РОЛЬ РОБОТОТЕХНИКИ В РЕАБИЛИТАЦИОННОЙ МЕДИЦИНЕ Текст научной статьи по специальности «Ветеринарные науки»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

РОЛЬ РОБОТОТЕХНИКИ В РЕАБИЛИТАЦИОННОЙ МЕДИЦИНЕ

Муртузалиева З.А.

Азербайджанский Государственный Университет Нефти и Промышленности АННОТАЦИЯ

Краткое изложение: Медицинская промышленность будет одной из первых сфер, где новые технологии претерпят наибольшие изменения. Эффект от медицинских устройств, которые мы используем ежедневно, очевиден: они позволяют людям регулярно отслеживать информацию о своем здоровье. Таким образом, мы можем своевременно выявлять серьезные заболевания, корректировать свой образ жизни и предотвращать обострение болезни.

Ключевые слова: восстановительная медицина, робототехника, микророботы, биопечать органов.

Наука продвигает мир вперед, и инновации необходимы во всех сферах жизни. Примером тому является основная область медицины, а точнее техническая часть медицины. Развивается и медицинская наука, каждый день используются новые методы лечения, новые сложные устройства, поддерживающие новую жизнь человека. Примеры таких устройств - искусственная вентиляция легких или искусственные почки. Кроме того, были разработаны различные устройства для измерения уровня сахара в крови, электронного пульса и артериального давления[1].

Люди начали создавать роботов примерно в конце 20 века, и со временем они претерпели множество изменений и усовершенствований. Сегодня существует много типов роботов. Например: вспомогательные роботы, военные роботы, космические, бытовые и медицинские роботы, широко используемые в космосе [2].

Вспомогательные роботы играют ключевую роль в современном здравоохранение. Поскольку эта часть здравоохранения является новой и находится на ранних стадиях своего развития, несколько изобретений уже успешно разрабатываются во многих странах мира. Эти изобретения неоценимы в помощи профессионалам-медикам. На мой взгляд, основная проблема - это цена таких роботов. Когда медицинские роботы поступят в производство, их сначала приобретут развитые страны, а затем -развивающиеся страны. Сегодня наиболее развитые страны являются слаборазвитыми. К таким странам относятся многие страны африканского континента. Основная причина этого в том, что медицинские роботы очень дороги, и поэтому странам очень дорого покупать таких роботов. Это не соответствует годовому финансовому плану каждой страны. Поэтому считаю важным сократить в будущем деньги, необходимые для производства таких роботов [3].

Поскольку медицина - одна из самых обширных областей науки, она относится к области современных нанотехнологий. Нанотехнологии используются, чтобы остановить беспорядочно перемещающиеся бактерии под микроскопом, а затем последовательно их выпрямить. Сильван Мартель, профессор Монреальской

политехнической школы, контролирует движение микробов. Устройство, разработанное канадскими учеными, контролирует перемещение бактерий с помощью магнитных полей с точностью до тысячных долей миллиметра. Ученые недавно продемонстрировали это устройство в действии. Перемещая 5000 бактерий в одной капле воды с определенной регулярностью, бактерии образовывали различные фигуры.

В ближайшем будущем «трудовые ресурсы» могут быть использованы для больших достижений в медицине. Вот уже несколько лет многие лаборатории хотят создать микророботов. Такие микророботы будут выполнять различные операции на теле человека. Пока что инженеры создали только простые прототипы. Но теперь ученые выбрали другой путь. Они предпочитают использовать микроорганизмы вместо сложных и неэффективных устройств. Фигуры, созданные бактериями, можно увидеть только под микроскопом. Эта фигура часто напоминает египетские пирамиды. Аналогия не случайна. По словам Сильвана Мартеля, «пирамиды были одним из первых шагов в создании человеком сложных структур. По этой причине мы решили, что первой фигурой, созданной микроорганизмами, была пирамида. На строительство настоящих пирамид ушло много лет. Бактерии построили эту модель за 15 минут. Микроорганизмы работали вместе. Под микроскопом 5000 бактерий были в форме большого облака. Эти 5000 бактерий движутся по правильному шаблону вместе, образуя форму пирамиды, неся «кирпичи» в ряд, как показано в проекте. Мартель по-прежнему считает, что технология новая и будет успешной в будущем. По мнению канадских ученых, успех технологии микроорганизмов кроется в бактерии MagnetospirШum magnetotacticum. По словам С. Мартеля, эти бактерии движутся во много раз быстрее, чем другие, и перемещаются магнитными волнами, потому что они содержат высокие дозы железа [4,5]. Хотя ученые не нашли причину высокого содержания железа в молекуле, они пытаются увеличить его использование. Эти молекулы не только движутся в воде, но один из ученых ввел эти бактерии в лабораторных крыс, заставив их двигаться по венам с помощью

магнитного поля. Было показано, что эти бактерии могут действовать против кровотока. Однако бактерии могли делать это только в небольших капиллярах. Бактерии в большом капилляре не выдерживали скорости потока. Эти микробы не повредили крысам, потому что они не могли размножаться в крови. Через несколько дней микробы в крови погибли и были уничтожены другими бактериями. По словам Владимира Лобаски, физика из Дублинского университетского колледжа, «Основная проблема микророботов - это их размер. Сделать двигатель необходимой мощности для устройств такого размера очень сложно. Следовательно, бактерии С. Мартеля обладают большим потенциалом. У этих бактерий уже есть свои внутренние двигатели. Одно из последних достижений в области микророботов разработано в Швейцарском государственном институте робототехники и интеллектуальных систем. Это похоже на небольшую металлическую спираль, которую можно увидеть только под микроскопом. Когда он попадает в магнитное поле переменной частоты, эта спираль вращается и движется как пропеллер. Траекторию этого устройства можно задавать магнитами. С помощью этого робота инженеры передают необходимые лекарства в разные части человеческого тела. Пока что в этой области не было большого успеха. Это устройство в 10 раз медленнее, чем контролируемые бактерии в Канаде. По словам Мартеля, в этом нет ничего странного, по его словам, было очень сложно создать миллионы лет роста бактерий за такое короткое время на искусственных устройствах. По этой причине студенты Корейского государственного университета Чуннам объединили эти два фактора в своем проекте. В прототипе обнаруженного ими микроробота используются синтетические полимеры и клетки сердечной мышцы человека (кардиомеоциты). Ячейки прикрепляются к эластичному каркасу с помощью специально разработанных ножек. По мере сжатия клетки перемещают всю конструкцию, и ножки устройства начинают двигаться. Эти роботы будут использовать клетки сердечной мышцы в качестве двигателя, а растворенный сахар в крови - в качестве топлива. В недавнем эксперименте Сильван Мартел и его коллеги начали вводить микроботов в крыс, больных раком. Затем они сделали томографию этих крыс. Томограф обеспечивает изображение человеческого тела через магнитные поля. Внеся некоторые изменения в это устройство, ученым удалось превратить его в блок управления микророботов. Через этот контрольный блок бактерии переместились из сосудистой системы грызунов в область локализации рака. Затем микроорганизмы занесли в область флуоресцентное вещество. В будущих тестах Martel будет включать противораковые препараты от бактерий. Кроме того, нанотехнологии используются при изготовлении новых типов электронной кожи. В первых экспериментах с электронной кожей он был

запрограммирован на прикосновение к бабочке. Таким образом, прикосновение бабочки из рода Chormea faunus фиксируется на электронной коже. Эти электронные оболочки состоят из электродов и устойчивых к давлению резиновых соединений PSR тонких полупроводниковых кабелей. Таким образом, каждый черный квадрат имеет размер небольшого пикселя и реагирует на прикосновение. Создатели очень гордятся чувствительностью этой кожи, говорят, что робот с таким манипулятором легко переносит куриное яйцо, не раздавливая и не роняя. Многие ученые отказались от идеи создания роботизированного аналога кожи, самого большого человеческого органа. Основная часть этой проблемы - способность кожи человека чувствовать все, от прохладного ветра до горячей воды. В последние дни две отдельные исследовательские группы, работающие в Калифорнии, объявили о своем открытии в этой области.

Первая команда из Калифорнийского университета в Беркли использует нанокабели в качестве ключевого элемента для искусственной кожи. Когда команда продемонстрировала свое изобретение, они передали искусственную кожу специальной подушечкой на заранее изготовленной полиимидной ленте, чтобы придать ей функции настоящей кожи. Они добавили во внутреннюю часть подушки германий и силикон. В результате они получили эластичный материал, содержащий нанокабели, которые выполняли роль транзисторов. Вдобавок они добавили изолирующий слой и чувствительную к прикосновению резину (PSR). С помощью фотолитографии компания PSR разместила небольшие перемычки между резиной и нанокабелями, чтобы они не соприкасались друг с другом. Эти перемычки защищают их от соприкосновения друг с другом и увеличивают долговечность материала. Промежутки, создаваемые перемычками, заполнялись тонким слоем алюминия. Электронная кожа с такими эластичными слоями сможет точно показать, где находится давление. Создатели назвали этот скин «электронным скином». Могут использоваться различные материалы, например, кожаная подошва. Например, вы можете использовать пластиковые, резиновые или лотки с разными лекарствами, в зависимости от пациента. Первоначальная версия электронного скина имела матрицу размером 7x7 сантиметров и размером 19x18 пикселей. Внутри каждого пикселя были сотни нанополюсов. Такая система могла выдерживать давление от 0 до 15 кПа. Примерно такое давление ощущается, когда кожа человека печатает на клавиатуре или держит небольшой предмет. Ученые утверждают, что их изобретение превосходит другие аналоги. В таких проектах во многих системах используются более гибкие и эластичные натуральные материалы, для работы которых требуется большой ток. Они были первыми учеными, которые использовали монокристаллические полупроводники в качестве

основы для этой технологии искусственной кожи. Монокристаллические полупроводники могут работать только при 5 вольт. Самое интересное, что эксперименты показали, что e-skin 2000 не теряет чувствительности после сгибания. Эта технология в будущем будет использоваться в манипуляторах для работы с чувствительными объектами. Роботизированная рука, которая будет использовать эту кожу, может включать тепловые датчики, различные лекарства и инструменты для других типов операций. Наконец, электронная кожа ощущается почти мгновенно, как человеческая кожа. Это увеличивает безопасность между предметами, на которых обрабатывается кожа, и людьми. По результатам испытаний эта кожа может покрывать весь объем манипулятора или весь объем робота. Вторая команда была из Стэнфордского университета и могла производить искусственную кожу другим способом. Создатели этого скина, изображенного на картинке, использовали изоляционную резину с высокой эластичностью, которую они сделали между двумя электродами. Такой резиновый слой может накапливать электричество в качестве конденсатора. Когда резина подвергается давлению, она изменяет электрические заряды внутри нее, что позволяет определить плотность объекта, контактирующего с искусственной кожей. Ученые экспериментально доказали, что они могут чувствовать даже самое слабое прикосновение своей искусственной кожи. В своих экспериментах они использовали мух. В эксперименте кусок искусственной кожи был толщиной 1 миллиметр с квадратной формой по 7 сантиметров с каждой стороны. Искусственная кожа смогла идентифицировать насекомых весом 20 миллиграммов и реагировать на них. Под микроскопом кожа напоминала поле пирамид с острыми концами. В таком материале количество пирамид на одной площади может варьироваться от нескольких тысяч до 25 миллионов. Это просто зависит от необходимой плотности. Основное отличие этого типа материала от других состоит в том, что в других материалах почти вся искусственная кожа была сделана из монолитного материала. С другой стороны, было показано, что монолитный материал со временем снижает плотность и снижает точность электрических нагрузок. В этом виде искусственной кожи между пирамидами размещены небольшие расстояния. Благодаря этим расстояниям материал легко сгибается и может вернуться в прежнее состояние, не теряя своей плотности. Эта искусственная кожа, созданная учеными из Стэнфорда, намного превосходит другие по эластичности и прочности. Эта кожа не растягивается, но, поскольку ее легко гнуть, ее можно использовать на металлических руках роботов. Создатели этого электронного скина рассказали Nature Materials, что их изобретение недорогое и имеет широкий спектр применения. В будущем планируется использовать эти электронные повязки для обработки кожи. Эти повязки смогут регистрировать тяжесть травмы с

помощью датчиков. Есть даже предположения, что в будущем эти датчики будут использоваться в автомобилях. К рулевому колесу прикреплены датчики, которые предупреждают водителя о необходимости заснуть, когда давление в его руке падает. Обе команды верят, что будут развивать свои изобретения. Результаты экспериментов вселяют уверенность, что в будущем роботы будут покрыты такой кожей. Хотя роботы могут отличаться от людей, эта технология придаст новое значение слову робот-андроид.

Биопсия органов в настоящее время является наиболее развитым и многообещающим направлением в медицине. 3D-печать живых органов дает возможность для многих инноваций: с ее помощью можно создавать искусственную хрящевую, костную и мышечную кожу. В ближайшем будущем на 3D-принтере можно будет печатать более сложные органы человеческого тела. По мнению ученых из Института лазерных проблем и информационных технологий, в будущем в Биопринтере можно будет создать человека за 2 часа 47 минут. Лучшее достижение в этой области - американская компания Organovo, основанная в 2007 году. В 2015 году Organovo запустила искусственную печень человека под названием exVive3D. Кожа ExVive3D изготавливается на 3D-принтере, который можно использовать для проверки действия и эффективности этих лекарств до того, как они поступят в продажу.

Геномика и персонализированная медицина -анализ ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) стал стандартной процедурой в развитых странах с тяжелыми заболеваниями. Это позволяет врачам проверить, совместим ли метаболизм человека с какими-либо лекарствами. Более дешевое тестирование ДНК стимулирует развитие персонализированной медицины. Персональное тестирование ДНК теперь стоит 2000 долларов. Снижение этой цены предотвращает наследственные заболевания и любые патологии, которые могут возникнуть у человека. Модификация генома человека, то есть своего рода изменение, также является одним из ключевых направлений в этой области. В 2015 году им впервые удалось вылечить пациента с помощью генетической модификации. Британские врачи выяснили, что генная терапия может остановить развитие рака у детей. Запущенный в конце 2015 года Google Genomics - это сервис, предназначенный для хранения различных геномов. Любой желающий может разместить здесь свой геном за 25 долларов в год. Это позволит людям в будущем заменять больные геномы новыми.

Одним из основных вопросов, обсуждаемых Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), является внедрение интеллектуальных

информационных технологий (ИИТ) в медицину и ускорение развития здоровья с помощью искусственного интеллекта. Сегодня под интеллектуальными информационными системами

понимается система, объединяющая электронные архивы пациентов, анализы с медицинских приборов, результаты лабораторных исследований, современный обмен информацией (например, внутренняя система электронной почты больницы, Интернет и т. Д.). Однако, согласно действующим экономическим, социальным и медицинским законам, основная задача - не профилактика заболеваний в медицинских учреждениях, а лечение и реабилитация пациентов после заражения. Охрана здоровья в городской инфраструктуре ведет к развитию новых методов медицины в организациях здравоохранения. Однако основной причиной отсутствия прогресса на этих путях развития является отсутствие финансирования, отсутствие четких стандартов и формирование групп для такой научной работы. По мере увеличения среднего возраста населения будет увеличиваться количество сердечнососудистых заболеваний, инсультов и других заболеваний. После любого сердечного приступа, инсульта, травмы спинного мозга важно, чтобы пациент выполнял как можно больше физических упражнений. К сожалению, пациенты обычно проходили физиотерапию в больнице. С помощью следующего поколения медицинских роботов пациенты смогут выполнять эту физиотерапию дома. Робототехника также начинает использоваться для раннего выявления и лечения психических заболеваний, таких как аутизм. Специально разработанные тренировочные роботы используются для укрепления памяти у людей с особым умственным развитием.

В действующих медицинских учреждениях процесс реабилитации разделен на разные последовательные этапы в зависимости от места и времени: стационар - стационарно-курортное лечение - амбулаторное лечение. На первом этапе пациенту разъясняются послеоперационный дискомфорт и возможные осложнения заболевания, начинается стабилизация послеоперационного лечения, проводятся регулярные упражнения для физической и психической адаптации. Вторая очередь - санаторий-курорт. В основном это этап перехода пациента из стационарной лаборатории в простую больницу. На этом этапе, если симптомы пациента остаются стабильными, его переводят на третий этап, то есть в обычную больницу. На

последнем этапе после лечения проводится тщательное обследование организма и уделяется внимание развитию поврежденных органов.

По окончании лечения, в зависимости от организма пациента, назначаются лекарственные препараты, предотвращающие рецидив заболевания. Несмотря на все эти этапы, создание такой системы на практике порой невозможно. Основная проблема - это необходимость больших денежных средств на реабилитацию пациентов, государство не оплачивает санаторно-курортное лечение и, самое главное, отсутствие оборудования в больницах. Совет Европы разработал новую программу развития робототехники. В эту программу вложено 600 миллионов евро для увеличения производства робототехники. Корея намерена вложить 1 миллиард долларов в развитие этого сектора в течение следующих 10 лет. Они подтвердили свою готовность инвестировать в такие страны, как Австралия, Сингапур и Китай. Если развитые страны, такие как США, не распределяют государственные пошлины в сфере робототехники, в ближайшем будущем они потеряют лидирующие позиции в этой сфере.

Литература

1. Международный журнал новейших медицинских технологий. http://www.medgadget.com/archives/2005/07/da_vinc i_robot.html (последний доступ 27 января 2006 г.).

2. Мелдрам, Д. Р. 2000. Автоматизация для геномики: Часть 1, подготовка к секвенированию. Genome Research 10 (8): 1081-1092, август.

3. Мелдрам, Д. Р. и Л. Е. Кавраки. 2004. Робототехника и вдохновленные робототехникой алгоритмы для молекулярной и клеточной биологии: диагностика, геномика, протеомика. Семинар NSF по статусу робототехники в США, Арлингтон, Вирджиния, 21-22 июля.

4. Нельсон, Б. и Ю. Чжэн. 2004. Состояние робототехники в США: Био / Фармацевтика. Семинар NSF по состоянию робототехники в США, Арлингтон, Вирджиния, 21-22 июля.

5. Тейлор, Р. 2004. Медицинская робототехника и компьютерная интегрированная хирургия. Семинар NSF по состоянию робототехники в США, Арлингтон, Вирджиния, 21-22 июля.