Роботный массаж

В.Ф. Головин, канд. техн. наук,

М.В. Архипов,

В.В. Журавлёв,

Московский Государственный Индустриальный Университет

Эргатические и биотехнические системы управления в медицинской робототехнике

В статье предлагается расширение понятий эргономика и биотехническое управление в связи с тем, что робототехника активно внедряется в медицину. Приведены примеры биотехнических систем, в которые, помимо робота и оператора, вводится еще один человек — пациент. Описывается схема взаимодействия трех компонент системы — оператор-врач, робот и пациент. Рассмотрены два варианта эксплуатации медицинского робота — в клинике под руководством врача и индивидуальное домашнее использование. Отмечается, что трехкомпонентное взаимодействие существует не только в медицинской робототехнике, но и возникает в задачах машиностроения.

Ключевые слова: медицинская робототехника, эргономика, биотехническое управление, автоматический режим, автоматизированный режим, человек оператор, диагностика, пациент.

По определению эргономика устанавливает соответствие труда человека его физиологическим и психическим возможностям, обеспечивает наиболее эффективную работу, которая не создает угрозы для здоровья человека и выполняется при минимальных затратах биологических ресурсов. Основным объектом исследования эргономики как науки является система «человек-машина-среда». В традиционных технических задачах среда, с которой взаимодействует машина, как правило, неактивная и небиологическая. Например, мобильный робот, инспектирующий и ремонтирующий трубопроводы канализации. Эргатическая система управления этим роботом может управлять в командном, следящем, интерактивном режимах, наблюдая за перемещениями. Это - определенное в работе [1] биотехническое управление (рис. 1). Компонентом ”био” в таком управлении является физиология и психика человека-оператора, особенности которого проектировщик учитывает в человеко-машинных комплексах.

Рис. 1. Биотехническое управление роботом взаимодействующего с технической средой

Развитие микротехнологий уменьшает размеры робота до миллиметров полостей и сосудов человека. В малоинвазивной внутрисосудистой робототехнике [2] усиливается требование обеспечения безопасности. Однако, это не новое требование в сравнении с повышенной надежностью технических трубопроводов, например, в ядерных установках.

Принципиально новым является учёт психофизиологических свойств пациента, в которых отражается состояние пациента, эффективность медицинской процедуры, ее прогресс. В традиционной технической эргатической системе учитывались психофизиологические особенности человека-оператора, и задача состоит в том, чтобы оптимально их учесть, повышая эффективность системы. Теперь необходимо учитывать также психофизиологические особенности пациента.

Если физиологические параметры состояния пациента измеримы, возникает возможность рационально управлять ими, например, поддерживая в диапазоне нормы. Для микрососудистого робота управляемыми параметрами физиологического состояния могут быть: частота сердечных сокращений, артериальное давление.

Примером биотехнической системы с управлением по физиологическим параметрам пациента может быть робот Da Vinci. Робот позволяет дистанционно проводить лапороскопические операции в режиме копирования роботом движений удаленного от пациента хирурга. Ряд физиологических параметров состояния пациента передается на монитор хирурга. Хирург может учитывать эти параметры (режим полуавтоматического управления), а может на некоторых этапах операции переключать управление этими параметрами на автоматическое.

Другим примером биотехнической системы с управлением по физиологическим параметрам может быть система спортсмен-велотренажер [3]. Система поддерживает устанавливаемую для тренирующегося спортсмена частоту сердечных сокращений. Моментный нагружатель изменяет нагрузку на ноги спортсмена и командует ритмом вращения педалей велотренажера, так чтобы достигнуть и поддерживать не вредную для здоровья спортсмена частоту сердечных сокращений.

Типичным примером биотехнической системы с управлением по физиологическим параметрам также может быть робототехническая система для механотерапии [4]. Существующие механотерапевтические средства выполняют предписанные механические воздействия на пациента (массаж, движения конечностей в суставах, постизометрическая релаксация, мобилизация), объективно не оценивая терапевтический эффект. Но во время серии сеансов или в течение одного сеанса механотерапии можно наблюдать изменения ряда физиологических параметров пациента, оценивать эффективность терапии и изменять план процедур, т.е. управлять механотерапией. Одними из наиболее информативных физиологических параметров состояния пациента являются мышечный тонус и электрокожное сопротивление [5]. Эти параметры, несмотря на помехи со стороны психики пациента, откликаются на механотерапевтические воздействия, и в сторону релаксации, и в сторону мобилизации пациента.

В рассмотренных примерах медицинской робототехники активными выступают три компоненты: оператор-врач, робот, пациент. Возможная схема взаимодействия между этими компонентами при выполнении роботом механотерапии представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема взаимодействия между компонентами системы оператор-врач, робот, пациент

На рисунке показаны возможные связи между компонентами:

1. командное управление роботом со стороны врача подразумевает изменение режимов и параметров процедуры, в том числе, по предложению робота, работающего в режиме консультанта;

2. диагностика состояния пациента врачом по данным системы робота, измеряющей текущие значения состояния пациента;

3,4. использование врачом данных, полученных в предыдущих сеансах, и пополнение базы знаний (система Медсофт);

5. мануальное исполнение процедуры врачом;

6. вербальная связь пациента с врачом;

7. установка прикладных программ и данных в робот перед процедурой;

8. передача роботом новых данных о пациенте в базу знаний;

9. биологическая обратная связь через органы чувств пациента;

10. биотехническая обратная связь по биомедицинским переменным пациента;

11. силовая обратная связь о механических характеристиках МТ пациента;

12. механическое воздействие робота на пациента.

Рассмотрим два случая эксплуатации робота: в клинике под руководством врача и индивидуальное домашнее пользование под руководством пациента.

В первом случае робот определённое время может работать в автоматическом режиме, предупреждая врача о возможных отклонениях и отводя руку в случае появления сигналов опасности. Врач может, отведя руку робота, работать мануально самостоятельно. В некоторых приёмах врач может мануально работать параллельно с роботом. В этих случаях появляются дополнительные требования к безопасности врача. Если пациент чувствует дискомфорт или хочет изменить процедуру, он советуется с врачом и врач принимает решение.

Во втором случае домашнего пользования автоматический режим включает и выключает пациент. Робот выступает как консультант для пациента и право изменять процедуру принадлежит пациенту. Врач, находящийся в клинике, может предоставить консультацию пациенту через Интернет. Также пациент может, глядя на монитор, наблюдать изменение параметров, наиболее информативно отражающие его психо- физиологическое состояние и прогресс. Эта возможность обеспечивается биологической обратной связью.

Функции компонент этой системы повышают ответственность в следующем порядке: мониторинг, безопасность, диагностика, управление.

Воздействие на управление со стороны психики и физиологии может быть как положительное, например, в случае биологических обратных связей, так и отрицательным, как помехи. Действительно, на измеряемые и используемые для управления физиологические параметры состояния пациента могут накладываться проявления психики и других непроизвольных физиологических функций. Поэтому для управления необходимо выбирать измеримые физиологические параметры, в которых в большей степени проявляется управляющее воздействие, чем помехи.

Возникает вопрос, к какому классу отнести этот вид управления. Применительно к биообъектам известны следующие виды управления. Биоуправление – управление, которое изменяет психофизиологическое состояние человека без участия технических средств. Например, вестибулярный аппарат, системы, поддерживающие температуру, давление, частоту сердечных сокращений человека. Естественные обратные связи образуются афферентными рефлекторными дугами и замыкают рефлекторные кольца эфферентными дугами [6].

Если в управлении принимают участие технические компоненты, то управление называют биотехническим. И это не только упомянутые в робототехнике системы командного, следящего и интерактивного управления. Это системы искусственной вентиляции легких, вспомогательного кровообращения, системы с биологической обратной связью. Но это не трехкомпонентные системы с управлением по физиологическим параметрам состояния. В трехкомпонентных системах с роботом взаимодействует два человека: врач и пациент. И их взаимодействие значительно сложнее, чем в схеме, master-slave как в традиционной эргатической системе.

Чтобы не вносить новую терминологию можно управление для этих систем называть как управление биотехнической системой. Если акцентировать вид управления с новыми особенностями, то управление можно называть как БТУ в системе врач-робот-пациент.

Новые отношения между роботом и человеком возникают не только в медицинской робототехнике. В неструктурируемых средах и экстремальных ситуациях робот должен быть не «тупым», а интеллектуальным помощником человека. Существуют задачи равноправного взаимодействия робота и сборщика на конвейере, когда во внеплановых ситуациях сборщик не только управляет роботом, но и подстраивается под его работу, обеспечивая и дружественный интерфейс, и собственную безопасность.

Список литературы

1. Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники, М.: Высшая школа, 1990

2. Саврасов Г.В., Гаврюшин С.С., Нарайкин О.С., Ющенко А.С., Поспелов В.И. Мини-робототехническая система для внутрисосудистых операций и диагностики, Мехатроника, автоматизация, управление, №7, 2005 3. Ван Цзыси Разработка и исследование биотехнической системы регулирования частоты сердечных сокращений для коррекции функционального состояния человека: Дис. кандидата технических наук, спец. 05.11.17. – М.: 2002. - 226 с.

4. Головин В.Ф. Мехатронная система для манипуляции на мягких тканях. / Мехатроника, автоматизация, управление. – М.: 2002, №

5. Архипов М.В., Головин В.Ф. Биотехническое управление робототехнической системой для механотерапии на основе информации об электрокожном сопротивлении, Материалы 7-й научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление». – СПб: 2010. – с. 56-59.

6. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем - М.: 1975. – 448 с.

7. Разумов А.Н., Головин В.Ф. Расширение функций эргономики в медицинской робототехнике. СПб.: