Глава 1. Медицинская робототехника — новое медико-технологическое направление науки и техники

1.1. Цели создания и интердисциплинарная структура медицинской робототехники

Медицинская робототехника — это новое медико-технологическое направление науки и техники, предметная область которой формируется путем синергетики знаний и современных технологий трех базовых областей — высокотехнологичной медицины, интеллектуальной робототехники и биотехнологий.

Важно отметить, что в течение многих десятилетий перечисленные сферы деятельности развивались весьма обособленно как в науке и образовании, так и в практических приложениях. Уровень сложности и предметной новизны задач, которые стоят перед медицинской робототехникой, потребовали создания и применения оригинальных подходов решения системных проблем на междисциплинарных стыках базовых фундаментальных областей. При этом ведущая роль в становлении и развитии медицинской робототехники принадлежит методам интеллектуализации и цифровизации ключевых технологий и систем, которые положены в основу современной научно-технической политики Российской Федерации.

Целью медицинской робототехники является повышение качества лечения пациентов на этапах исследования и диагностики, при выполнении медицинских операций и хирургических вмешательств путем системного сочетания медицинских, робототехнических и биологических методов. При этом достигается ряд следующих лечебных и социально-экономических эффектов [1]:

• ранняя диагностика заболеваний, в том числе путем применения цифровой обработки и компьютерного анализа показаний медицинских приборов и визуализации изображений;
• малая инвазивность хирургии и снижение интраоперационной кровопотери благодаря проведению хирургических вмешательств с минимальным повреждением структуры здоровых тканей и минимальным нарушением их функций;
• сокращение времени выполнения операций вследствие высокоточных методов позиционирования, интеллектуального планирования и навигации движения медицинских инструментов;
• удобство работы и снижение утомляемости врачей и медицинского персонала, практическое исключение мануальных врачебных ошибок;
• высокий уровень 3D-визуализации операционного поля и видеографики движений медицинских инструментов;
• сокращение времени госпитализации и реабилитации пациентов после сложных операций за счет снижения инвазивности процедур и повышения точности роботизированных манипуляций;
• диагностика и контроль критически важных параметров состояния пациента в реальном времени при хирургическом вмешательстве.

Основной целью коллаборации робототехники и медицины является повышение эффективности лечения и уменьшение рисков нанесения вреда здоровью пациентов при выполнении обследований и хирургических вмешательств. Поставленная цель достигается через целенаправленный научно-технический поиск интеллектуальных роботизированных систем и технологий, позволяющих принципиально превысить возможности естественных систем человека путем роботизированного выполнения медицинских операций.

Следовательно, и медико-роботизированные системы надо воспринимать как интеллектуальный медицинский инструментарий, функциональные возможности которого используются исключительно в рамках плана лечения, ограничительных условий и полного контроля со стороны врачей и медперсонала.

Интердисциплинарный предмет медицинской робототехники (МР) определяет системный характер ее структуры. Это означает понимание медицинской робототехники как целостной системы как с точки зрения структурных компонентов в их взаимосвязи, так и по применяемым медицинским, роботизированным и биотехническим технологиям.

Основные структурные компоненты МР и взаимодействие между ними можно наглядно проиллюстрировать в виде цветовой графической модели «Пирамида медицинской робототехники» (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структурная модель «Пирамида медицинской робототехники»

Три базовых направления развития современной медицинской робототехники графически представлены как координатные векторы. К ним отнесены три фундаментальные области: высокотехнологичная медицина, интеллектуальная робототехника и биотехнологии. Безусловно, достигнутый высокий уровень развития базовых областей позволил сегодня ставить и успешно решать научные и практические задачи по созданию и внедрению МР.

Отметим, что каждая из трех указанных областей в свою очередь является интердисциплинарной системой. Например, современная мехатроника (рис. 1.2) построена путем интеграции прецизионной механики, микроэлектроники и информационных технологий, реализующих компьютерное проектирование и управление роботами, в том числе с использованием методов искусственного интеллекта [2].

Подчеркнем, что в мехатронике структурные взаимосвязи элементов разной физической природы (механических, электротехнических, программных, сенсорных и т.д.) дали толчок к разработке и применению мехатронных (по сути, гибридных) технологий. Подробнее вопросы проектирования и программирования современных роботов рассмотрены в разделе 1.2 и главах 2 и 3.