Семь самых перспективных медицинских роботов. Роботы в медицине: обзор современных технологий Роботы в медицине плюсы

Научная робототехника – дисциплина, которая предполагает изучение всех особенностей создания роботов. На занятиях учащиеся узнают теоретические основы, историю и законы роботов, особенности их использования в реальной жизни.

Впервые слово «робот» применено чешским драматургом К. Чапеком в 1921 году. Он говорил о рабах, созданных для выполнения желаний человека. Слово robota переводится с чешского как «принудительное рабство».

Практически за 100 лет развития научной робототехники произошли серьезные изменения. Роботы из мира фантастики стали реальностью. Специальные машины применяются практически во всех областях промышленности, добычи полезных ископаемых, медицины. Само же направление стало увлекательным инструментом для получения новых знаний в разных отраслях технических наук, проектирования. У учеников появляется возможность реализовать себя в качестве проектировщиков, техников и даже артистов.

Роботы в современном мире

Активно развивается медицинская робототехника. Многие представляют себе робота в качестве внимательного, всегда вежливого, не устающего врача. Однако сегодня многие ученые говорят о том, что заменить человека техника не может. Она помогает справиться с рутинными задачами, например:

Регистрацией обратившихся за помощью;
- работы с электронными картами;
- предоставление справок.

Роботосекретарей уже создано довольно много. Применяются они в самых разных сферах жизнедеятельности человека. В рамках медицинской робототехники появились и специальные машины, оснащенные специальными камерами для перевозки медикаментов и документов. Такие устройства могут отвечать на вопросы, сопровождать клиентов до нужного места.

Наглядным примером стал Omnicell M5000. Он позволяет оптимизировать работу с медикаментами в стационарах. Машина формирует наборы лекарств для каждого пациента на заранее заданный срок. Это значительно снижает риск возникновения ошибки из-за человеческого фактора. Робот может создать около 50 наборов в час. У обычного медицинского персонала за 60 минут получается сделать только 4 набора.

Использование роботов в промышленности

Активно используется сегодня робототехника в промышленности. Есть три основных типа:

Управляемые. Предполагают, что каждым действием управляет оператор.
Автоматические и полуавтоматические. Работают строго по заданной программе.
Автономные. Совершают последовательные действия без участия человека.
К примерам можно отнести KUKA KR QUANTEC PA. Это один из самых продвинутых палетоукладчиков. Есть разновидность, которая может работать при очень низких температурах. Создан был специально для функционирования в больших морозильных камерах.
Робототехника в промышленности представлена и многофункциональными устройствами. Например, Baxter имеет манипуляторы, которые способны выполнять все те же действия, что и рука человека. Интересным является тот факт, что машина может самостоятельно контролировать прилагаемые усилия.
Stratasys Infinite-Build 3D Demonstrator – еще одна машина, которая является гибридом робота и 3D-принтера. Техника используется в авиационном и космическом производстве, поскольку может производить печать на горизонтальных и вертикальных поверхностях любого размера.
Активно развивается робототехника в Японии. В этой стране были созданы сиделки RIBA и RIBA-II. Их главная задача заключается в переносе пациентов, которые не могут ходить самостоятельно. Машины помогают им садиться из кровати в кресло-коляску и наоборот. Роботы умеют наклоняться, а поверхность рук создана так, чтобы пациент чувствовал себя максимально комфортно.
Интересным является изобретение ученых Техасского университета. Они наделили искусственный интеллект шизофренией. Для эксперимента применялся робот с нейронной сетью, повторяющей мозг человека. Машина не могла нормально запоминать, воспроизводить рассказы. В один момент он даже взял на себя ответственность за террористический акт.
Были созданы специальные модели и для обычных людей. Например, робот-симулятор ребенка. Создан он был тоже в Японии. Такая машина может познакомить будущих родителей со всеми сложностями воспитания. Он умеет выражать эмоции, плакать, просить кушать и пр.

Достижения в мире робототехники для школьников

Сегодня кружок робототехники в школе можно найти во многих странах. Родители часто покупают различные устройства для привлечения интереса к науке. Это привело к тому, что на рынке появились игрушки, которые можно программировать на выполнение различных задач. Остановимся на самых интересных:
Sphero 2. и Ollie. Предназначены для детей от 8 лет. Игрушку-робота практически невозможно сломать. Она не боится воды, умеет плавать. Управляется со смартфона или планшета.
KIBO. Довольно простой по внешнему виду конструктор. Он позволяет научиться программировать. Работает следующим образом: сканирует отметки на деревянных кубиках. Каждая надпись обозначает определенное действие.
LEGO Education WeDo. Робот, которого можно создать самостоятельно. В комплекте есть все необходимое для полноценной работы. Можно докупать дополнительные элементы для расширения возможностей машины.
Обычно на кружках робототехники в школе предлагают самостоятельно собрать свое первое управляемое устройство. Это не только вызывает восторг у большинства детей, но и дает возможность получить новые знания.
Робототехника для детей в Солнечногорске

Сегодня количество кружков, на которых можно получить новые знания в самых продвинутых областях, впечатляет. Робототехника в Солнечногорске, например, привлекает как детей дошкольного возраста, так и подростков. Возможно, именно за ними в будущем будет настоящий прорыв в мире роботов. Педагоги следят за всеми новинками, постоянно обучаются сами. Это позволяет им и детям идти в ногу со временем.
Робототехника в Солнечногорске, как и в других городах, больше имеет познавательную направленность. На сегодняшний день главная задача – заинтересовать детей всех возрастов, научить их применять теоретические знания на практике.
Робототехника для детей в Солнечногорске предполагает небольшие группы, возможность получения индивидуальных консультаций и применение в работе полноценных конструкторов. Дополнительно дети осваивают работу со светодиодами, 3D-моделированием, пайкой. Обучение начинается всегда с основ сборки. По мере освоения материала даются основы программирования, конструирование.

Все больше людей в мире опасаются, что рано или поздно их должность будет упразднена, а выполнять работу за них будут роботы. Грозит ли такая перспектива врачам? В ближайшем будущем - вряд ли. Несмотря на то что механические помощники не испытывают эмоций и не устают, их реакции в сложных ситуациях сильно уступают человеческим. А врач - именно та профессия, где нужно принимать ответственные решения в условиях неопределенности: слишком индивидуален каждый организм, слишком много всего может пойти не так.

Поэтому полноценный робот-врач - все еще фантастика. Что, однако, совершенно не мешает медикам и ученым, ведущим исследования в околомедицинских сферах, использовать роботов в хвост и в гриву.

Несомненно, если мы говорим о роботах в медицине, первым делом следует упомянуть систему da Vinci. Эти роботы были в числе пионеров автоматизированной хирургии, их прототип был разработан еще в конце 1980-х годов.

Da Vinci - одновременно и хирург, и ассистент. Врач-оператор управляет манипуляторами машины, наблюдая за ее действиями через специальную камеру. Такие операции чрезвычайно дороги - сам по себе робот стоит немало, и расходники для него тоже недешевы, зато он обладает высочайшей точностью, и опытный хирург-оператор способен творить с его помощью чудеса.

В России системы da Vinci используются с 2007 года - например, такой робот есть в новосибирской клинике им. Мешалкина, - но большого распространения они не получили (как легко догадаться, из-за цены). Весной 2017 года российские ученые заявили , что смогли сконструировать аналогичного робота, который даже лучше оригинала, но и эта разработка требует гигантских финансовых вливаний - хотя бы для того, чтобы поставить ее производство на коммерческую основу.

Робот-хирург da Vinci полностью контролируется оператором, но теперь появились более самостоятельные аналоги. Пожалуй, пиком робосамостоятельности можно назвать недавний случай в Китае - там механический стоматолог провел часовую операцию по установке двух имплантатов полностью в одиночку, врачи-люди только наблюдали, не вмешиваясь. Погрешность при установке была минимальной. Хотя интересно, как себя при этом чувствовала пациентка? Все-таки иногда человеческий фактор - скорее плюс, чем минус.

Впрочем, за квалификацию китайских роботов переживать не приходится - осенью разработанный тамошними мастерами робот с искусственным интеллектом сдал экзамен на врача и набрал при этом, кстати, на 96 баллов больше, чем требовалось для прохождения (456 при норме 350).

Собеседник и строитель

Функции у роботов могут быть самыми разнообразными. Скажем, есть робот-психотерапевт , который общается с пациентами в чате, используя технологии машинного обучения. Он весьма востребован - более двух миллионов консультаций в неделю. Возможно, это связано с тем, что людям неприятно, что специалист может как-то оценивать их поведение, а с роботом такой ситуации не возникнет никогда.

Есть робот-наностроитель - он умеет строить «домики» из молекул. Может быть, это звучит глуповато, но на самом деле у этой крохотульки (их нужно выстроить миллион друг на друге, чтобы эта башня достигла миллиметровой высоты) огромнейшее будущее. Скажем, она может по молекулярной формуле построить нужное лекарство - да вообще что угодно может построить. Он пока еще только появился и на поток производство таких устройств еще не поставлено, но вполне вероятно, что когда-нибудь их будут использовать повсеместно. Управляются они, если что, не кнопками, а химическими сигналами.

Еще один недавно представленный робот - механизм , который помогает сокращаться не всему сердцу, а только его половине. Часто сердечная недостаточность затрагивает только часть сердца, и зачем тогда тратить лишние ресурсы на здоровую часть? В таких случаях вполне может пригодиться специальный механизм - он похож на букву Э, где полуокружность «обнимает» пострадавшую от болезни часть и помогает ей биться, а средняя палочка выступает якорем, чтобы робот никуда не уполз.

К слову, о ползании - роботы совсем необязательно технически сложны. На днях опубликовали данные исследования , в котором использовался роботизированный макет младенца из фольги. Ученые с его помощью проверяли, как много аллергенов и прочей дряни вдыхает ребенок, ползая по ковру, по сравнению с взрослым, который гуляет по тому же ковру ногами. Результаты исследования, честно говоря, лучше не знать.

Вообще о роботах в медицине можно рассказывать бесконечно, и пока говоришь об одном - изобретают другого, третьего, пятого. Все эти роботы в конечном итоге приносят пользу пациентам - непосредственную или косвенную. С помощью разнообразных устройств врачи получают все больше и больше возможностей, но без человека эти роботы бесполезны, так что вряд ли нас ожидает судьба планеты Шелезяки.

Ксения Якушина

Фото istockphoto.com

В начале 2018 года стало известно об использовании роботов в качестве медсестер. Проект анонсирован в больнице города Нагоя (Япония), в котором находится большой музей, посвященный робототехнике.

В феврале 2018 года в Университетской клинике Нагои (Nagoya University Hospital) запустит четырех роботов Toyota , которые станут помощниками медицинскому персоналу. В частности, на это автоматизированное оборудование возложат функции раздачи медикаментов больным в палатах, доставку анализов и т. п. Роботы смогут передвигаться как по этажу, так и между различными отделениями, которые располагаются на разных этажах.

Каждый робот имеет высоту 125 см, ширину 50 см и глубину 63 см. Максимальная скорость передвижения составляет 3,6 км/ч, максимальный вес перевозимого груза - 30 кг.

Как отмечает издание Engadget, по сути, роботы представляют собой портативные холодильники объемом 90 литров, которые оснащены радарами и камерами для передвижения по медицинскому учреждению. Роботы объезжают людей, а в случае столкновения приносят извинения и вежливо просят пройти. Работники клиники могут вызывать роботов к себе и назначать пункты следования при помощи планшетных компьютеров.

Роботы разработаны совместными усилиями специалистов Университетской клиники Нагои и подразделения Toyota Industries (производит автозапчасти и электронику). Пробный запуск устройств будет проходить в ночную смену - в период с 17:00 до 8:00, когда меньше людей ходят по этажам. В случае успешного тестирования роботы могут быть развернуты в других больницах.

Использование роботов в домах престарелых в Японии

В ноябре 2017 года стало известно о тестировании роботов в нескольких тысячах домов престарелых в Японии . Искусственный интеллект и механические ассистенты помогают персоналу ухаживать за людьми в возрасте и заменяют последним собеседников.

По прогнозам японского правительства, объем рынка роботов, заменяющих медицинских работников для ухода за больными, к 2020 году достигнет 54,3 млрд иен (около $480 млн), увеличившись втрое по сравнению с показателем 2015-го. Расходы здесь гораздо ниже по сравнению с роботами, применяемыми на предприятиях и в сфере услуг.

Одной из причин такого отставания спроса на автоматизированное оборудование, присматривающего за здоровьем людей, является дороговизна. Несмотря на достаточно высокий уровень жизни в Японии, далеко не все пенсионеры могут позволить себе покупку робота .

В Японии предусмотрены субсидии для разработчиков роботов. Дополнительные льготы предоставляются при поставках устройств в лечебно-реабилитационные центры для престарелых и инвалидов. Около 5 тыс. таких учреждений к ноябрю 2017 года задействуют роботов.

Они используются для общения с пациентами, проведения лечебной физкультуры, обхода больничных коридоров для мониторинга за экстренными ситуациями, а робот-пес Aibo от Sony вовсе заменяет домашнего питомца.

В домах престарелых все сильнее распространяются системы, помогающие медперсоналу ухаживать за пожилыми людьми: например, поднимать и перемещать парализованных по этажу.

Роботы еще не смогут полностью заменить людей в социальных учреждениях, однако позволяют персоналу сосредоточиться на общении и других задачах, требующих большего вовлечения, отдав бытовые дела на попечение гаджетов. Кроме того, как показало общенациональное исследование, примерно треть жителей Японии, пользующихся роботами, в итоге стали более активными и независимыми, отмечает издание The Economist.

Прогноз IDC по использованию роботов в медицине

К 2020 году больницы станут активнее использовать роботов. Планируется как клиническое применение, так и автоматизация с их помощью несложных задач, сообщает издание Healthcare IT News со ссылкой на проведенное в 2017 году исследование IDC .

Опрос IDC среди лечебных учреждений на 200 и более койко-мест позволил оценить планы внедрения роботов и дронов . Почти треть респондентов заявили, что уже используют у себя роботов. Такая практика станет обычным явлением для учреждений здравоохранения, как только в больницах и клиниках поймут, каким образом внедрение роботов способно помочь автоматизировать процессы, снизить издержки и улучшить качество оказания медицинских услуг. По оценкам IDC, повсеместное распространение роботов в больницах США произойдет в период от одного года до трех лет.

Интересно, что в отличие от роботов, которые уже успели проникнуть в сферу здравоохранения, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) пока не используются лечебными учреждениями. Во всяком случае, такого опыта не оказалось ни у одной из больниц, участвовавших в опросе IDC.

Тем не менее, аналитики убеждены, что в следующие три-пять лет дроны также найдут применение в здравоохранении.

То, как беспилотники могут пригодиться для оказания медицинской помощи, в июне 2017 года стало известно из опыта шведских ученых. С помощью экспериментальных полетов БПЛА специалисты продемонстрировали, что дроны способны на 17 минут быстрее доставлять в нужную точку автоматический внешний дефибриллятор для помощи пациенту, нежели это происходит в случае с обычной машиной скорой помощи.

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".