• >>
• Последняя

Медицинские роботы сегодня и завтра

Медицина всегда была сложна, сегодня о ней говорят, как об одной из сложнейших областей, которой овладело человечество. Тем не менее медицинские роботы могут ставить точные диагнозы и проводить лечение, и совсем скоро овладеют они и прочими медицинскими направлениями.

Мы рождены, мы живем, и в конце - мы умираем. Это правда. Однако качество нашей жизни часто коррелирует с нашим здоровьем. Вообще, чем здоровее, тем больше мы можем достичь - таким образом, мы счастливее.

Вот почему здоровье всегда было проблемой. В настоящее время медицина прошла очень долгий путь по сравнению со временем Гиппократа Кос. Теперь люди могут делать очень сложные операции, изобретать лекарства для различных болезней и так далее. Возникает вопрос: может ли медицина идти дальше и каким образом?

Ответ на первую часть вопроса «определенно». Однако ответы на вторую часть могут отличаться. Есть много заметных полей, которые могли бы изменить ход истории болезни, например, стволовые клетки. Тем не менее, я уверен, что поле робототехники и связанных с роботикой областей, таких как медицинская бионика и биомехатроника, будет играть большую роль в медицине в ближайшем будущем.

На самом деле, сейчас в этих областях происходит много интересных вещей. Итак, в этом разделе моего сайта я попытаюсь пролить свет на вопросы о медицинских роботах и областях, связанных с роботикой в медицине, сейчас и в будущем.

Операции с помощью робота

Медицинские роботы, которые могут делать операции, звучат чудесно, не так ли? Все существующие хирургические роботы в этот день на самом деле хитроумно сделаны манипуляторами, контролируемыми компетентными врачами. Есть некоторые проблемы с уровнем искусственного интеллекта, необходимые для самостоятельной работы, но это может быть достигнуто в один прекрасный день.

В настоящее время существует два поля, в которых разрабатываются и тестируются хирургические роботы. Одним из них является телеробота, позволяющая врачу делать операцию на расстоянии. Другое поле - минимально инвазивная хирургия - операция проводится без больших сокращений.

Система хирургии робота da Vinci - один из ярких примеров использования робототехники в хирургических целях. Более тысячи единиц используются во всем мире. Подробнее о роботизированной хирургии в целом.

Роботы новые сотрудники больниц

Больницы - это немного похоже на фабрики. Есть много мирских задач. Например - перенос вещей, перемещение образцов с одного аппарата на другой, очистка. Есть также задачи, требующие некоторой силы. Например, подъем и перемещение пациентов.

Я полагаю, вы поняли, что есть много задач, которые могут выполнять медицинские роботы. В этой области были некоторые разработки - есть роботы, предназначенные для лабораторного использования, есть AGV (Automated Guided Vehicle), предназначенные для использования в больницах.

Насколько я знаю, большинство из них находятся на стадии тестирования. Тем не менее, это, безусловно, выполнимая задача.

Терапевтические роботы

Медицинские роботы, используемые в терапии. Идея этого довольно похожа на терапию с животными, только роботы более предсказуемы. Подробнее о терапевтических роботах.

Биологическое протезирование

Это поле, связанное с роботикой. Результат не может считаться роботом, но включенные в него дисциплины весьма схожи - AI, электроника, механика и многое другое.

Великий сон заключается в том, что в один прекрасный день будут бионные руки и бионные ноги, столь же хорошие и функциональные (или даже лучше), как наши естественные конечности. Недавняя разработка в этой области довольно поразительна. Несколько компаний работают в этой области - Ossur , Otto Bock и Touch Bionics являются одними из тех, кого я знаю.

Применение и использование роботов в медицине в будущем

Возможно, это будет возможно в будущем. Идея состоит в том, чтобы разработать устройства размером до нескольких нанометров, отсюда и название - нано-роботы. Эти маленькие устройства могут затем использоваться разными способами. Например, для исправления сломанной кости или для доставки лекарства в нужное место или для уничтожения раковых клеток.

Возможности ограничены только воображением. К настоящему времени нанороботы находятся в стадии исследований и разработок, поэтому на самом деле это фантазия.

Сегодня исследовательские группы по всему миру пытаются нащупать концепцию использования роботов в медицине. Хотя правильнее, пожалуй, говорить «уже нащупали». Судя по количеству разработок и интересу всевозможных научных групп, можно утверждать о том, что магистральным направлением стало создание медицинских микророботов. Сюда же можно отнести и роботов с приставкой «нано-». Причём первые успехи в этой области были достигнуты сравнительно недавно, всего восемь лет назад.

В 2006 году группа исследователей под руководством Сильвана Мартеля впервые в мире провела успешный эксперимент, запустив крошечного робота размером с шарик от авторучки в сонную артерию живой свиньи. При этом робот перемещался по всем назначенным ему «путевым точкам». И за прошедшие с тех пор годы микроробототехника несколько продвинулась вперёд.

Одной из главных целей для инженеров сегодня является создание таких медицинских роботов, которые будут способны перемещаться не только по крупным артериям, но и по относительно узким кровеносным сосудам. Это позволило бы проводить сложные виды лечения без столь травматического хирургического вмешательства.

Но это далеко не единственное потенциальное преимущество микророботов. В первую очередь, они были бы полезны при лечении рака, целенаправленно доставляя лекарство прямо к злокачественному образованию. Ценность такой возможности сложно переоценить: при химиотерапии препараты подаются через капельницу, нанося сильнейший удар по всему организму. По сути, это сильный яд, который повреждает многие внутренние органы и, за компанию, саму опухоль. Это сравнимо с ковровой бомбардировкой ради уничтожения небольшой одиночной цели.

Задача создания подобных микророботов находится на стыке целого ряда научных дисциплин. Например, с точки зрения физики - как заставить столь малый объект самостоятельно двигаться в вязкой жидкости, которой для него является кровь? С точки зрения инженерии - как обеспечить робота энергией и как отслеживать перемещение по организму крохотного объекта? С точки зрения биологии - какие использовать материалы для изготовления роботов, чтобы они не наносили вреда организму человека? А в идеале, роботы должны быть биоразлагаемыми, чтобы не пришлось ещё решать проблему их вывода из организма.

Одним из примеров того, как микророботы могут «загрязнять» тело пациента, является «биоракета».

Этот вариант микроробота представляет собой титановое ядро, окружённое оболочкой из алюминия. Диаметр робота 20 мкм. Алюминий вступает в реакцию с водой, в ходе которой на поверхности оболочки формируются пузырьки водорода, которые толкают всю конструкцию. В воде такая «биоракета» проплывает за одну секунду расстояние, равное 150 своим диаметрам. Это можно сравнить с человеком двухметрового роста, который за секунду проплывает 300 метров, 12 бассейнов. Работает такой химический двигатель около 5 минут благодаря добавке галлия, уменьшающего интенсивность образования оксидной плёнки. То есть максимальный запас хода составляет около 900 мм в воде. Направление движению задаётся роботу внешним магнитным полем, а использовать его можно для точечной доставки лекарств. Но только после иссякания «заряда», в пациенте окажется россыпь микрошариков с алюминиевой оболочкой, который отнюдь не благотворно влияет на организм человека, в отличие от биологически нейтрального титана.

Микророботы должны быть так малы, что просто масштабировать до нужного размера традиционные технологии не получится. Никаких стандартных деталей подходящего размера тоже не производят. А даже если бы и производили, они бы просто не подошли для таких специфических нужд. И потому исследователи, как это уже много раз было в истории изобретений, ищут вдохновения у природы. Например, у тех же бактерий. На микро, и тем более наноуровне действуют совсем другие физические законы. В частности, вода является очень вязкой жидкость. Поэтому нужно применять другие инженерные решения для обеспечения движения микророботов. Бактерии эту задачу зачастую решают с помощью ресничек.

В начале этого года группа исследователей из Университета Торонто создала прототип микроробота длиной в 1 мм, управляемого внешним магнитным полем и оснащённого двумя захватами. Разработчикам удалось с его помощью построить мост. Также этот робот может использоваться не только для доставки лекарств, но и для механического восстановления тканей в кровеносной системе и органах.

Мускульные роботы

Ещё одно интересное направление в микроробототехнике - роботы, приводимые в движение мускулами. Например, есть такой проект: стимулируемая электричеством мышечная клетка, к которой прикреплён робот, чей «хребет» сделан из гидрогеля.

Эта система, по сути, копирует природное решение, встречающееся в организмах многих млекопитающих. Например, в теле человека сокращение мышц передаётся костям через сухожилия. В данном биороботе, когда клетка сокращается под действием электричества, то «хребет» сгибается и поперечные перекладины, выполняющие роль ног, притягиваются друг к другу. Если одна из них при сгибании «хребта» перемещается на меньшее расстояние, то робот движется по направлению к этой «ноге».

Есть и другое видение, какими должны быть медицинские микророботы: мягкими, повторяющими формы различных живых существ. Например, вот такая робо-пчела (RoboBee).

Правда, она предназначена не для медицинских целей, а для целого ряда других: опыления растений, поисково-спасательных операций, обнаружения ядовитых веществ. Авторы проекта, конечно, не копируют слепо анатомические особенности пчелы. Вместо этого они внимательно анализируют всевозможные «конструкции» организмов различных насекомых, адаптируя и воплощая их в механике.

Или другой пример использования имеющихся в природе «конструкций» - микроробот в виде двустворчатого моллюска. Движется он с помощью хлопанья «створок», создавая тем самым реактивную струю. При размере около 1 мм он может плавать внутри человеческого глазного яблока. Как и большинство других медицинских роботов, этот «моллюск» в качестве источника энергии использует внешнее магнитное поле. Но есть важное отличие - он лишь получает энергию для движения, само поле его не двигает, в отличие от большинства других видов микророботов.

Большие роботы

Конечно, одними лишь микророботами парк медицинской техники не ограничивается. В фантастических фильмах и книгах медицинские роботы обычно представляются в виде замены хирурга-человека. Мол, это некое крупное устройство, которое быстро и очень точно производится всевозможные хирургические манипуляции. И не удивительно, что эта идея была реализована одной из первых. Конечно, современные хирургические роботы не способны заменить человека целиком, но зашивание им уже вполне доверяют. Также они используются в качестве продолжения рук хирурга, как манипуляторы.

Однако в медицинской среде не утихают споры относительно целесообразности использования таких машин. Многие специалисты придерживаются мнения, что особых выгод такие роботы не дают , а благодаря своей высокой цене существенно увеличивают стоимость медицинских услуг. С другой стороны, есть исследование , согласно которому пациентам с раком простаты, подвергавшимся хирургической операции с роботом-ассистентом, в дальнейшем требуется менее интенсивное применение гормональных средств и радиотерапии. В общем, неудивительно, что усилия многих учёных оказались направлены на создание микророботов.

Интересным проектом является Робонавт (Robonaut), телемедицинский робот, предназначенный для оказания помощи космонавтам. Это пока экспериментальный проект, но такой подход может быть использован не только для оказания таким важным и дорогим в подготовке людям, как космонавты. Телемедицинские роботы могут быть использованы и для оказания помощи в различных труднодоступных районах. Конечно, это будет целесообразно только в том случае, если дешевле будет установить в лазарете какого-нибудь глухого таёжного или горного посёлка робота, чем держать фельдшера на зарплате.

А этот медицинский робот ещё более узкоспециализирован, он используется для лечения облысения. ARTAS занимается автоматическим «выкапыванием» волосяных фолликул из кожи головы пациента, основываясь на фотографиях высокого разрешения. Потом врач-человек вручную внедряет «урожай» в облысевшие участки.

Всё-таки мир медицинских роботов вовсе не так однообразен, как может показаться неискушённому человеку. Более того, он активно развивается, идёт накопление идей, результатов экспериментов, ищутся наиболее эффективные подходы. И кто знает, возможно, ещё при нашей жизни слово «хирург» будет означать врача не со скальпелем, а с баночкой микророботов, которых достаточно будет проглотить или внедрить через капельницу.

Da Vinci

Назначение : хирург

Как устроен : Пока робот-хирург - это не самостоятельно действующий механизм, а послушный 500-килограммовый инструмент в руках врача. У операционного модуля четыре «руки». Три из них оканчиваются миниатюрными хирургическими инструментами - скальпелями и зажимами, а четвертая управляет крошечной видеокамерой. Da Vinci оперирует через сантиметровые проколы, поэтому без камеры не обойтись, зато у пациента почти не остается шрамов. Когда робот «колдует» над больным, хирург-человек сидит за пультом в отдалении от стола. Врач манипулирует джойстиками, которые с ювелирной точностью передают движения пальцев и кисти «рукам» da Vinci. Как и у человеческой кисти, у них семь степеней свободы, но манипуляторы гораздо сильнее, не устают и мгновенно замирают, если хирург отпустит джойстики. Свои действия врач контролирует через окуляр, куда поступает увеличенная до 12 раз картинка с видеокамеры.

Где применяется : Роботы-хирурги da Vinci работают в сотнях клиник по всему миру. В России 20 таких аппаратов. Один из них - в Федеральном центре сердца, крови и эндокринологии им. В.А. Алмазова (СПб.), где da Vinci выполняет около сотни операций в год. Его «конек» - точное и аккуратное удаление лишнего: опухолей, грыж, аневризм.

Фото: AFP/EAST NEWS, CORBIS/FOTO S.A., PANASONIC, DIOMEDIA, REUTERS/VOSTOCK PHOTO, IBM

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