3.1. Структура и основные компоненты систем управления медицинскими роботами
Процесс определения структуры системы управления в медицинской робототехнике начинается с анализа конкретной медицинской задачи. Логично, что оценка решаемости медицинской задачи для реализации перспективной системы должна опираться на анализ показателей качества, а формирование требований к качеству проектируемой системы управления всегда осложнено тем, что многие показатели носят неколичественный характер, так как многие медицинские явления принято оценивать только качественными свойствами.
Кроме того, следует отметить существенные отличия в интерпретации показателей качества в различных областях медицины. Например, в клинической медицине при использовании хирургических методов показателями качества служат степень инвазивности проводимой операции, риски воспалений и осложнений, длительность послеоперационного периода, возможность ятрогенных осложнений, а при использовании терапевтических методов ими являются эффективный подбор медикаментозного лечения, определение рациональных дозировок, наличие симптомов заболевания, наличие болей. В отличие от хирургических, терапевтические методы лечения основаны на проведении лечебных процедур или подборе методов медикаментозного лечения. Казалось бы, терапевтическое и хирургическое лечение — два кардинально отличающихся направления медицины. Однако в обоих направлениях медицины возможно применить один и тот же метод лечения, например, за счет одного и того же медицинского инструмента — лазера. При его выборе появляется альтернативный набор физических параметров, которые могут быть применены в качестве дополнительных показателей качества: это длина волны, режим работы и мощность, время экспозиции, частота повторения импульсов, локализация воздействия и периодичность. Наряду с этим лазерную операцию становится возможным проводить с помощью автоматического устройства, такого как робот. Таким образом, появляется еще большее количество технических показателей, взаимосвязанных с качеством выполнения мануальных медицинских манипуляций, а робот, их выполняющий, становится медицинским.
Медицинский робот — это сервисный робот, который выполняет задания, полезные для человека, в области медицины (на основе ГОСТа [1]). С помощью медицинских роботов становится возможным автоматизировать мануальные медицинские манипуляции. Мануальная медицинская манипуляция — взаимодействие с тканями пациента, характеризуемое видом медицинского инструмента и особенностью его применения врачом во время проведения соответствующей медицинской операции.
Обобщая вышесказанное, можно утверждать, что выбор совокупности показателей качества для решения медицинской задачи может сильно расширяться на соседние, казалось бы, совершенно не связанные с точки зрения медицины области. Дополняя медицинские показатели техническими, проводить разработку качественно новых медико-роботизированных систем становится сложнее. Именно поэтому в процесс разработки систем управления активно включаются специалисты не только медицинских, но и технических специальностей. Следует отметить также, что при разработке сложных систем управления в медицинской робототехнике многие процессы направлены на взаимодействие с организмом человека. А условия, в которых протекают данные процессы, являются недетерминированными ввиду естественной анатомической разницы между субъектами, с которыми они протекают. Именно поэтому в ходе разработок не все планируемые показатели могут быть достижимы. Ввиду этого появляется логичное разделение между показателями качества направлений медицинской деятельности на планируемые и действительные показатели. Таким образом, построение систем управления медицинскими роботами основывается:
- на планируемых показателях качества определенного направления медицинской деятельности;
- действительных показателях качества определенного направления медицинской деятельности;
- технических показателях качества инструментария;
- технологических биомедицинских показателях качества.
В контексте сформированной структурной модели «Пирамида медицинской робототехники» (глава 1) имеются три основные технологические грани, которые составляют медицинскую робототехнику как науку. Каждая грань пирамиды, по сути, является обособленной дуальной технологической областью, в рамках которой наиболее просто проводить поиск и сортировку ключевых решений, применяемых в медицинской робототехнике. При этом каждое из решений обладает своим уникальным набором показателей качества. Вместе с тем, каждая область по своей сути может разделяться в зависимости от масштаба решаемой задачи. Понимая масштабы решаемых задач в медицинской робототехнике, возможно обобщить два начальных направления для развития методов управления в медицинской робототехнике:
- управление манипуляционными функциональными действиями;
- управление коммуникационно-логистическими процессами.
При этом закономерно понимать, что любое управление роботами в настоящее время является априори цифровым, так как все современные роботы в качестве устройства управления имеют персональный или промышленный компьютер со специфичным программным обеспечением. Дополнительно каждое направление для развития методов управления возможно разделить еще на две категории. Фактором деления являются особенности процесса управления, которые в медицинской робототехнике могут иметь биофизическую или медико-социальную природу.
Под биофизической природой стоит понимать явления, характеризующие функционирование пациента, его части или органа в естественных или искусственных условиях. Кроме того, к биофизическим процессам могут быть отнесены явления, находящиеся на биологическом микроуровне, такие как дезинфекция или очистка от продуктов загрязнения окружающей среды. Зачастую функционирование подобных объектов описывается сложными нелинейными уравнениями, как и естественные условия их работы. Порой для создания точной имитации биофизического процесса разрабатываются масштабные технологические процессы. В качестве известного примера можно назвать биопринтинг — перспективную медицинскую технологию для 3D-печати органов [8]. На данный момент проведение исследований является экономически затратным и все еще находится в разработке. Именно поэтому во многих задачах медицинской робототехники классически принято пользоваться упрощениями. Для быстрого натурного воплощения части биофизического процесса для задач тестирования медицинских роботов применяются фантомы. Это искусственные ткани, органы или части тел, обладающие математической интерпретацией, сходной по одному или нескольким свойствам с реальными. Достижение необходимых свойств становится возможным путем применения новых уникальных материалов еще на стадии проектирования медико-роботизированной системы. На современном рынке присутствует весьма большое количество разнообразных фантомов. Например, сложносоставные фантомы головного мозга и челюсти представлены следующими исследованиями [10–11].