Для чего нужны роботы в медицине
Роботы в медицине
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.
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.
Роботы в медицине
В прошлом моем посте о телемедицине было упоминание робота-хирурга Да Винчи, которых на 2010 год было установлено около 1000 в мире. Но это далеко не единственное достижение робототехники, использованное в медицине.
В каких сферах и для чего используют роботов? В хирургии, в качестве сиделок для детей и пожилых, в телемедицине и даже для доставки лекарств. Подробнее — прошу под хабракат.
Робот Риба родом из Японии. Его представили в 2009 году. Главное его назначение — это с помощью своих длинных и сильных рук укачивать больных и пожилых людей. Это отличный помощник в клиниках, так как он может переносить пациентов с места на место, или же перекладывать из коляски в кровать.
В 2009 представили RIBA II. Эта версия робота может поднимать пациентов прямо с пола, тогда как первый робот мог брать их только с коляски или кровати. Также грузоподъемность возросла до 176 фунтов, то есть около 80 кг, что на 41 фунт, или 18,5 кг больше, чем в первой версии.
Зачем японцам вообще нужен такой робот? Все дело в долгожительстве. В Японии к 2015 году количество пожилых людей, которым будет нужен уход, по прогнозам достигнет пяти с половиной миллионов человек. Вот и представьте, скольким медсестрам и санитарам придется поднимать ежедневно больных с футона на коляску, с коляски на кровать, обратно и так далее. Роботы для этих целей подходят лучше, а медсестры пусть занимаются своим делом — просто заботятся о пожилых.
А этот робот занесен в Книгу Рекордов Гиннесса как «Самый терапевтический в мире робот». Он оснащен множеством датчиков – прикосновений, света, звука, температуры и положения. Это необходимо для хорошей коммуникации с пациентом, помогает успокоить пациента.
Keepon нужен для того же, но он, по-моему, менее милый. Он танцует и реагирует на прикосновения.
Робот на раздаче
Еще один способ избавить медсестер от рутинной работы, занимая их время более полезными делами — это робот от Murata Machinery Ltd, предназначенный для выдачи лекарств.
Робот от Panasonic также предназначен для того, чтобы доставлять лекарства из аптеки больным. Первая версия этого робота уже могла хранить информацию о 400 пациентах, и выдавать лекарства в соответствии с рецептом по заявке больного или же медицинской сестры.
Телеприсутствие
Возвращаясь к вопросу телемедицины (которую на Хабре, судя по комментариям, считают телепередачами с Малышевой), стоит сказать о роботах телеприсутствия. Это комплексы, способные самостоятельно передвигаться, оснащенные камерами, дисплеями, динамиками и микрофонами, и дополнительно к ним — средствами для проведения диагностики и анализов. Такими средствами может быть как возможность подключения к аппаратам, например УЗИ, так и встроенные приборы — например, для аналиа крови.
В Российских реалиях использование таких роботов практически невозможно, потому что у нас везде проблемы с пандусами — что на въезде в клиники, что внутри них. Так что робот сможет передвигаться только в пределах одного этажа максимум, а минимум — в пределах комнаты, неспособный преодолеть здоровенный порожек.
PR-7 
Vgo — управление осуществляется по 4G. 
Хирургия
PUMA 560 стал первым роботом, использованным в нейрохирургии. Это робот-ассистент, представленный в 1985 году. 
В ортопедии при протезировании суставов в 1992 году начали использовать RoboDoc.
Позже появились ассистенты Зевс и Эзоп, но все равно главным действующим лицом при операции был хирург. В конце 1990-х это изменилось с появлением Да Винчи — робота для удаленных операций.
Хирург за пультом видит участок в 3D формате с многократным увеличением и работает с джойстиками. В это время четырехрукий робот делает совершает операцию. Изначально изображение не было объемным, конечно, но потом эту проблему решили.
Минутка трансформеров: ARES от итальянских ученых предназначен для проведения операций, не повреждая кожные покровы. Потому что пациент его проглатывает по частям, и также он выходит потом через кишечник. Внутри робот собирает сам себя, после чего хирург осуществляет операцию.
Обучение: симуляторы пациентов
Отправлять живых пациентов новичкам — не очень гуманно. Гораздо лучше попрактиковаться сначала на роботах, которые справляют естественные потребности, у которых бьется сердце и которые более-менее похожи на человека.
Наиболее функциональным роботом этого типа считают HPS (Human Patient Simulator). Он хранит в себе 30 различных профилей пациентов, отличающихся физиологией и индивидуальными реакциями на лекарства. Это могут быть профили здорового ребенка беременной женщины и пожилого алкоголика. Прощупываемый на сонных, плечевых, бедренных, лучевых подколенных артериях пульс меняется в зависимости от давления, робот выдыхает углекислый газ, что отображается на мониторах, а зрачки его реагируют на свет.
Со стоматологами — та же история. Хватит кромсать несчастных людей с больными зубками! Сначала на кошках тренируйтесь. На фото — Hanako 2, родом из Японии, что сразу видно.
Пожалуйста, пишите в комментарии, какие еще роботы должны быть в этой публикации.
Роботы в здравоохранении для улучшения результатов лечения пациентов
Медицинские роботы помогают проводить хирургические операции, оптимизируют систему больничной логистики и позволяют поставщикам услуг уделять больше внимания пациентам.
Обзор робототехники в здравоохранении
Медицинские роботы делятся на несколько категорий: хирургические, модульные, обслуживающие, социальные, мобильные и автономные.
Робототехника в здравоохранении позволяет улучшать качество и результаты лечения пациентов и повышать операционную эффективность.
Робототехника на базе технологий Intel продвигает инновации благодаря возможностям проведения хирургических операций с применением искусственного интеллекта, автоматизации задач и аналитики данных пациентов в реальном времени.
Роботы в медицине меняют подход к проведению хирургических операций, оптимизируют подачу и дезинфицирование расходных материалов и позволяют поставщикам услуг уделять больше внимания пациентам. Intel предлагает широкий ассортимент технологий для разработки роботов для здравоохранения, включая хирургических, модульных, обслуживающих, социальных, мобильных и автономных роботов.
Роботы в медицине меняют подход к проведению хирургических операций, оптимизируют подачу и дезинфицирование расходных материалов и позволяют поставщикам услуг уделять больше внимания пациентам. Intel предлагает широкий ассортимент технологий для разработки роботов для здравоохранения, включая хирургических, модульных, обслуживающих, социальных, мобильных и автономных роботов.
Появившиеся в 1980-х первые медицинские роботы оказывали помощь при проведении хирургических операций, используя технологии роботизированных рук. Со временем технологии компьютерного зрения с применением искусственного интеллекта и анализ данных изменили роботов, расширив их возможности для участия во многих областях здравоохранения.
Сейчас роботы применяются не только в операционных, но и в клинической практике для поддержки сотрудников системы здравоохранения и улучшения качества обслуживания пациентов. Больницы и клиники во время пандемии COVID-19 начали использовать роботов для выполнения гораздо более широкого спектра задач для снижения воздействия патогенов. Стало ясно, что операционная эффективность и снижение рисков, обеспечиваемые роботами в здравоохранении, приносят пользу во многих областях.
Например, роботы могут самостоятельно чистить и подготавливать палаты для пациентов, ограничивать количество личных контактов в отделениях инфекционных заболеваний. Роботы с медицинским идентификационным программным обеспечением с применением искусственного интеллекта снижают время, необходимое для идентификации, поиска соответствия препаратов пациентам и распределения препаратов между пациентами в больницах.
По мере развития технологий роботы будут работать все более автономно, в некоторых случаях выполняя определенные задачи самостоятельно. В результате этого врачи, медсестры и другие работники здравоохранения могут сосредоточить внимание на повышении качества оказания услуг пациентам.
Преимущества робототехники в здравоохранении
Робототехника в здравоохранении повышает уровень качества обслуживания пациентов, эффективность работ в клинических условиях и обеспечивает безопасную среду как для пациентов, так и для медицинских сотрудников.
Медицинское обслуживание высокого качества
Медицинские роботы поддерживают минимально инвазивные процедуры, проводят индивидуализированный и частый мониторинг состояния пациентов с хроническими заболеваниями, интеллектуальную терапию и социализируют пожилых пациентов. Кроме того, так как роботы снижают рабочие нагрузки медицинского персонала, медсестры и другие лица, осуществляющие уход, могут проявлять более высокую степень сочувствия к пациентам и взаимодействия с ними, что может способствовать улучшению самочувствия в долгосрочной перспективе.
Обслуживающие роботы оптимизируют рутинные задачи, снижают физические нагрузки персонала и обеспечивают более последовательные рабочие процессы. Эти роботы могут вести учет инвентаря, делать своевременные заказы расходных материалов, оборудования и лекарств, когда это необходимо. Мобильные чистящие и дезинфицирующие роботы позволяют быстро обрабатывать и подготавливать больничные помещения для новых пациентов.
Безопасная рабочая среда
Обслуживающие роботы обеспечивают безопасность персонала, перемещая расходные материалы и белье в больницах, где присутствует риск воздействия патогенных микроорганизмов. Чистящие и дезинфицирующие роботы ограничивают риск воздействия патогенных микрооранизмов и снижают риск заражения инфекционными заболеваниями в больнице (HAI), сотни учреждений здравоохранения уже используют роботов такого типа. 1 Социальные роботы помогают перемещать тяжелые объекты, например кровати и пациентов, что снижает физические нагрузки работников системы здравоохранения.
Робототехника в здравоохранении повышает уровень качества обслуживания пациентов, эффективность работ в клинических условиях и обеспечивает безопасную среду как для пациентов, так и для медицинских сотрудников.
Хирургические роботы
Благодаря развитию технологий управления движением работа хирургических роботов стала более точной. Роботы помогают хирургам проводить сложные микропроцедуры без больших разрезов. С развитием хирургической робототехники роботы с поддержкой искусственного интеллекта в будущем будут использовать компьютерное зрение для навигации по отдельным частям тела, избегая нервы и другие препятствия. Некоторые хирургические роботы смогут даже проводить операции самостоятельно под наблюдением хирургов с консоли.
Хирургические операции с помощью робототехники подразделяются на две основные категории.
Возможность передачи видео из операционной в другие места, расположенные на различных расстояниях, дает хирургам преимущества консультирования с другими специалистами в необходимой области. В результате этого с пациентами будут работать лучшие хирурги.
Область хирургической робототехники развивается для более эффективного использования искусственного интеллекта. Компьютерное зрение позволяет хирургическим роботам различать типы тканей в поле зрения. Например, сейчас хирургические роботы имеют возможность помогать хирургам обходить нервы и мышцы во время проведения процедур. 2 Трехмерное компьютерное зрение высокого качества предоставляет хирургам подробную информацию и повышенную производительность во время проведения процедур. Когда-нибудь роботы научатся выполнять небольшие подпроцедуры, например наложение швов, под строгим наблюдением хирурга.
Робототехника также играет ключевую роль в обучении хирургов. Платформа симулирования мимики, например, использует искусственный интеллект и виртуальную реальность для обучения новых хирургов. Благодаря виртуальной среде хирурги могут практиковаться в проведении процедур и повышать свои профессиональные навыки, используя робототехнику.
Зачем нужны медицинские роботы?
Как можно разделить роботов по областям применения?
Следует прежде всего выделить роботов, призванных автоматизировать труд врача. К таким системам относятся роботы для облегчения диагностики заболеваний (включая диагностику в режиме телепристуствия), проведения хирургических операций, как da Vinci, радиационной терапии, реабилитации, анастезии и т.п.
Есть роботы, призванные облегчить труд младшего медицинского персонала, например, роботы для проведения инъекций и забора анализов, роботы-тележки для обхода больных, способные вносить данные в истории болезни на основе речи врача (системы speech-to text или в виде звуковых файлов).
В медицинских учреждениях спользуются разнообразные вспомогательные роботы, например, роботы-курьеры TransCar или TUG для транспортировки по медучреждениям лекарств, инструментов и прочего.
Использование медицинских роботов обеспечивает самые различые положительные эффекты:
— повышение уровня автоматизации облегчает труд врачей, повышает его производительность, может обеспечивать выход на принципиально новые уровни возможностей (повышение сложности доступных операций, снижение инвазивности операций и других видов лечения, а также вероятности врачебных ошибок)
— снижение расходов на средний и младший медицинский персонал, облегчение труда этого персонала, включая фармацевтов
— интенсификация процессов возвращения пациентов к нормальному существованию после травм, заболеваний, операций
— повышение мобильности маломобильных групп населения
— облегчение дожития для пожилых пациентов
— облегчение пребывания пациентов в больницах, сглаживание проблем, связанных с «отрывом» пациентов от привычного круга общения, от семьи, обеспечение контактов или удаленного наблюдения за пациентом в больнице или пожилым человеком у него дома членами его семьи, которые могут находиться в другом месте.