнеобеспечения инвалидов, прикованных к постели (с нарушениями зрения, опорно-двигательного аппарата и другими тяжкими заболеваниями).

История протезирования насчитывает не одно столетие, но к мехатронике непосредственное отношение имеют лишь так называемые протезы с усилением. Современные автоматизированные протезы не нашли широкого применения из-за конструктивных и эксплуатационных несовершенств и малой надежности в работе. Но уже сейчас делается многое, чтобы улучшить их характеристики за счет внедрения в их конструкцию новых материалов и элементов, таких, как пленочные тензодатчики для управления силой сжатия пальцев руки-протеза, электронно-оптические датчики, монтируемые в оправе очков для управления протезом руки с помощью глаз пациента и т. п.

В Японии разработана механическая рука, исполнительный орган которой имеет шесть степеней свободы и систему управления протезом. В Оксфорде (Великобритания) создана система управления для манипуляторов, предназначенных для протезирования, особенностью которых является способность выполнения заданий заранее не запрограммированных. Они обеспечивают обработку сенсорной информации, включая систему распознавания речи. Одной из проблем является формирование управляющих сигналов пациентом без помощи конечностей. Известны устройства для помощи пациентам с двумя или четырьмя ампутированными или парализованными конечностями, приводимые в движение с помощью электрического сигнала, возникающими в результате сокращения мышц головы или туловища. Разработана конструкция механической руки с телеметрической системой, управление которой осуществляется датчиками на голове больного, реагирующими на движение головы или бровей и подающими сигналы микропроцессору, управляющему исполнительным органом манипулятора.

Для решения задач жизнеобеспечения неподвижных больных созданы различные варианты роботизированных систем. Качественно новым конструктивным решением является антропоморфная рука - манипулятор, смонтированная на инвалидной коляске и управляемая ЭВМ. Данная система позволяет больному с минимальным уровнем подготовки управлять рукой - манипулятором для удовлетворения физиологических потребностей, пользования телефоном и т. д.

Известны медицинские роботизированные комплексы, функционирование которых осуществляется через центральный контрольный пост или с помощью различных командных устройств, задание для которых пациент формирует с помощью речевых команд. Система включает в себя антропоморфную руку - манипулятор, управляющую аппаратуру, командное устройство, телевизионный монитор, а также автоматизированную транспортную тележку. По желанию больного включаются телевизор, радио, осветительные приборы, изменяется положение больного на кровати, приводится в действие манипулятор.

Важной проблемой, связанной с реабилитацией инвалидов, является создание для них рабочих мест. В Великобритании разработано автоматизированное рабочее место для инвалидов с нарушениями опорно-двигательной системы. Робот представляет собой манипуляционную систему, которая управляет речевыми командами оператора. Он способен по желанию пациента выбирать музыкальные диски, книги, переворачивать листы читаемой книги, переключать периферийные устройства компьютера, набирать номера телефонов.

В США было разработано автоматизированное рабочее место с антропоморфной рукой - манипулятором для инвалидов, страдающих тяжелой формой нарушения опорно-двигательной системы. Пациент с минимальным уровнем подготовки может управлять роботом, предназначенным для приема пищи, питья, ухода за волосами, чистки зубов, чтения, пользования телефоном, а также для работы на персональном компьютере. Контроллер, размещенный под подбородком пациента, для управления автоматизированным рабочим местом может монтироваться на инвалидной коляске или на столе рабочего места. Это делает, в частности, возможным использование большого числа автоматизированных рабочих мест для одновременного кормления группы пациентов. Такие мероприятия обеспечивают пациентам возможность общения друг с другом и способствуют их осознанию себя как полноправного члена общества.

2. Сервисные роботы

Медицинские роботы сервисного назначения призваны решать транспортные задачи по перемещению пациентов, различных предметов, связанных с их обслуживанием и лечением, а также выполнять необходимые действия по уходу за больными, прикованными к постели.

Внедрение в систему здравоохранения роботов этой группы позволит освободить медперсонал от рутинной вспомогательной работы, предоставив ему возможность заниматься своими профессиональными делами.

Разработан робот, выполняющий функции, связанные с приложением больших усилий - транспортировка, укладывание больных и т. п. Робот представляет собой электрогидравлическую систему с автономным источником питания. Возможность управлять роботом предоставляется как пациенту, так и медицинскому персоналу. Он оснащен сенсорной системой. Робот способен обслуживать больного, масса которого не превышает 80 кг.

В Великобритании разрабатывается роботизированное устройство, способное выполнять операции по переворачиванию лежачих тяжелобольных с целью устранения у них пролежней. В результате появляется возможность устранить вынужденные потери и освободить медсестер от выполнения этой изнурительной работы. Такие устройства позволяют, в частности, одному медработнику мыть в ванне тяжелобольных, не прибегая к помощи других сотрудников.

В Японии разработан образец мобильного робота - поводыря Meldog для слепых, представляющий собой небольшую транспортную четырехколесную полноценно приводную тележку, система управления которой оснащена системой технического зрения и ЭВМ. В память ЭВМ записан маршрут движения в пределах данного населенного пункта. Одни датчики робота по месторасположению стен домов и выбранных опорных точек идентифицируют уличные перекрестки, другие обнаруживают дорожные препятствия. По сигналам с датчиков бортовая ЭВМ робота вырабатывает стратегию преодоления препятствий. Робот - поводырь управляет движением слепого пациента с помощью элементов связи, которые расположены на мягком прилегающем к телу инвалида поясе. Электрические импульсы, генерируемые этим поясом, являются командами для пациента при остановке робота или его повороте налево или направо. Робот контролирует скорость своего передвижения и останавливается в 1-2 м. впереди ведомого слепого пациента. В перспективе появление подобных мобильных роботов с улучшенной системой управления, основанной на принципах вероятностной логики.

Внедрение транспортных мобильных роботов в инфраструктуру медицинских учреждений России значительно облегчит решение вопроса о нехватке младшего медицинского персонала.

Основными видами транспортировочных работ, которые предполагается поручать медицинским мобильным роботам, является: централизованная доставка медицинских материалов и оборудования, лотков и поддонов с пищей для пациентов, лабораторных анализов, готовых медикаментов, почты для больных, а также утилизация и транспортировка материалов и отходов из служебных помещений.

В США разработан транспортный мобильный робот для госпиталей. В госпитале г. Данбэри этот робот в автономном режиме управления развозит лотки с пищей. Госпиталь насчитывает 450 коек для больных. Ежедневно робот развозит около 90 поддонов или лотков с пищей для вновь прибывших пациентов.

Медицинский робот Helpmate оснащен системой технического зрения, состоящей из нескольких цветных ТВ - камер, акустических локаторов и неконтактных НК - датчиков для обнаружения дорожных препятствий, измерения расстояния до них и составления маршрута безопасного движения. На передней стенке робота расположены также электрический выключатель экстренной остановки (продублированный на задней стенке), сигнальная лампа - вспышка и сигналы поворота.

На заднюю стенку робота выведены устройства считывания карты местности: клавишная панель, переключатель вида работ, шкаф для лотков с пищей и ниша для аккумуляторов.

Стратегия преодоления препятствий решается с помощью бортовой ЭВМ на базе составленной карты местности. Данные, полученные с датчиков первичной информации, логически обрабатываются и выводятся на карту местности. Датчики сканируют местность спереди передвигающегося робота, так что в случае появления препятствия робот по сигналам с датчиков останавливается.

В течение нескольких минут ЭВМ обрабатывает данные и подтверждает наличие преграды. Если препятствие движется, то робот ожидает до тех пор, пока оно не исчезнет. Если же объект стоит неподвижно, то робот начинает маневрировать в целях обхода препятствия сбоку. Все процессы маневрирования записываются в память машины. В случае неудачи все записанные параметры маневрирования сравниваются с истинным положением робота и проводится корректировка программы и системы управления.

Время обучения мобильного робота передвижению в автономном режиме зависит от сложности маршрута, размеров коридоров и дверных проёмов в больнице.

Помимо робота Helpmate в США разработана госпитальная роботизированная система Robotek упрощенной конструкции и меньшей стоимости.

В Канаде ведутся исследования по созданию медицинского мобильного робота автономного управления с высокими тактико-техническими характеристиками. В целях обеспечения высокой функциональной надежности система управления робота оснащена резервной системой управления, а также системой самодиагностики, способной в автоматическом режиме определять отказы в системе управления и их причины.

В Японии для транспортировки лежачих больных в пределах госпиталя разрабатывается медицинская мобильная робототехническая система, представляющая собой дистанционно управляемую транспортную тележку. Робот оснащен устройством для перекладки больного с больничной койки на транспортировочное средство, состоящей из доски с крепежными мягкими ремнями вверху и внизу.

Это подвижное устройство может перемещаться между пациентом и его коечным матрацем и позволяет самому больному передвигаться на доске, которая подвешивается на роботе в двух местах, позволяющих ей принимать конфигурацию кресла.

По мнению экспертов Japan Industrial Robot Association (JIRA), японский рынок госпитальных мобильных роботов возрос с 1000 в 1995 году до 3200 в 2000 г. медицина мехатроника протез

За последние годы повысился интерес к мобильным госпитальным роботам и в ряде европейских стран. Во Франции и Италии ряд ведущих робототехнических и электронных компаний включились в разработку роботизированных систем для транспортировки продуктов, как в госпитале, так и в офисе.

Ведутся работы по созданию роботов для эвакуации раненых из зон природных и техногенных катастроф.

Размещено на Allbest.ru