Области применения биомедицинской радиоэлектроники
УДК: 621.396; 615.47
Радиоэлектронные и биотехнические технологии в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП и в научных исследованиях по адаптивной первичной обработке биоэлектрических сигналов
Л.А. Кулыгина
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Radioelectronic and biotechnical technologies in the educational activities of the medical radioelectronics department in SUAI and in the scientific research on the adaptive primary processing of bioelectric signals
L.A. Kulygina
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation
Аннотация . Статья посвящена учебным и научным технологиям в сфере современной биомедицинской радиоэлектроники, используемым на кафедре медицинской радиоэлектроники ГУАП. Обоснована целесообразность разработки и внедрения первой в России образовательной технологии в виде параллельного двойного высшего образования, объединяющего радиоэлектронику и биотехнические системы и технологии. Анализируются четыре направления современной радиоэлектроники для медицины. Излагаются задачи научных разработок по созданию метода и устройства адаптивной аналого-цифровой обработки сигналов биоэлектрической активности клеток, тканей и органов живых систем и пути их решения на основе применения в медицине методов помехозащищенной обработки сигналов в радиоэлектронных системах.
Abstract. The paper is devoted to the educational and scientific technologies in the field of modern biomedical radio electronics, applied in medical radioelectronics department of SUAI. On the basis of biomedical radioelectronics development achievements and progress analysis the necessity of application of the first Russian new educational technology has been shown – parallel double higher education, uniting radioelectronics and biotechnical systems and technologies. Four directions of modern radioelectronics have been analyzed for the medicine goals. The problems of scientific development regarding the method and device for adaptive analog-and-digital processing of signals of bioelectric activity of cells, tissues, and organs of the living systems as well as the ways of their decision on the basis of the radioelectronic signals antijamming processing methods application in medicine, have been listed.
|
|
|
Ключевые слова: биомедицинская радиоэлектроника, параллельное двойное высшее образование, электрокардиография сверхвысокого разрешения, адаптивная аналого-цифровая обработка, синхронный анализ, биоэлектрические сигналы.
Keywords: biomedical radioelectronics, parallel double higher education, electrocardiography of very high resolution, adaptive analog-digital processing, synchronous analysis, bioelectric signals.
Реферат
Статья посвящена учебным и научным технологиям современной биомедицинской радиоэлектроники.
В разделе 1 – «Введение» – обосновывается целесообразность введения параллельного двойного высшего образования, объединяющего радиоэлектронику и биотехнические системы и технологии.
В разделе 2 – «Области применения биомедицинской радиоэлектроники» – анализируются основные направления современной биомедицинской радиоэлектроники применительно к научным разработкам и учебным планам подготовки будущих специалистов в Санкт-Петербургском университете аэрокосмического приборостроения (ГУАП).
|
|
|
В разделе 3 – «Тематика медицинской радиоэлектроники в учебной работе кафедры медицинской радиоэлектроники и НОЦ БРЭЙ ГУАП» – приводится история научных разработок по тематике медицинского приборостроения в вузе и методика преподавания по учебным планам параллельного двойного образования.
В разделе 4 – «Научные исследования по адаптивной первичной обработке биоэлектрических сигналов» – излагаются цель, задачи и пути решения научной проблемы развития современной электронной элементной базы и информационных технологий. При этом необходимо учитывать широкие диапазоны изменения амплитудно-частотных характеристик обрабатываемых кардиосигналов у разных объектов исследований и наличие помех различной природы, связанных как с жизнедеятельностью биообъекта, так и с внешними источниками электромагнитных полей.
Summary
The paper is devoted to educational and scientific technologies of modern biomedical radioelectronics.
In division 1 – «Introduction» – the expediency of the parallel double higher education introduction, uniting radioelectronics and biotechnical systems and technologies, is grounded.
|
|
|
In division 2 – «Biomedical radioelectronics application areas» – the history of scientific researches in the university regarding the medical instrumentation as well as teaching methodology by education plan of future specialists teaching in Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation (SUAI) have been considered.
In division 3 – «The subject of medical radioelectronics at the medical radioelectronics department of SUAI and at the Research and Education Center «Biomedical electronics and computer science» – the history of scientific developments in medical instrumentation in university as well as the teaching methodology by the education plans of parallel double education have been discussed.
In division 4 – «Scientific researches on the adaptive primary processing of bioelectric signals» – the goal, problems and ways to solve the scientific problem of modern electronic elementary base and information technologies development are listed. It is thus necessary to take into account the wide ranges of the processed cardiosignals amplitude-frequency characteristics variation for the different objects of researches, and the presence of jams of different nature, related both to the vital functions of bio-object and to ambient electromagnetic fields.
Введение
Радиоэлектроника в медицине и биологии с каждым годом укрепляет свои позиции. О широком использовании радиоэлектроники в медицине свидетельствуют международные конгрессы, выставки и научные конференции. Однако несмотря на огромные достижения биомедицинской радиоэлектроники, вклад ее в медицину должен быть увеличен. Быстрое расширение в последние десятилетия перечня электронных, радиоэлектронных и компьютеризированных медицинских технологий, номенклатуры медицинского оборудования и его усложнение потребовало своевременного совершенствования учебных программ подготовки квалифицированных специалистов в такой области техники, как биомедицинская компьютеризированная радиоэлектроника. Для выпускников такой радиоэлектронной специальности открывается широкое поле деятельности в медицине и биологии.
|
|
|
В 1992 году в ГУАП по инициативе д.т.н., проф. К.В. Зайченко в рамках специальности «Радиоэлектронные системы» была официально открыта специализация «Медико-биологические электронные компьютеризированные системы», которая частично решала задачу подготовки специалистов в области биомедицинской радиоэлектроники. Однако подготовить выпускника – всесторонне образованного специалиста в биомедицинской компьютерной радиоэлектронной инженерии – за счет дисциплин специализации учебного плана оказалось невозможно. Кто хоть немного знаком с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки «Биотехнические системы и технологии», понимает, что и здесь только за счет дисциплин специализации, невозможно дать студентам знания современных сложных радиоэлектронных медицинских систем. Решить задачу подготовки всесторонне образованных специалистов можно только объединив две эти учебные программы.
В 1993 году специально для реализации программы двойного образования силами Государственной академии аэрокосмического приборостроения (ГААП), так тогда назывался ГУАП, и Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова (СПбГМУ) было создано новое образовательное учреждение – Международный медико-технический университет, при организации которого ГААП и СПбГМУ выступили соучредителями. Позднее он был переименован в Санкт-Петербургский Медико-технический институт (МТИ) и явился полигоном для апробации инновационных технологий обучения при подготовке врачей с углубленным знанием современной медицинской техники и инженеров в области медицинской техники с усиленной медицинской подготовкой. В МТИ производился набор студентов по специальности 190500 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы», причем на обучение принимались студенты, одновременно обучающиеся в ГУАП по специальности 201600 «Радиоэлектронные системы» с медицинской специализацией. Появилась новая образовательная технология – параллельное двойное высшее образование. С 2008 года такая подготовка специалистов параллельно по специальности «Радиоэлектронные системы» и бакалавров и магистров по направлению «Биомедицинская инженерия» велась непосредственно в ГУАП.
После введения в России новых Федеральных образовательных стандартов, с 2011 года кафедрой проводится подготовка специалистов по программе двойного образования, объединяющего специальность 210601 «Радиоэлектронные системы и комплексы», а также бакалавров и магистров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии». Опыт и знания, накопленные за все эти годы, позволяют кафедре медицинской радиоэлектроники ГУАП готовить специалистов, знающих самую сложную современную зарубежную и отечественную электронную компьютеризированную биомедицинскую технику, способных заниматься ее разработкой, эксплуатацией и ремонтом в системе практического здравоохранения. Это направление учебного процесса кафедры взаимосвязано с двумя другими образовательными программами кафедры медицинской радиоэлектроники ГУАП [1, 2](нс)[*].
Постановка всех видов учебного процесса на кафедре всегда связана с проведением научных исследований. Это позволяет определить важнейшие научные проблемы применения радиоэлектроники в медицине, правильно ориентировать учебный процесс на потребности сегодняшнего здравоохранения. Подтверждением этого являются настоящие многочисленные научные разработки кафедры, посвященные помехозащищенной обработке биомедицинских сигналов, ряд из которых имеет статус фундаментальных. Кафедра имеет прочные связи с медицинскими вузами и лечебно-профилактическими учреждениями, с одной стороны, и производственными предприятиями, с другой. Это способствует постоянному совершенствованию учебного процесса.
Области применения биомедицинской радиоэлектроники
С середины ХХ века технические методы в медицине развивались очень высокими темпами, что связано, в частности, с разработками в военно-промышленном комплексе. Тогда же началось широкое использование в медицине и биологии радиоэлектроники. Достаточно вспомнить, что уже в 1957 г. при АН СССР академик А.И. Берг, крупный специалист в области радиотехники и электроники, сыгравший выдающуюся роль в становлении отечественной кибернетики, основал секцию «Применение радиоэлектроники в биологии и медицине». Области применения медицинской радиоэлектронной техники чрезвычайно разнообразны, и сферы деятельности радиоинженеров в медицине расширяются.
Возникновение понятия «радиоэлектронное средство», так же, как и понятия «радиоэлектроника», связано с тем, что, несмотря на существование двух различных областей знаний (радиотехника и электроника), их реализация в технических средствах обычно происходит совместно, неразрывно, образуя единые комплексные принципы действия. Как это отмечено в [3], «понятие «радиоэлектроника» сформировалось за последнее пятидесятилетие как расширение понятия радиотехника в ходе технического освоения электромагнитных и акустических волн и достижений современной электроники. Радиоэлектроника охватывает радиотехнику, оптоэлектронику и акустоэлектронику».
Радиоэлектроника связана с компьютерной техникой, т.к. последняя включает электронные устройства, осуществляющие обработку информации (выделение полезного сигнала из помех, цифровое измерение параметров, визуализация). Компьютеры используются также для ведения статистики и моделирования радиоэлектронных систем, отдельных элементов в них, процессов, происходящих в сложных радиоэлектронных системах.
Современную медицинскую радиоэлектронику – можно укрупнено разделить на четыре основных направления [3, 4]:
- биорадиолокационные системы (активная и пассивная диагностическая локация);
- радиоэлектронные системы (РЭС) передачи информации (биотелеметрия, телемедицина, каналы передачи сигналов управления в биомедицинских АСУ);
- энергетические (РЭС) биомедицинского воздействия (терапевтические, хирургические, биостимуляторы);
- РЭС управления (медицинские биороботы, технические средства помощи инвалидам).
Разбирая классификацию радиоэлектронных средств, отметим, что в зависимости от характера решаемых задач, выделяют информационные и энергетические комплексы, системы и устройства [3]. Так информационные радиоэлектронные средства и системы решают задачи:
- извлечения информации;
- передачи информации на расстояние;
- информационного обеспечения систем управления;
- сохранения общих информационных возможностей в условиях массового применения взаимно мешающих средств радиоэлектроники;
- избирательного умышленного разрушения (искажения) информации.
К энергетическим РЭС применительно к медицине относятся средства лазерной и ультразвуковой хирургии, лазерной сварки, высокочастотной и ультразвуковой терапии и т.д.
Природа используемых в радиоэлектронике волновых процессов, прежде всего, отражена в диапазонах частот (длин волн) электромагнитных колебаний [3], которые начинаются с 3÷30 Гц и кончаются рентгеновским излучением (жесткие лучи) 0,03÷3×104 ЭГц. Иногда к электромагнитным относят и гамма-излучение (частота > 6×1019 Гц). К радиоволнам относят электромагнитные волны с частотой колебаний 3 кГц … (3÷6) ТГц. Рассмотрение этих диапазонов для биомедицинской радиоэлектроники приводит нас, прежде всего, к изучению механизма действия электромагнитных излучений всего частотного диапазона на живой организм. Исследования в этой области, начавшиеся еще в XIX веке, привели к появлению разнообразных терапевтических приборов [5, 6]. Нагревание тканей человека при прохождении через них тока высокой частоты (диатермия) было открыто уже в 1891 г. сербом Н. Тесла. В лечебной практике сейчас широко используются постоянные электрические токи, переменные токи низкой и средней частоты, электрическое поле постоянное, высокой и ультравысокой частоты, электромагнитное излучение радиочастотного, ультразвукового и оптического диапазонов, магнитное поле как постоянное, так и импульсное, низкой и высокой частоты.
Тенденции в развитии физиотерапевтической аппаратуры состоят в применении новых факторов физического воздействия, использовании биологической обратной связи, синхронизации с биоритмами пациента, саморегулировании. Важным для физиотерапии представляется использование одновременных методов воздействия как на отдельные органы, так и на весь организм в целом. Новейшее направление радиоэлектроники – биорезонансная терапия [7]. Информацию для биорезонансной терапии несут волны миллиметрового диапазона. Сначала определяются индивидуальные частоты электромагнитных излучений для пациента при воздействии на разные участки тела. Реакцию больного на разные длины волн контролируют, следя за показаниями энцефалографа.
Особый интерес для связи биомедицинской радиоэлектроники представляют электромагнитные излучения, которые генерирует сам организм в процессе функционирования. Это излучение называют собственными физическими полями организма человека [8]. Наиболее важное его приложение – это исследование состояния различных органов человека с помощью пассивной регистрации собственного электромагнитного или акустического излучения данного органа либо каких-либо других участков тела, связанных с исследуемым органом нервными или гуморальными связями. Из-за нестационарности биообъектов необходимо регистрировать сигналы по многим каналам одновременно, включая электрофизиологический контроль. Для получения пространственной структуры поля в каждом канале необходимо использовать матричные или сканирующие антенны. Аппаратура должна быть достаточно быстродействующей, чтобы успевать регистрировать сигналы в динамике, т.е. быстрее, чем изменяется состояние объекта. Практически во всех каналах необходимо тщательное экранирование от помех.
Выделяют четыре основных диапазона электромагнитного излучения человека и три диапазона акустического излучения, в которых ведутся медико-биологические исследования [8]. В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля включают в себя:
- низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 103 Гц);
- радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109-1010 Гц, длина волны вне тела 3-60 см);
- инфракрасное (ИК) излучение (частота 1014 Гц, длина волны 3-10 мкм);
- оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).
Все эти диапазоны используются в современной радиоэлектронике. В биомедицинской радиоэлектронике такой выбор диапазонов обусловлен оценками информативности различных диапазонов для медицины. Низкочастотные поля создаются, главным образом, при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов. В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение. Излучательная способность тела – количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям – зависит от длины волны λ и абсолютной температуры тела T°. ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3-10 мкм, где оно максимально. ИК-тепловидение это способ оценить кожный кровоток в различных участках тела. Регистрируя размер областей со сниженной температурой, можно определить степень выраженности заболевания, а также эффективность терапевтических мероприятий. При его помощи контролируют развитие болезни Рейно – симметричной гангрены – заболевания человека, обусловленного поражением вегетативной нервной системы.
Разработан и внедрен в широкую лечебную практику метод скрининговой экспресс-диагностики: пунктурное тепловидение. Оно существенно раздвинуло границы диагностических возможностей тепловидения и является столь же универсальным и информативным, как рентген, выгодно отличаясь безвредностью и технической простотой [7]. В свою очередь СВЧ-радиометрия в настоящее время может производить диагностику злокачественных опухолей различных органов: молочной железы, мозга, легких, метастазов, а также функционального состояния коры головного мозга. Следует отметить,
что контактные измерения электрического поля уже давно находят применение в медицине, прежде всего в кардиографии и электроэнцефалографии.
В последние десятилетия появились магнитные аналоги кардиографии и энцефалографии, т.е. магнитокардиография и магнитоэнцефалография. Как следует из теории электромагнетизма, строение источника тока в электропроводящей среде (организме) и неоднородность самой этой среды существенно по-разному отражаются на распределении магнитных и электрических полей: некоторые виды биоэлектрической активности проявляют себя преимущественно в электрическом поле, давая слабый магнитный сигнал, другие – наоборот, а поэтому есть много процессов, наблюдение которых магнитографически предпочтительнее. Магнитография позволяет исследовать процессы не только в коре больших полушарий, но и в глубоких структурах мозга и не только отклики на возбуждение органов чувств, но и более сложные процессы. При помощи изменения магнитных полей можно судить также о физиологическом состояниях мышц, внутренних органов, кожи, глаз. В отличие от электрокардиографии, магнитокардиограф не требует контакта датчика медицинского прибора с телом обследуемого, т.е. является бесконтактным методом. В ряде случаев он может дать новую по сравнению с ЭКГ информацию. В качестве датчика для магнитокардиографа обычно используют тороидальную катушку с большим количеством витков, которую размещают по возможности ближе к грудной клетке пациента, находящегося в положении лежа или сидя. Сигнал от датчика через усилитель регистрируется на самописце, в качестве которого можно использовать электрокардиограф.
Акустические колебания также несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов. Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), а со стороны коротких волн - ультразвуковым излучением. В частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц. Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01-103 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами. Источником акустического изучения мегагерцового диапазона является тепловое акустическое излучение – полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.
Поиск бесконтактных методов является крайне важным для оценки функционального состояния человека. Бесконтактные методы оценки функционального состояния используют воздействие на объект различных видов низкоэнергетических излучений с последующей регистрацией возмущений создаваемого поля (ультразвукового, оптического, радиочастотного). Это, в частности, позволяет размещать устройства съема информации не на поверхности тела оператора, а на штатном оборудовании его рабочего места (штурвале, рулевом колесе, специальном кресле, в шлеме и т. д.). Особенно важен последний подход в авиации. Бесконтактный контроль состояния летчика и своевременная передача управления второму пилоту, переход на режим «автопилота» или даже катапультирование, обеспечивают необходимую безопасность полетов [9].
Основной трудностью при практической реализации аппаратуры для неконтактных методов является их низкая помехозащищенность, а именно наличие высокоамплитудных артефактов движения, делающих сложной регистрацию полезного сигнала. Таким образом, изучение изменения физических полей человека является очень важным для диагностики многих заболеваний.
Широко используется в медицине активная локация. Современные методы биорадиолокации дают возможность регистрировать на расстоянии физиологические параметры людей [2], а поэтому основными приложениями ее методов, могут являться, а некоторые уже и используются:
- различного рода медицинские исследования с целью дистанционного контроля параметров кардиореспираторной системы человека;
- бесконтактное определение параметров пульса и дыхания у больных, для которых контактные датчики по разным причинам не могут быть использованы;
- обнаружение живых людей, погребенных под завалами строительных конструкций в результате природных и техногенных катастроф [ ];
- обнаружение раненых на поле боя;
- обнаружение людей и параметров их перемещения за строительными конструкциями в ходе проведения антитеррористических операций;
дистанционная диагностика лиц в ходе скрытых или открытых проверок, например в аэропортах («бесконтактный детектор лжи»); а также контроль состояния операторов сложных человеко-машинных систем [4]; .
- регистрация речевых сигналов в тех случаях, когда использование акустических микрофонов нежелательно или невозможно.
В РНЦ «Курчатовский институт» разработан новый перспективный метод томографической диагностики – электромагнитной томографии, включающей и микроволновую томографию. Проигрывающая по пространственному разрешению методам ЯМР или рентгеновской томографии, электромагнитная томография обладает чрезвычайно важным преимуществом: способностью к отображению функционального состояния биотканей, причем в перспективе - в масштабе реального времени [7, 10]. Суть метода СВЧ-томографии состоит в том, что при облучении объекта с различных направлений СВЧ-излучением ГГц-диапазона и измерении углового распределения рассеянного сигнала можно восстановить пространственное распределение комплексной диэлектрической проницаемости. В отличие от рентгеновской, СВЧ-томография не использует ионизирующее излучение и в ряде случаев может оказаться предпочтительней.
Исторически первыми в радиотехнике решались задачи передачи информации на большие расстояния с помощью радиоволн. К ним относятся в настоящее время задачи связи и телевизионного вещания, радиоуправления, радиотелеметрии, телемедицины, передачи данных автоматизированных систем управления (АСУ) и т.д. Для передачи информации, наряду с радиотехническими, привлекаются также проводные, оптические и акустические средства и системы.
Одной из задач современной медицинской радиоэлектроники является разработка радиотелеметрических приборов. Основным достоинством этого метода является получение достоверной и объективной медицинской информации на расстоянии. Психологические факторы, а также неподвижность пациента, либо движения пациента, или нагрузки в процессе диагностики не влияют на результат телеметрических измерений. Передающее устройство прикрепляют к человеку, а врач при помощи принимающего устройства следит за интересующими его жизненными функциями. Биотелеметрические приборы важны и в тех случаях, когда непосредственный врачебный осмотр не представляется возможным, например, во время космического полета. Максимальное расстояние между передающим и принимающим устройствами зависит от мощности передатчика и чувствительности приемника. Радиус действия обычных (не космических) телеметрических устройств от нескольких десятков метров до нескольких километров.
Очевидно, что телеметрические устройства значительно сложнее обычных измерительных приборов, при этом они должны иметь небольшие размеры и быть мобильными. Благодаря достижениям современной микроэлектроники создание портативных медицинских аппаратов и приборов сейчас не представляет особых проблем.
Широко используется комбинация различных РЭС, отличающихся назначением, природой используемых волновых процессов, иерархическим уровнем, характером размещения. Так, например, радиолокационная аппаратура может комбинироваться с оптико-локационной, могут соединяться средства управления, передачи и извлечения информации. Операции обработки, хранения информации и выработки команд управления выполняются при этом единой цифровой вычислительно-логической системой. Обилие действующих радиоэлектронных средств создало новую ситуацию - большую опасность представляют помехи взаимного влияния. Поэтому приобрели остроту вопросы обеспечения и контроля электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств, используемые в электронной медицинской технике. Роль элемента такой системы может выполнять человек или коллектив операторов. Так, операторы автоматизированных систем управления принимают решения на основе обобщения этой системой данных отдельных РЭС извлечения информации и доводят их с помощью той же системы до отдельных операторов-исполнителей. Получая телевизионную информацию, оператор телевизионной системы наведения выдает с помощью технических приспособлений информацию, необходимую, например, для диагностики, перемещения устройств наблюдения за хирургической операцией и т.д., обеспечивая замкнутость системы управления.
В медицинской радиоэлектронике особенно следует отметить использование компьютеризированных или, как их называют, аппаратно-программных комплексов. Они позволяют адаптивно регулировать режимы диагностики и терапии, помогают ставить диагноз, визуализировать пространственное и объемное изображение. На основе средств и систем извлечения и передачи информации, электронной вычислительной техники и других электронных средств автоматизации получили развитие радиоэлектронные средства и системы управления, которые нашли применение, прежде всего, в медицинских биороботах и технических средствах помощи инвалидам [3, 7]. В них используется также биомеханика, биосенсорика и компьютерная техника. К роботам относят объекты автоматического и автоматизированного управления, имеющие рабочие органы со многими степенями свободы, функционирующие подобно конечностям людей. Принципы копирующих манипуляторов переносятся на технику протезирования. Мобильные роботы, например, автоматические транспортные тележки, требуют навигационного обеспечения для корректировки направления движения и предотвращения столкновений. В качестве навигационных используют средства [3] оптико-локационные (технического зрения); акусто-локационные; приема и выполнения голосовых команд; провода, проложенные под трассой движения, как источники электромагнитного поля. Важным направлением развития робототехники является применение искусственного интеллекта на основе вычислительно-логических систем.
Воможный путь совершенствования технологии проведения внутрисосудистых операций заключается в применении внутрисосудистых медицинских микророботов (ВМР), способных под наблюдением хирурга перемещаться внутри сосуда с учетом конкретной обстановки в рабочей зоне и выполнять необходимые операции [7] .Здесь объединяются знания таких разделов радиоэлектроники, как оптическая электроника, радиолокация и радиоуправление. К функциям ВМР можно отнести: наблюдение за состоянием внутренних стенок сосуда, доставку лекарственных препаратов точно к месту их применения, выполнение операций по разрушению тромбов, например, с помощью ультразвуковых инструментов и др. Одной из главных проблем при создании ВМР является построение системы управления перемещением микроробота в условиях биологической среды дистанционным методом в электромагнитном поле. Телеуправляемые роботы-эндоскопы для диагностики трубчатых органов с микро-видеокамерой и лазером разработаны в Японии, Австралии, США и Корее. Управление микророботом осуществляется оператором ПК для обработки поступающей информации и формирования управляющих сигналов.
В настоящее время около 500 хирургических клиник по всему миру используют роботизированную хирургическую систему Da Vinci Robot фирмы «Intuitive Surgical», (США), которая состоит из эргономичной консоли хирурга, стойки с четырьмя интерактивными роботизированными руками у операционного стола, высокопроизводительной системы обзора InSiteR и патентованных инструментов EndoWrist®. Эта уникальная эндохирургическая система позволяет хирургу работать за пределами операционной. Диалог «хирург-больной» происходит посредством манипуляторов, имеющих семь степеней свободы, видеокамер, установленных в эндоскопы робота, и надевающегося на пальцы манипулятора-джойстика. Программное обеспечение корректирует различные артефакты, включая тремор рук; движения манипуляторов плавные и точные [7]. Оперирующий хирург получает возможность работать в комфортных условиях, получая трехмерное цветное изображение операционного поля практически на любом расстоянии от пациента.
Прогресс средств вычислительной техники позволил приступить к познанию работы организма как единой целостной системы. Базой для этого является [10] ряд таких междисциплинарных принципов, как синтез методов и достижений технических наук в вычислительной технике и нанотехнологиях, а также методов и достижений медицинских наук в познании биомедицинских явлений и процессов на разных масштабных уровнях - атомно-молекулярном, субклеточном, клеточном, межклеточном и т.д., и, конечно, взаимосвязей биомедицинских и технических явлений и процессов разных масштабных уровней. Решение задачи анализа такой системы невозможно без моделирования работы организма, как единой целостной системы. Как отмечено в [10], особенно плодотворным представляется синтез математического моделирования работы организма как единой целостной системы с учетом развивающихся методов визуализации: трехмерным изображением объектов новыми томографическими методами (например, лазерная оптическая томография, микроволновая томография и т.д.); комбинированными системами визуализации, совмещающими разнообразные физические принципы визуализации и количественные измерения характеристик визуализируемых объектов; совмещением систем визуализации с хирургической и микрохирургической атрибутикой; анализом изображений с помощью систем искусственного интеллекта и, наконец, визуализацией атомно-молекулярных систем. Совместные усилия медицинских и технических наук ярко выражены также в международном проекте «The Physiome Project», стратегическая цель которого состоит в развитии понимания и описания организма человека, его физиологии и патофизиологии для использования в новых медицинских технологиях, синтезе новых теоретических подходов и технических решений.
Все перечисленные примеры из медицинской техники далеко не исчерпывают применение радиоэлектроники в медицине. Попытка показать все многообразие приборов и систем медицинской радиоэлектроники на этом не заканчивается. Далее по тексту будут раскрыты дополнительные аспекты, нашедшие свое отражение в научных разработках и учебных планах подготовки будущих специалистов биомедицинской радиоэлектроники в ГУАП.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 545; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!