Адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом

Широко известно, что сердечно — сосудистая патология на сегодняшний день лидирует по показателям заболеваемости и смертности среди населения не только в России, но и в других развитых странах. Современные возможности диагностики и эффективные медикаментозные и хирургические методы лечения позволяют выявлять сердечно-сосудистые заболевания на ранних стадиях, эффективно их лечить и заметно увеличивать продолжительность и повышать качество жизни человека. Однако, при всей своей эффективности, существующие технические средства в медицине далеко не соответствуют реальным потребностям врачей.

Три четверти сердечно-сосудистых заболеваний составляет патология артерий, такая как облитерирующий атеросклероз, в конечном итоге приводящий к развитию нарушений кровообращения различных органов человека, напрямую ведущих к тяжелым осложнениям (ишемическая болезнь сердца, инсульт, инфаркт миокарда), а во многих случаях и к смерти.

Существующие методы лечения и диагностики таких заболеваний по ряду причин зачастую не приносят должного положительного результата. Это дает основание для поиска более рациональных технических решений, направленных на совершенствование существующих медицинских технологий. Одним из перспективных направлений является разработка медицинских робототехнических систем различного назначения (рис. В.1) [28, 29, 30, 31, 32].

Развивающимся направлением в этой области является создание микророботов, предназначенных для диагностики и лечения трубчатых органов человека. Под трубчатыми органами следует понимать, прежде всего, кровеносные сосуды и различные сегменты желудочно-кишечного тракта.

Рис. В.1. Классификация медицинских роботов

Как правило, такие микророботы используют для своего перемещения один и тот же принцип, заимствованный из живой природы — принцип перемещения дождевого червя, основанный на последовательном сокращении его сегментов. Этот же принцип обеспечивает перистальтику некоторых трубчатых органов, поэтому он получил название — перистальтический. При реализации данного принципа в разработках используются различные типы движителей: гидравлические, пневматические, пьезоэлектрические, на базе сплавов с памятью формы (SMA — Shape Memory Alloy) [34], электромагнитные и др.

Сегодня область применения подобных роботов в медицине довольно узка. В большинстве случаев это роботы для диагностики и лечения сегментов желудочно-кишечного тракта или роботизированные эндоскопы. Их стремительное развитие обусловлено в первую очередь менее жесткими требованиями, предъявляемыми со стороны биологической среды, в которой должен перемещаться микроробот. Одним из основных недостатков, не позволяющих использовать существующие роботизированные эндоскопы для выполнения внутрисосудистых операций, является полное перекрытие полости сосуда при перемещении. Это связано с особенностями строения движителей эндоскопов, обеспечивающих реализацию принципа перистальтики, заключающегося в периодическом сжатии — расширении упругих звеньев движителя с целью фиксации за счет полного прижатия к внутренним стенкам канала. Как правило, в роботизированных эндоскопах используются движители пневматического типа, что неприемлемо при использовании робота в кровотоке. В случае повреждения звена пузырек воздуха может привести к воздушной эмболии и тяжелым осложнениям. Наличие целого ряда ограничений при работе в кровеносных сосудах требует разработки движителей, которые были бы лишены недостатков существующих микроробототехнических систем для диагностики и лечения трубчатых органов.

В МГТУ им. Н. Э. Баумана, начиная с 90-х годов, ведутся работы по созданию внутрисосудистого медицинского микроробота для диагностики и хирургии трубчатых органов, использующего для перемещения перистальтический принцип [4, 42].

Движитель микроробота состоит из трех последовательно соединенных одинаковых по конструкции звеньев. Каждое звено состоит из сильфонной оболочки и четырех упругих пластинчатых контактных элементов (далее по тексту — КЭ), которые крепятся к ее торцам (рис. В.2(а)).

Звенья

Контактные элементы а) Свободное состояние б) Сжатое состояние Рис. В.2. Эндовазальный мини-робот

При сжатии сильфонной оболочки в продольном направлении (рис. В.2(6)) происходит совместный прогиб всех четырех упругих элементов, прикрепленных к одному модулю. Контактные элементы имеют выпуклые площадки, прижимающиеся к внутренней полости трубчатого органа в четырех ортогональных направлениях, чем обеспечивается фиксация микроробота внутри трубчатого органа. Диаметр сильфона значительно меньше диаметра сосуда, поэтому свободный ток крови обеспечивается в любой фазе работы устройства.

Таким образом, микроробот относится к классу устройств перистальтического типа. В отличие от своих аналогов движитель микроробота является гидравлическим, причем рабочей жидкостью является физиологический раствор, чем обеспечивается безопасность для пациента в случае нарушения целостности сильфонной оболочки. Сжатие сильфона происходит за счет снижения давления рабочей жидкости в его полости. При отказе системы управления, или при возникновении иных непредвиденных ситуаций во всех камерах движителя восстанавливается нормальное давление, чем обеспечивается безопасность использования. При этом упругие оболочки транспортных модулей удлиняются (рис. В.2(a)), после чего микроробот может быть извлечен из тела пациента.

Однако, при всей простоте конструкции и принципа перемещения микроробота, работа в кровеносном сосуде предъявляет очень жесткие требования к его системе управления. Оперативное вмешательство на кровеносных сосудах является до настоящего времени одним из наиболее сложных и наименее автоматизированных видов трудовой деятельности в медицинской практике. В ряде случаев хирург, работая вручную с помощью инструмента, оказывается на пределе своих психофизиологических возможностей по точности совершения рабочих движений, по тонкости ощущений и быстроте реакций. К этому надо добавить большую физическую нагрузку, так как зачастую операции продолжаются по нескольку часов. Отсутствие адекватной обратной связи, ограниченные условия наблюдения, работа по интуиции являются источником повышенного эмоционального напряжения. Вместе с тем, очевидно, что человек, использующий свой жизненный опыт и интуицию, не может быть исключен из хирургического процесса и заменен автоматическими устройствами. Внедрение робототехники в первую очередь направлено на улучшение условий работы хирурга, повышение эффективности и качества, выполняемых им манипуляций, а также на обеспечение хирурга оперативной информацией, необходимой для принятия решения в условиях ограниченного временного ресурса. При этом процесс выполнения хирургической операции в ряде случаев должен быть организован таким образом, чтобы основную работу выполняла робототехническая система, а функции хирурга в основном сводились к управлению данной системой, контролю за состоянием пациента, за ходом операции и к принятию оперативных тактических решений.

Поскольку непосредственное управление движением робота со стороны хирурга в условиях дефицита информации является достаточно сложной задачей, то для поддержки его работы целесообразно использовать современные методы искусственного интеллекта. В том числе методы теории конечных автоматов, нечеткой логики и ситуационного управления, разработанные в трудах Л. Заде, Д. А. Поспелова, Л. С. Бернштейна, А. Н. Мелихова, В. Б. Тарасова, А. А. Жданова. Методы искусственного интеллекта нашли применение при решении задач управления роботами в разработках И. М. Макарова, В. М. Лохина, С. В. Манько, Е. И. Юревича, В. Г. Градецкого, В. Е. Павловского, Ю. В. Подураева, А. С. Ющенко. Особенности устройства и применения микророботов в медицине позволяют считать целесообразным применение указанных подходов при создании их систем управления.

Таким образом, одной из наиболее актуальных проблем, существующих при создании медицинской робототехнической системы для внутрисосудистой диагностики и хирургии, является разработка системы управления микророботом', которая обеспечивала бы его автономное перемещение в непрерывном пульсирующем потоке крови, исключая при этом возможность травмирования стенок кровеносных сосудов.

Актуальность темы

исследования заключается в том, что разрабатываемая система управления должна обеспечить возможность управления перемещением внутрисосудистого микроробота, разрабатываемого в МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также его аналогами, имеющими перистальтический принцип перемещения. Принципы адаптивного управления, предлагаемые в данной работе должны заложить отсутствующую сегодня теоретическую основу для создания систем управления микророботов, предназначенных для перемещения в трубчатых органах. Разрабатываемые принципы управления также могут найти применение при разработке микророботов другого назначения, как в медицине, так и в других промышленных областях, таких как диагностика трубопроводов в нефтегазовой отрасли или атомной промышленности.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка принципов и алгоритмов адаптивного автономного управления роботов перистальтического типа. Одной из практических реализаций разрабатываемых принципов является управление внутрисосудистым микророботом, ранее разработанным в МГТУ им. Н. Э. Баумана с участием автора.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены следующие задачи:

• провести анализ существующих медицинских микророботов перистальтического типа, предназначенных для перемещения в трубчатых органах, с точки зрения возможности их использования для диагностики и хирургии кровеносных сосудов;

• определить требования к разрабатываемой системе управления BMP;

• разработать архитектуру системы управления BMP, принципы и алгоритмы управления его перемещением с учетом особенностей биологической среды;

• провести экспериментальные исследования разработанной системы управления BMP методами математического моделирования;

• реализовать прототип системы управления BMP, позволяющий проверить справедливость основных теоретических положений диссертации.

Методы исследования

При решении поставленных задач были использованы методы теории автоматического управления, нечетких множеств, конечных автоматов и ситуационного управления. Разработка программных средств велась с использованием технологии объектно-ориентированного программирования на языке С++.

Математическое моделирование проводилось в среде MATLAB (The MathWorks, Inc.) и с использованием программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS (ANSYS, Inc.).

Научная новизна работы

В диссертации разработана система адаптивного управления внутрисосудистым микророботом (далее по тексту — BMP), перемещающимся с использованием перистальтического принципа и функционирующим в условиях недетерминированной биологической среды. Разработанная система управления имеет многоуровневую структуру, включающую уровни исполнительного, логического, ситуационного и эргатического управления.

Предложена методика адаптивного управления процессом силового взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом, позволяющая регулировать скорость прижатия контактных элементов к стенке сосуда в зависимости от силы прижатия, используя при этом механизм нечеткого логического вывода.

Разработана логическая модель перемещения микроробота перистальтического типа, а также предложен принцип управления перемещением с использованием теории конечных автоматов.

Предложена методика ситуационного управления ориентацией микроробота при перемещении в сосуде, позволяющая распознавать текущую ситуацию, осуществлять выбор и принятие решения, наиболее соответствующего данной ситуации и при необходимости формировать управляющее воздействие, направленное на обход препятствие.

Практическая ценность

Создано и апробировано программное обеспечение, которое может найти применение для управления медицинскими микророботами перистальтического типа, предназначенными для перемещения в трубчатых каналах организма человека.

Разработанные система управления и соответствующее программно-алгоритмическое обеспечение могут найти применение не только в медицинской области, но и в промышленных направлениях, связанных с технической диагностикой трубопроводов малого диаметра.

Разработанный в рамках экспериментальной части диссертации прототип системы управления может быть использован для проведения обучения персонала работе с микроробототехнической системой. Его испытания показали работоспособность и эффективность предложенных в диссертации решений.

Внедрение

Проведенная работа является частью фундаментальных исследований в области применения теории нечетких множеств, нечеткой логики и теории ситуационного управления для управления робототехническими системами, которые проводились на кафедре «Робототехнические системы», а также исследований в области медицинской робототехники на факультетах «Биомедицинская техника» и «Радиоэлектроника и лазерная техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана в течение последних лет.

Результаты диссертационной работы были использованы в МГТУ им. Н. Э. Баумана при разработке системы управления микроробота для внутрисосудистой диагностики и хирургии, проводимой в рамках НИР по теме «Исследование и разработка внутрисосудистого медицинского микроробота для диагностики и хирургии» (ФЦН111 «Исследования и разработки по приоритетным направления развития науки и техники» на 2002;2006 годы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы») и Государственного контракта от «09» августа 2007 г. № 02.523.12.3009 (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы»).

Апробация работы

Основные результаты, диссертационной работы докладывались на 16-й и 18-й Всероссийских научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» в Государственном Научном Центре ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург, Россия) в 2005 г. и 2007 г., на Международном симпозиуме по микрои нано технологиям и системам (г. Москва, Россия) в 2007 г. и на Конференции по результатам выполнения мероприятий федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 годы» по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы» .

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в двенадцати печатных работах, втом числе в двух публикациях в журналах «Мехатроника, автоматизация, управление» и «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника», входящих в перечень ВАК.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 190 печатных страниц, включая рисунки, список литературы и приложения. Библиография содержит 51 наименований^ из них 8 иностранных источников.

Выводы и заключение

В рамках данной: диссертации автором была разработана адаптивная система управления внутрисосудистым медицинским микророботом, предназначенным для работы в условиях частично недетерминированной биологической среды.

В работе получены следующие научно-технические результаты.

1) Разработана многоуровневая архитектура системы управления внутрисосудистым медицинским микророботом, использующим перистальтический принцип перемещения.

2)' Предложен метод адаптивного управления скоростью прижатия контактного элемента движителя к стенкам сосуда с учетом усилий, возникающих в зоне контакта.

3) Разработана математическая модель логического управления перемещением микроробота на базе теории конечных автоматов, позволяющая' реализовать перистальтический принцип перемещения движителя в трубчатом органе.

4) Предложен принцип косвенных измерений, позволяющий обеспечить управление движителем без использования датчиков, расположенных в зоне контакта микроробота с сосудистой стенкой.

5) Разработана методика управления ориентацией микроробота в сосуде, особенностью которой является сочетание принципов ситуационного управления и механизма нечеткого логического вывода для принятия решения об управлении.

6) Сформулированы основные эргономические требования к организации интерфейса хирурга-оператора, включающие требования к системе представления информации оператору, к органам ручного управления и системе управления роботом.

7) Разработан и создан программно-аппаратный комплекс, с помощью которого были проведены экспериментальные исследования, подтвердившие-основные теоретические результаты диссертации.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1) Предложенные в диссертации методы, и алгоритмы управления, микророботами перистальтического типа, основанные на применении методов^ теории ситуационного управления, конечных автоматов и нечеткой логики, позволяют построить систему управления внутрисосудистым микророботом, обеспечивающую надежное функционирование робота в условиях частично-недетерминированной биологической среды.

2) Применение предложенных методов адаптивного управления, в том числе при управлении усилием фиксации и ориентацией движителя в сосуде, позволяет снизить риск травмирования пациента.

3) Использование метода ситуационного управления, позволит обеспечить поддержку оператора в принятии управленческих решений в ходе выполнения операции, существенно упростит его работу и повысит эффективность работы микроробототехнической системы.

4) Разработанный программно-аппаратный комплекс системы управления позволяет проводить экспериментальные исследования и отладку различных прототипов внутрисосудистых микророботов. Он может быть также использован в качестве тренажера для обучения хирургов работе с робототехнической системой.

Полученные в диссертационной работе научно-технические результаты использованы при разработке системы управления внутрисосудистым медицинским микророботом для диагностики и хирургии в МГТУ им. Н. Э. Баумана, что подтверждается прилагаемым актом о внедрении. Отдельные результаты работы вошли в курсы «Управление робототехническими комплексами» и «Моделирование роботов», читаемые на кафедре

Робототехнические системы" в Ml ТУ им. Н. Э. Баумана для студентов специальности 220 402 — «Роботы и робототехнические системы».

Предложенные в работе принципы управления внутрисосудистым микророботом могут найти применение при создании микроробототехнических систем для диагностики и хирургии трубчатых органов человека, а также в различных задачах технической диагностики.