XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Инновационный медицинский центр
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С появлением умных систем и целой сферы роботов-помощников жизнь современного человека с каждым днём становится только лучше и лучше. То, что было для нас вполне привычно, рутинные ежедневные действия и алгоритмы, теперь совершенно не актуальны, а люди всё больше стремятся к созданию инновационных решений в целях экономии сил и времени. Эти решения привели нас к тому будущему, в котором мы живём уже сегодня, стремительно развивая и совершенствуя каждое новое изобретение человечества.
В каждой стране исторически складывается и развивается свой способ привлечения экономических ресурсов для оказания медицинской помощи, сохранения и укрепления здоровья населения. Количество и качество выделяемых обществом ресурсов, эффективность их использования в сфере здравоохранения определяется сложной системой экономических, политических, нравственно-этических и иных отношений. Несмотря на разную систему финансирования, всё больше сфер медицины не могут обойтись без помощи робототехники. Пусть такое распространение робототехники не всегда экономически выгодно, скорость и качество предоставляемых услуг всё же выигрывают.
Актуальность темы:
Во всем мире медицинская робототехника активно развивается по трем направлениям: реабилитационная, сервисная и клиническая. Реабилитационные роботы предназначены для решения задач восстановления функций утраченных конечностей и жизнеобеспечения инвалидов, прикованных к постели (с нарушением зрения, опорно-двигательной системы и другими тяжелыми заболеваниями). Медицинские роботы сервисного назначения призваны решать транспортные задачи по перемещению пациентов, различных грузов, а также по уходу за больными, прикованными к постели. Клиническая робототехника обеспечивает полную или частичную автоматизацию процессов диагностики, терапевтического и хирургического лечения различных заболеваний. Мы же решили объединить идею использования медицинских роботов и клинической робототехнике в своём медицинском центре.
Цель исследования: Создание инновационного медицинского центра на базе конструкторов Lego Spike Prime и Lego Mindstorms EV3.
Задачи исследования:
-
Изучить сферу умных роботов-информаторов и -помощников;
-
Проанализировать историю роботизации здравоохранения в России;
-
Познакомиться с категориями медицинских роботов;
-
На основе изученной информации, показать необходимость включения робототехники в сферу медицины и создать прототип медицинского центра на основе данной идеи.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования
-
-
Умные роботы-информаторы и –помощники.
-
Иногда, их называют роботами для работы в общественных местах, но это наименование слишком широкое и не может считаться подходящим для данной категории. Роботы-информаторы предназначены для интерактивного взаимодействия с людьми, их информирования по интересующим людей вопросам. Также в функционал таких роботов могут входить способности "танцевать" и "петь", что позволяет говорить об их информационно-развлекательном назначении.
Они являются полуавтономными системами, некоторые из них используются в режиме телеуправления, но также они могут действовать автономно. В режиме телеуправления ответами робота и принимаемыми решениями занимается оператор. В автономном режиме робот действует сам на основе анализа речи и изображения с камеры. Говорит робот с помощью синтезатора речи. Некоторые из таких роботов снабжены функционалом распознавания лиц и памятью на лица тех, с кем уже были знакомы ранее [4].
Классификация роботов-информаторов
По внешнему виду
-
антропоморфные
-
другие
По размерам
-
ниже (меньше) человека
-
размером с человека
По системе движения
-
стационарные (киоск)
мобильные (ходящие, ездящие)
Расскажем немного о роботах - помощниках, которые уже представлены на рынке высокотехнологичных машин:
-
Cue Robot
Этот робот ростом 9,5 дюймов оснащен эмоциональным интеллектом, который позволяет ему развивать личность — вы можете запрограммировать его на один из трех типов. С ним возможно взаимодействовать с помощью текстовых сообщений, на что он ответит шуткой или мемом, а наличие искусственного интеллекта, с учетом таких человеческих качеств, как смелость, обаяние и настойчивость, сделает общение ещё более живым и забавным.
-
Робот Beam — контроль, когда вас нет рядом
В то время как FaceTime и Skype позволяют легко общаться в чате, когда мы находимся вдалеке от дома, Beam System делает шаг вперед. Боссы могут проверять сотрудников, когда их нет в офисе, родители — наблюдать, как дети делают домашнюю работу и многое другое. Такое изобретение позволит забыть о беспокойствах в моменты отсутствия дома.
-
MiP — ваш роботизированный личный помощник
Личный помощник MiP может принести что-нибудь из холодильника, или вообще книгу, которая находится в другой комнате. С ним даже не нужно разговаривать— он реагирует на жесты рук и команды из приложения для смартфона. MiP работает по Bluetooth, поэтому можно обойтись и без Wi-Fi. Робот носит вещи на своем встроенном лотке.
Благодаря последним технологическим разработкам, роботам-помощникам на сегодняшний день можно доверить как стандартные, так и более сложные и творческие задачи [5].
Сформировав список самых востребованных роботов-помощников на сегодняшний день и проанализировав назначения роботов-информаторов, мы пришли к выводу, что данные роботы просто необходимы человеку, их функционал довольно объёмный и разнообразный, что значительно повышает их потенциал в ежедневном использовании человеком.
1.2 История роботизации здравоохранения в России.
Роботическая программа в России началась в 2007-м с установки 25 американских роботов-ассистентов daVinci. Они выполняют операции в кардиохирургии, урологии, гинекологии, эндокринологии, общей хирургии и других областях. C 2007 года они провели около 25 000 операций в России. За последние четыре года ― 4500 операций, и это только в Москве.
Плановые очертания процесс приобрел, когда правительство утвердило дорожную карту компании HealthNet ― один из планов по продвижению инноваций в медицине в рамках «Национальной технологической инициативы». Она разделена на три этапа и действует до 2035 года. План работы построен с учётом ключевых трендов развития технологий в медицине. Он включает:
• Применение методов виртуальной и дополненной реальности.
• Развитие технологии «Орган на чипе».
• 3D-печать органов и создание биофабрик (выращивание органов из собственных и животных клеток).
• Производство нанороботов для коррекции здоровья (в том числе для адресной доставки лекарств).
• Роботизация хирургических вмешательств ― планируется, что к концу второго этапа плана (2025 год) с помощью роботов будет выполняться большинство операций.
В рамках дорожной карты предусмотрена реализация пилотных проектов в приоритетных направлениях.
Другая первоочередная задача сегодня — формирование необходимых условий и инфраструктуры, в том числе нормативно-правовой регуляции, для внедрения новых технологий. Эксперты отмечают, что с точки зрения продукта в сервисной робототехнике Россия на пять лет впереди остального мира, но с точки зрения сбыта пока отстаёт. Однако в условиях санкционного давления, ограничивающего поставки разработок из других стран на российский рынок, перед отечественными компаниями открываются широкие перспективы для развития и расширения производства российских медицинских роботов. Ведь именно спрос является драйвером роста.
Перспективы этого направления в телемедицине.
В понятие телемедицины входят не только текстовые сообщения, телефонные звонки, пересылка изображений, видеочаты врач — пациент, но и удаленный мониторинг. Именно в последнем случае находится применение возможностям искусственного интеллекта ― для более быстрой диагностики и оптимизации рутинных услуг.
Например, телемедицинский робот InTouch Vici дает возможность врачам дистанционно общаться с пациентом, проходящим лечение в условиях изоляции. Помимо камеры, экрана и клавиатуры, обеспечивающих связь врачей с пациентом, робот снабжен медицинским оборудованием для измерения показателей жизнедеятельности и передачи данных в электронный архив. Усовершенствованные камеры, оснащенные ИИ, помогают обнаруживать лихорадку и другие сигналы организма.
Благодаря телемедицинским приложениям пациенты в отдаленных районах могут получить высококачественные неотложные консультации по широкому спектру проблем. Пациент заходит с планшета или персонального компьютера, а врачи могут использовать тот тип устройств, который наилучшим образом соответствует ситуации. Такая помощь незаменима в случаях, когда требуется срочная консультация, но медицинские работники не могут прибыть к пациенту вовремя.
Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования
2.1 Категории медицинских роботов.
Преимущества использования роботов в медицине.
Практика использования робототехники в медицине показывает: роботы повышают эффективность и скорость процессов в ходе диагностических и лечебных мероприятий, содействуют ускорению реабилитации. На современном уровне развития устройства с искусственным интеллектом в состоянии выполнять частичный уход за пациентами. Роботы успешно зарекомендовали себя в поддержании безопасной внутрибольничной среды.
Медицинские роботы берут на себя минимально инвазивные процедуры, могут регулярно наблюдать за пациентами с хроническими заболеваниями, являются действующими элементами реабилитационной терапии и содействуют повышению социальной активности пожилых людей.
Делегировав роботам рутинные задачи, удается снизить нагрузку на врачей и медперсонал среднего звена. Благодаря этому у лиц, ответственных за взаимодействие с пациентами, остается больше времени и сил, чтобы сосредоточиться на работе, ориентированной на больных.
Работа в период пандемии продемонстрировала высокую эффективность медицинских роботов в ситуациях нехватки медперсонала для выполнения рутинных задач в патогеноопасной среде. В больницах использование роботов для перевозки расходных материалов и белья, для уборки и дезинфекции ограничивает контакт с патогенными микроорганизмами, содействуя борьбе с внутрибольничными инфекциями.
Может ли робот заменить специалиста?
Технологии должны помогать людям, поэтому и врачи, и медицинские роботы трудятся сообща. Их вычислительные мощности объединяются с человеческими навыками решения проблем и творческим подходом.
Эффективность сотрудничества врачей и роботов доказана в ряде исследований, например, в области использования искусственного интеллекта для выявления метастатического рака молочной железы. Когда результаты работы системы ИИ были объединены с выводами врача-патологоанатома, точность оценки локализации опухоли и классификации изображений значительно возросла. Коэффициент ошибок был снижен на 85%.
Во время робот-ассистированной операции механизм не выполняет все действия самостоятельно ― врач сидит за консолью и ювелирно перемещает «руки»-манипуляторы. Так удаётся добиться наилучшего результата.
Кроме того, достижения в области робототехники не способны отменить личностный контакт, человеческий опыт и профессионализм практикующего врача. Всегда будут обязанности и ответственность, которые технологии не в состоянии разделить ― их гораздо быстрее, надежнее и дешевле будет поручить людям.
Первые медицинские роботы, появившиеся 11 апреля 1985 года, способствовали революционным изменениям в работе врачей и скорости выздоровления пациентов. Так, роботизированные комплексы того времени позволили врачам добиться чрезвычайной точности в процессе сложного оперативного вмешательства при кардиоторакальной хирургии. Развитие технологий искусственного интеллекта (ИИ) стимулировало совершенствование медицинских роботов, расширив возможности их применения в здравоохранении. Сегодня в список обязанностей медицинских роботов входит содействие в операциях, дезинфекция помещений, выдача лекарств, сопровождение пациентов в аптеках, больницах и домах престарелых и многое другое. Расскажем подробнее, для чего используются роботы в медицине.
Роботы-хирурги
Первой задачей роботов стало ассистирование хирургам в операционной. Сегодня робото-ассистивные системы для хирургических операций становятся все более привычным явлением. Например, в хирургии позвоночника роботы способны удерживать инструменты и компоненты имплантатов совершенно неподвижно и передвигать их точно в место установки винтов для декомпрессионной операции. Такое стабильное позиционирование инструментов обеспечивает максимальную точность и ускоряет операцию. При использовании роботизированных комплексов проникновение оказывается не только точным, но и малоинвазивным ― для достижения целей роботу достаточно сделать всего несколько небольших разрезов размером с монету.
Роботы-медсестры
Ещё одна сфера использования роботов ― помощь медперсоналу в выполнении таких ежедневных задач, как забор крови, измерение температуры или гигиенические процедуры. Роботы, которые берут на себя простые повторяющиеся действия, освобождают сиделкам и медсёстрам время и руки, так что те могут уделить больше внимания индивидуальному уходу за пациентами. Мобильные автоматизированные лечебно-диагностические комплексы типа робот-медсестра задействованы как в процессе поддержания жизнедеятельности пациентов, так и в обеспечении связи с персоналом лечебного учреждения.
Роботы для дезинфекции
На роботов можно возложить ответственность за санитарную обработку помещений, избавляя персонал больницы от необходимости контактировать с потенциально опасными патогенами. Например, существуют роботы для дезинфекции больничных приборов и оборудования: робот компании Xenex способен с помощью импульсного ксенонового света продезинфицировать палату менее чем за 20 минут.
Роботы для диагностики, или лабораторные роботы
Роботы активно используются в лабораториях. Автоматизация, которую они обеспечивают, повышает скорость и точность выполнения анализов, снижая количество ошибок. Яркий пример ― выполнение ускоренных анализов крови. Два робота в состоянии обработать около 3000 образцов в день, по 7–8 пробирок в минуту: один берёт образец и помещает его в сканер штрихкода, другой отбирает образцы и кладёт их в устройство подачи для центрифугирования и анализа.
Реабилитационные роботы
Это роботы, предназначенные для реабилитации пациентов после операций или активной фазы заболевания. Первые действительно роботизированные устройства для реабилитации работали по принципу непрерывного пассивного движения: это когда часть тела пациента перемещается, пока он отдыхает. Действие современных реабилитационных роботов связано с понятием нейропластичности мозга и направлено на её поддержание. Так, они помогают выполнять упражнения на восстановление подвижности рук и ног, перемещая их, что позволяет создавать неврологические пути для работы мышц.
Современные реабилитационные роботизированные конструкции делятся на два вида: терапевтический робот, который помогает пациентам выполнять упражнения (например, экзоскелет), и вспомогательный робот-протез, который заменяет потерянные конечности. Стоит упомянуть и об интеллектуальных инвалидных колясках, способных управлять центром тяжести при спусках и подъемах по лестнице.
Роботы-компаньоны
Роботы способны играть роль компаньонов и даже питомцев. Аналитики предполагают, что в будущем роботы для эмоциональной поддержки будут востребованы. В больничных условиях роботы оказывают пациентам — особенно пожилым людям и детям — помощь, подбадривая и демонстрируя, как выполнять определенные двигательные действия, например, сесть и встать с постели. Они напоминают о необходимости принять лекарства или разговаривают с теми, кто лишен регулярного человеческого контакта (что особенно актуально в контексте нехватки медсестёр и сиделок). Очень часто такие роботы похожи на людей или животных. Например, робот Paro ― роботизированный детеныш гренландского тюленя, покрытый мягким белым мехом, — демонстрирует многие из моделей поведения, свойственных настоящему домашнему питомцу. Его задача — вызывать положительный эмоциональный отклик у пациентов и ускорять выздоровление [6].
2.2 Включение робототехники в сферу медицины и создание прототипа медицинского центра на основе данной идеи.
Наша модель представляет собой здание, где на входе гостя встречает робот-информатор (Рисунок 2.2.1 Приложения), провожая к стойке администратора, либо проводит краткую консультацию по необходимой информации (Рисунок 2.2.2 Приложения). В холле расположен фонтан, за которым можно пройти в кафе, выбрав сбалансирование полезное питание (Рисунок 2.2.3 Приложения). Кроме того, на 1 этаже расположены комфортабельные палаты с возможностью пройти полный чек-ап организма, либо обследоваться в более узкой области (Рисунок 2.2.4 Приложения). А в любое свободное время можно подняться на лифте в сад на крыше, где пациенты могут гулять, дышать свежим воздухов, восстанавливая здоровье (Рисунок 2.2.5 Приложения). Также для пациентов предоставляется машина на автопилоте, которая всегда рядом с центром (Рисунок 2.2.6 Приложения).
В нашем проекте установлено (Рисунок 2.2.7 Приложения):
-
1 модуль EV3 как центр управления лифтом;
-
1 средний мотор для работы лифта;
-
1 хаб Spike Prime в качестве мозга робота-информатора;
-
2 средних мотора для передвижения робота-минформатора (Рисунок 2.2.8 Приложения).
Внедрение робототехники в медицину сопровождается радикальными изменениями и, как итог, ведет к повышению долгосрочной выживаемости пациентов. Разработки в сфере робототехники ведутся непрерывно, а на вопрос «Может ли робот выполнять медицинские операции?» ответ однозначный: «да», — хотя в серьёзных случаях без контроля человека обойтись все же невозможно. Тем не менее это означает, что скоро медицинская индустрия выйдет на совершенно иной уровень, который еще недавно считался фантастическим.
Заключение
В результате нашей работы над проектом мы успешно:
-
Изучили сферу умных роботов-информаторов и -помощников;
-
Проанализировали историю роботизации здравоохранения в России;
-
Познакомились с категорией медицинских роботов;
-
На основе изученной информации, показали необходимость включения робототехники в сферу медицины и создали прототип медицинского центра на основе данной идеи.
Список используемой литературы:
-
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
-
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа-https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
-
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа -https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
-
https://mentamore.com/robototexnika/rejting-luchshix-robotov.html
-
http://robotrends.ru/robopedia/promoboty
-
https://sbermed.ai/roboty-v-medicine/
Приложение
Рисунок 2.2.1 – Робот-информатор
Рисунок 2.2.2 – Конструирование стойки администратора
Рисунок 2.2.3 – Фонтан с кафе
Рисунок 2.2.4 – Процесс создания палат
Рисунок 2.2.5 – Проверка лифта
Рисунок 2.2.6 – Машина с автопилотом
Рисунок 2.2.7 – Программирование проекта
Рисунок 2.2.8 – Наш проект