Искусственный интеллект в медицине

Ну, а если человеку просто хочется  побыть одному, достаточно сказать  роботу об этом. «Хорошо, я ухожу. Позовите меня, когда я понадоблюсь», - говорит  робот и уезжает из комнаты.

 

Что и говорить, о таком домашнем помощнике стоит только мечтать. Однако производители не указывают, какова цена робота Kompaï. Пока проблема у роботов подобного типа одна: вся привлекательность идей и функционального использования аппаратных средств мгновенно исчезает, как только речь заходит о стоимости.

 

 

 

 

 

РОБОПРОТЕЗЫ

Гибкая жесткость механической руки

Одна из проблем техники, которую  постоянно решают инженеры, - это  создание прочной, но легкой (или гибкой) технической системы. И в решении  этой проблемы инженеры постоянно ищут все новые способы ее решения.

 

Разработчики из института робототехники и мехатроники Германского аэрокосмического центра (German Aerospace Center) по-своему решили проблему создания подвижной механической руки и, соответственно, ее пальцев. Они хотели создать механическую руку, которая будет иметь такие же параметры гибкости и ловкости, как человеческая рука.

Разработчики создали руку DLR, которая  может независимо пошевелить пальцами и тонко манипулировать объектами. Но в тоже время эта механическая рука может выдержать солидный удар по пальцам, например, удар молотком или бейсбольной битой. Причем, рука может создать силу до 30 Н на кончиках своих пальцев и таким образом эта рука – одна из самых сильных механических рук, когда-нибудь спроектированных человеком.

Ролик №5

Механическая кисть имеет 19 степеней свободы, которые обеспечиваются 38-ю полимерными нитями-сухожилиями. Кстати, отметим, что кисть человека имеет примерно столько же – 20 степеней свободы.

 

Нити изготовлены из высокоэластичного  синтетического волокна, которое называется Dyneema. Каждое сухожилие через определенный механизм подключено к индивидуальным двигателям, которые размещены в предплечье. А двигатели могут натягивать и расслаблять нить, тем самым, меняя жесткость и гибкость пальцев руки, и позволяя им поглощать сильные динамические внешние воздействия. Когда пара нитей-сухожилий двигаются согласованно в нужном направлении - палец приходит в движение. Когда они двигаются в противоположном направлении - палец увеличивает жесткость.

Так, новая рука может поймать  шар, брошенный с расстояния в несколько метров. А механизмы управления рукой, в таком случае, позволят поглотить кинетическую энергию шара без серьезных повреждений руки.

 

Чтобы управлять рукой, разработчики используют специальные перчатки с  датчиками или просто посылают управляющие команды на механизм управления рукой. Причем рука обладает обратной связью, мягкость предмета можно оценить по степени удлинения/сокращения нитей.

Инженеры сейчас проектируют туловище с двумя руками, которое они  назвали DLR Hand Arm System и планируют изучать технику стратегии одновременной манипуляции двумя руками. А руководители проекта надеются использовать свои устройства для обслуживающих роботов, в т.ч. и для медицинских роботов.

 

Медицинские роботы "HAL"

Роботы HAL корпорации Cyberdyne Японии HAL-9000 Exoskeleton (т.е. специальный робот-костюм, одеваемый человеком) позволяет совершать невозможное немощному человеку с нарушением опорно-двигательного аппарата.

Человек, помещенный в этот костюм, снова может ходить и выполнять  обычную привычную работу. И хотя сам костюм весит около 40 килограмм, эта нагрузка никак не ложится на пациента. Так как HAL несет и свой вес, и полностью вес своего подопечного, держа его под руки, под ноги и т.д.

 

По слухам, в этом костюме один пенсионер даже совершил восхождение в горы, воплотив в жизнь свою мечту. Показав на примере возможности робота и свою веру в жизнь.

К роботу прилагается специальный набор сенсоров, считывающих нейро-электрические импульсы и управляющих ногами. Так одетый в костюм пенсионер может обогнать вас по дороге на работу со скоростью 4 км/час.

 «Экзоскелет» HAL не продается.  Такова политика ее производителей, которые выпускают всего около 500 моделей в год. HAL можно взять в аренду от 1 тыс. долларов в месяц.

Кому он может быть полезен?

Прежде всего, робот поможет вернуть полноценную жизнь частично парализованным людям и пригодится любым категориям граждан, нуждающихся в облегчении своих повседневных трудовых подвигов.

 

РОБОТЫ ВНУТРИ НАС

Робот для осмотра пищеварительного тракта

В Японии создали небольшое робототехническое устройство, для осмотра пищеварительного тракта человека – оно может самостоятельно автономно передвигаться внутри желудка, передавая информацию его состоянии.

 

Обычно медики используют для этих целей эндоскоп (зонд – гибкий шланг с видеокамерой) или же капсулу с камерой и батарейкой, которую проглатывает пациент. Основной недостаток такой капсулы – пассивное «поведение» капсулы, ей ведь нельзя управлять.

Сегодня японские ученые (Университет  Рюкоку, медицинский колледж в  Осаке) создали капсулу-робота, который может самостоятельно двигаться имеет следующие размеры: длина 4,5 см, диаметр около 1 см. Он может перемещаться под контролем оператора с помощью магнитного привода и небольшого движителя-хвостика со скоростью в несколько сантиметров за секунду.

 

Устройство проглатывается человеком  и работает до 10 часов по истощения  батареи. Руководитель проекта профессор  Наотакэ Оцука говорит, что он лично глотал робокапсулу (кстати, ее назвали «русалкой) и не испытал  дискомфорта.

 

Созданная итальянскими учеными плавающая капсула с камерой предназначена для исследования пищеварительной системы. Ее применение не приносит пациенту дискомфорта, который неизбежен при эндоскопии. Кроме того, с помощью капсулы можно осмотреть желудочно-кишечный тракт на всем протяжении, что недоступно современным эндоскопическим методикам.

 

Другая итальянская разработка — самособирающийся робот ARES (Assembling Reconfigurable Endoluminal Surgical System, Самособирающаяся эндолюминальная хирургическая  система с изменяемой конфигурацией) для проведения операций без разреза кожных покровов. Проглоченные пациентом отдельные функциональные блоки внутри организма собираются в управляемый  модуль, с помощью которого проводится хирургическое вмешательство.

 

Идею создания роботизированного колоноскопа Endotics сотрудники итальянской фирмы Estor подсмотрели у гусениц бабочек-пядениц. Устройство само «проползает» по кишечнику без усилий врача, что значительно снижает воздействие на стенки ЖКТ и делает исследование менее дискомфортным.

 

 

Роботы – искусственные части  тела

Последняя новость из области создания роботизированных искусственных имитаций органов человека это робот-желудок. До этого ученые успешно смоделировали  некоторые другие части тела. Искусственный  желудок был создан учеными Института исследований в области продовольствия Норвич. Цель создания искусственного органа – изучение процесса пищеварения человека и тестирование лекарственных препаратов.

Искусственный желудок из Норвича  – это не очередной протез органа или конечности. Это устройство специально было создано для исследовательских работ в медицине. Около 10 лет ученые работали над его созданием. Может, робот-желудок внешне не сильно похож на желудок настоящий, но это для разработчиков не главное.

 

В этой роботизированной имитации настоящего человеческого органа моделируются процессы происходящие в реальном желудке. С помощью этого устройства можно испытывать новые лекарства и проводить любые другие медицинские исследования.

 

РЕАБИЛИТАЦИОННЫЕ РОБОТЫ

Роботизированная подушка

 

В ноябре 2011 года в Токио на 19-й выставке роботов (IREX) доктор Кабе (Dr Kabe) из лаборатории университета Waseda показали робота-подушку “Jukusui-kun”.

 

Робототизированная подушка имеет  вид мягкой игрушки-медеведя. Основное назначение робоподушки – помощь людям "синдромом апноэ сна". Такие пациенты во время сна испытывают трудности с дыханием – из-за хронического храпа. Робоподушка – это целая система, состоящая непосредственно из самой подушки-медведя, микрофона, беспроводного датчика, подкладываемого под простынь, и беспроводного датчика, прикрепляемого к пальцу пациента.

Такое оснащение позволяет постоянно  анализировать состояние пациента во время сна: ведется анализ движений спящего, количество кислорода в  крови и уровень шума при храпе. Если у спящего человека уменьшается в крови количество кислорода и повышается уровень звука при храпе, подушка начинает двигаться. Также лапа медведя-подушки поглаживает лицо человека. От этого человек, скорее всего, примет благоприятную позу для спокойного сна.

 

Ролик№7

 

Робот управляет человеком

Группа французских исследователей из лаборатории информатики, робототехники  и микроэлектроники (Montpellier Laboratory of Informatics, Robotics, and Microelectronics) представили  проект, в котором робот может управлять рукой человека. Как он это делает? С помощью электродов и электрического тока: робот посылает небольшой электрический сигнал на электроды, которые прикреплены к предплечью и бицепсам, а это заставляет определенные мышцы руки исполнять необходимые движения.

 

В эксперименте, на руки пяти человек  накладывали электроды: два на предплечье, два – около локтевого сустава. Причем людям завязывали глаза, чтобы  избежать визуальной обратной связи. Робот  при помощи электродов заставлял  локоть двигаться, а руку - принести мяч к корзине. Робот параллельно перемещал свою руку (4 степени свободы) с корзиной под мяч, координируя движения руки человека и свой руки, затем робот подавал электрический сигнал, кисть человека разжималась, а мяч падал в корзину.

Основная задача разработчиков  в том, помочь людям, которые страдают параличом и другими двигательными  нарушениями, восстановить часть двигательных навыков. И вероятно, роботизированная рука и набор электродов помогут  парализованным людям восстановить свои движения и справляться с бытовыми задачами. Причем, данная технология дает определенные физические и психологические преимущества больным, так как робот может постоянно поощрять пациента больше двигаться.

Ролик№6

Конечно, такой подход, что робот  будет управлять вашими конечностями, звучит страшновато, да и пока технология громоздкая и неотработанная. Но, по мере развития, думается, технология будет совершенствоваться и практически реализовываться.

 

РОБОПОСОБИЯ

Хирургов будут тренировать  роботы?

 

Хирург – высококлассный специалист. Но как измерить мастерство хирурга? Ведь тело пациента не имеет сигнализации, и не может предупредить, что хирург ошибается во время операции.

 

В США по данным Агентства по охране здоровья хирургические осложнения, например, в 2000 году составили дополнительно: 2,4 миллиона дней госпитализации, $ 9,3 млрд расходов и 32 тыс летальных случаев.

Хирургическая система Da Vinci. Фотография: Kelleher Guerin

 

Da Vinci – робот, предназначенный  для выполнения сложных операций  на внутренних органах через точечные отверстия. Манипуляторы повторяют малейшее движение рук хирурга, но при этом отсекают дрожь в руках и случайные резкие движения. Благодаря таким вымеренным действиям время восстановительного периода у пациента после операции значительно сокращается. Da Vinci оснащен функцией удаленного управления, что позволяет врачам проводить операции на расстоянии.

 

Хирургический робот Da Vinci позволяет  через небольшие отверстия в  коже выполнять сложнейшие операции на внутренних органах. Чувствительные манипуляторы точно воспроизводят движения рук хирурга, сидящего за пультом, при этом отфильтровывая дрожь или случайные резкие движения. Малая травматичность и высокая точность вмешательства значительно сокращают восстановительный период после операции. Обмен информацией между манипуляторами и пультом может осуществляться на любом расстоянии, что позволяет проводить вмешательство пациенту, находящемуся в географически удаленной от хирурга точке. Так, Da Vinci используется в экспериментальной роботизированной военно-полевой операционной Trauma Pod

 

Конечно, чтобы уменьшить количество ошибок, нужно совершенствовать медицинские  технологии, а хирургов – эффективно обучать. В последние годы ряд  исследовательских команд (в том  числе и в Университете имени  Джона Хопкинса) занимается применением роботизированных хирургических инструментов в учебном процессе. Целью этого – создание стандартизованного обучающего метода и сокращение времени и затрат на подготовку опытных хирургов.

 

Однако, известно, что для такого рода обучения нужно много практики и квалифицированные инструкторы. Поэтому исследователи работают, чтобы многие рутинные и трудоемкие операции и процедуры передать медицинским обучающим роботам-хирургам и тренажерам.