Telemanipulacje dla medycyny i przemysłu

Manipulatory i systemy, które sterują robotami na odległość, będzie można wykorzystywać również w przemyśle, w miejscach trudno dostępnych i niebezpiecznych dla człowieka, np. do zadań w elektrowniach jądrowych, laboratoriach, wojskowości, a nawet w kosmosie.

Pracą nad doskonaleniem systemów telemanipulacyjnych kieruje elektronik biomedyczny, dr inż. Paweł Kostka z Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Jego trzyletni projekt o akronimie TeleRobinSurgery zaczął się w 2012 roku. Obejmuje opracowanie i badania nowych rozwiązań technicznych dla zdalnie sterowanych operacji chirurgicznych za pomocą robotów Robin Heart. Te rozwiązania to tzw. systemy nadążne (ang. master-slave). Są one przeznaczone są do wykonywania telemanipulacji, gdy operator i ramię wykonawcze znajdują się w różnych miejscach. Mogą one śledzić ruch ręki operatora (master) lub jego wolę wyrażoną poprzez gesty czy np. polecenia. Element podwładny (slave), czyli ramię robota manipulacyjnego, potrafi działać w miejscu trudno dostępnym.

OPERACJE MOŻLIWE NAWET W SKALI MIĘDZYNARODOWEJ

Roboty medyczne umożliwiają lekarzom stosowanie zminiaturyzowanych narzędzi, mniej inwazyjnych niż tradycyjne. Dzięki możliwości skalowania ruchów docierają one z większą precyzją nawet do bardzo naczyń i tkanek. Ale przede wszystkim pozwalają na wykonywanie operacji na odległość.„W programie zwanym w skrócie „Tele-Manipulacje” przygotowujemy rozwiązania sprzętowe i programowe systemu telemanipulatora, badamy istotne parametry związane z jego funkcjonalnością i bezpieczeństwem pracy na małe i duże odległości” – mówi dr inż. Kostka. Jak tłumaczy, dzięki nowym technologiom chirurg w swoim "centrum dowodzenia" jest w bardziej ergonomicznej i tym samym mniej męczącej pozycji oraz może być bardziej skupiony, niż wtedy, gdy stoi bezpośrednio przy stole operacyjnym. Manetkami, które trzyma w dłoniach, wykonuje ruchy w wygodnej dla niego przestrzeni makro, czyli do kilkunastu cm. Końcówka narzędzia mechatronicznego wykonuje wtedy ruchy w zakresie części czy pojedynczych mm, jeśli jest taka potrzeba. Dzięki temu poprawia się precyzja wykonywania operacji na bardzo małych naczyniach, np. by-passy, pomostowanie serca (średnica naczyń kilka mm) czy małych organach w obrębie jamy brzusznej. Dodatkowo lekarz ma do dyspozycji obraz dobrej jakości o rozdzielczości HD również w postaci trójwymiarowej.

Technologie opracowane w projekcie "Tele-Robin" mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w medycynie. Systemy mechatroniczne i rozproszonego sterowania będzie się dało zaadaptować do aplikacji przemysłowych w miejscach trudno dostępnych dla człowieka ze względu na panujące tam szkodliwe czynniki np. w elektrowniach jądrowych, ale również w systemach wojskowych lądowych, wodnych i powietrznych, miejscach zagrożenia jako wyposażenia służb ratowniczych, a także specjalistycznych laboratoriach, o bardzo dużym poziomie czystości i sterylności, z ograniczonym dostępem osób z zewnątrz. "System działa jako całość, ale jest podzielony na dwa moduły. Te dwie części +widzą się+ i wymieniają potrzebne dane z częstotliwością 200-1000 razy na sekundę. Jest to możliwe dzięki nowoczesnym sterownikom sprzętowym, które częściowo przygotowujemy lub adaptujemy, nowym technologiom sieci globalnej i oprogramowaniu, którego tworzeniem zajmuję się bezpośrednio" – mów dr inż. Kostka.

WYZWANIE: WALKA Z OPÓŹNIENIEM SYGNAŁÓW

Oprócz sygnałów manipulacyjnych pomiędzy dwoma ośrodkami, gdzie realizowane są testy, dane muszą być przesyłane w systemie dane audio/wideo. I tu inżynierowie napotykają główne wyzwanie. Chodzi o to, aby jak najszybciej przetransportować obraz na duże odległości. Trudność polega na tym, że obraz w wysokiej rozdzielczości standardu HD zawiera w sobie bardzo duże ilości danych, które muszą dotrzeć z pola operacyjnego przez system endoskopowy do operatora w innym miejscu. Akceptowalne są jedynie nieduże opóźnieniami, inaczej lekarzom trudno skoordynować ruchy z obrazem, jaki dociera do ich oczu. Szybkość docierania sygnału do operatora jest kluczowa dla powodzenia operacji. Największym źródłem opóźnień nie jest wbrew pozorom sama transmisja sygnału, ale najwięcej czasu "pożera" konieczna zmiana jego formatu z oryginalnego na ten przystosowany do przesyłu w sieci ethernetowej.

"Obraz z kamery medycznej czy przemysłowej musi zostać przekonwertowany bez znaczącej utraty jakości. Konwersja, czyli zmiana formatu obrazu musi nastąpić u źródła, gdzie obraz jest pobierany, później łączem ethernetowym obraz jest przesyłany do operatora i tam znów musi być przekonwertowany by zostać wyświetlony na monitorze czy innych elementach wizyjnych” – wyjaśnia dr inż. Kostka.

Uczeni przeprowadzili eksperyment telemanipulacji Zabrze – Katowice. Była to zdalna operacja oraz przesył obrazu między FRK a "Zwierzętarnią", czyli Centrum Doświadczalnym Śląskiego Uniwersytetu Medycznego, gdzie przeprowadzane są badania na etapie testów przedklinicznych. Testy pokazały, że progiem opóźnienia akceptowalnym pomiędzy torem wizyjnym a manipulacyjnym jest 200-250 milisekund. Przy większym opóźnieniu człowiek traci koordynację ruchowo-wzrokową. „Mózg ma trudności w sterowaniu naszym organizmem, jeśli efekty naszych akcji widzimy po stosunkowo +długim+ czasie, a musimy działać cały czas on-line” – tłumaczy rozmówca PAP.

Oprócz problemu opóźnień między torem wizyjnym a manipulacyjnym - bardzo duża grupa badań dotyczy poprawy systemu bezpieczeństwa. Uczeni chcą przewidzieć wszystkie sytuacje krytyczne i awarie, jakie mogą zaistnieć podczas teleoperacji i opracować algorytmy reakcji. Wprowadzają do systemu odpowiednie czujniki i zabezpieczenia programowe. Wszystkie czujniki, które znajdują się w systemie, zarówno te, które czytają położenie dłoni operatora, jak i te nadzorujące pracę ramienia robota są zdublowane, a ich odczyty na bieżąco porównywane. W przypadku powstania podejrzenia awarii system powinien to wykryć oraz zareagować bezpiecznym zatrzymaniem systemu umożliwiającym usunięcie ramienia, a operacja jest wówczas kontynuowana w sposób tradycyjny.

KOSZTY URZĄDZEŃ SĄ WYSOKIE

„Aby mierzyć opóźnienia, potrzebujemy przygotować specjalne stanowiska badawcze. To nie są typowe stanowiska, które można kupić gotowe. Tworzymy je kupując komponenty i wtłaczając w ich +mózg+ przygotowane przez nas oprogramowanie sterujące. Pozwala to uzyskać cenne, unikatowe wyniki badań, które będą decydowały o końcowym kształcie systemu telemanipulatora i zweryfikują jego działanie” – mówi dr inż. Kostka.

Projekt otrzymał grant NCBR wart 2 mln 370 tysięcy złotych. Jako główny obiekt do testów powstaje innowacyjne ramię telemanipulatora. Ramię wykonane z lekkich materiałów kompozytowych wyposażone w zestaw nowoczesnych czujników ruchu dla badania dokładności odtwarzania trajektorii zadanej zdalnie przez operatora. Jest ono mniej podatne na drgania i łatwiej sterowalne. Jego koszt wraz z narzędziami operacyjnymi to ok. 400 tys. zł. W projekcie potrzebne są również symulatory, podobnie jak w przemyśle samochodowym, czy lotniczym. Taki trenażer pozwala chirurgowi czy operatorowi w przemyśle nauczyć się kontrolowania pracy przy zadanym i regulowanym opóźnieniu - oraz wyznaczać podczas badań na stosunkowo dużej liczbie osób wartości progowych i granicznych.

„Koszty przygotowania tych stanowisk są bardzo duże. Profesjonalne konwertery video podobne są do tych używanych przy transmisjach +na żywo+ wydarzeń sportowych czy kulturalnych w TV, niezawodne silniki ze sterownikami, jednostki sterowników itp. to koszty setek tys. zł. Dla przeprowadzenie teleoperacji na duże odległości konieczne jest również przygotowanie i rezerwacja miejsca i przepustowości w łączach telekomunikacyjnych - to też niebagatelne wydatki, choć staramy się pozyskać wsparcie głównych operatorów na rynku tej branży” – zapewnia dr inż. Kostka. Zaznacza, że systemy światowe tzw. trenażerów operacji małoinwazyjnych światowe są bardzo drogie i nie zawsze funkcjonalne.

Polskie rozwiązania bazują na symulatorach z elektronicznymi i mechanicznymi systemami treningowymi oraz tych z naturalnymi tkankami i narządami odzwierzęcymi, pochodzącymi głównie od świń. "W bezpiecznym środowisku laboratoryjnym, w warunkach bardzo zbliżonych do tych z operacji małoinwazyjnej (MIS), adept sztuki chirurgicznej zanim wejdzie na salę operacyjną może już uczyć się wykonywania pewnych procedur chirurgicznych” – opisuje te treningi dr inż. Kostka. W pierwszym roku trwania projektu powstał już system telesterowania, który umożliwił testowe manipulacje zrobotyzowanym ramieniem kamery umieszczonej w laboratorium FRK przez operatorów z konferencji i warsztatów chirurgicznych w Krakowie oraz we Włoszech. Rozproszony system sterowania zadziałał prawidłowo. Podczas tworzenia projektów nowych trenażerów jak i podczas ich wykorzystania, np. na warsztatach chirurgii małoinwazyjnej organizowanych corocznie przez FRK inżynierowie współpracują z chirurgami i ekspertami, m.in. dr Joanną Śliwką-Łoś czy dr Michałem Zembalą ze Śląskiego Centrum Chorób Serca, kierowanego przez prof. Mariana Zembalę.

Pomysłodawcą, koordynatorem, twórcą założeń, planowania operacji i wielu rozwiązań mechatronicznych projektu polskiego robota chirurgicznego Robin Heart jest od 2000 roku dr hab. Zbigniew Nawrat wraz z mentorem tego projektu - nieżyjącym już - prof. Zbigniewem Religą.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Olszewska

kol/ agt/