Богданова Юлия Владимировна

С. 298-317

С. 201-220

Рассматривается проблема проектирования устройства механической поддержки/замены работы сердца – искусственного желудочка сердца (ИЖС). Актуальность исследований в этой области обусловлена высоким процентом населения, страдающим заболеваниями сердца. Причиной каждой пятой смерти в мире является сердечная недостаточность. На сегодняшний день создан ряд моделей ИЖС, некоторые из них успешно применяются в медицинской практике. За годы исследований в этой области сформировалась общая концепция разработки устройства ИЖС: установлены требования к системам, выработаны подходы к решению задач, получены определенные результаты и выявлены имеющиеся недостатки систем ИЖС. Стремительно развивающиеся технологии дают все больше возможностей для решения существующих задач. Работа представляет собой анализ состояния проблемы разработки систем ИЖС на сегодняшний день. Систематизированы биомедицинские и технические требования, предъявляемые к системам ИЖС, проведена классификация проблем, возникающих в процессе проектирования, и обсуждены тенденции новых разработок в этой области.

Рассматривается проблема позиционирования инструмента семистепенного хирургического Робота-Манипулятора на примере биопсии головного мозга. Подчеркивается, что данная операция требует исключительной точности подведе­ния инструмента к точке цели. Движение инструмента осуществляется от точки к точке вдоль заданной в абсолютной декартовой системе координат траектории. Координаты же­лаемой траектории преобразуются в соответствующие присоединенные координаты со­членений решением обратной задачи кинематики. В качестве схемы управления выбран метод вычисления управляющий моментов. Полученные положения, скорости и ускоре­ния сочленений подаются на вход решения обратной задачи динамики, вычисляющей мо­менты в сочленениях, необходимые для реализации заданного движения, с учетом закона управления. Текущее положение, скорость и ускорение сочленений получаются решением прямой задачи динамики. Высокие показатели точности позиционирования инструмента доказывают адекватность имеющейся модели Робота-Манипулятора и пригодность вы­бранной схемы управления. Задача численного моделирования решена в программном па­кете MATLAB^® Robotics Toolbox + Simulink^®.

При проведении операций с применением робота – манипулятора осуществляется управление по силовым воздействиям в зоне хирургической операции. При проектировании конструкции робота его компоновка определяется согласно  технологическим требованиям к осуществлению необходимых движений. При приложении усилий к инструменту оказывается, что в зависимости от положения звеньев робота смещение точки приложения рабочих усилий может быть неколлинеарным вектору силы. Если взаимодействие хирургического инструмента с оперируемым объектом можно свести к сосредоточенной силе то, чтобы избежать смещений инструмента от заданной траектории нужно выбирать такую конфигурацию робота-манипулятора, при которой вектор силы направлен по собственным направлениям матрицы податливости робота в точке приложения силы. Предложенная методика расчета позволяет прокладывать траекторию движения робота – манипулятора с учетом минимизации возможных паразитных отклонений инструмент.

 Рассматривается описание процедуры проведения биопсии головного мозга. Подчеркивается, что одной из проблем является необходимость точного позиционирования инструмента и обеспечения безопасной траектории при проведении операции. Традиционное использование систем стереотаксического наведения помимо конструктивных недостатков, связанных с длительным подготовительным этапом или в случае нескольких структур-мишеней – повторными операциями, не имеет возможности выполнить контроль эффективности хирургического воздействия на объект-мишень в режиме реального времени, а также выявить возникающие внутричерепные осложнения. Современные технологии с использованием роботов – манипуляторов позволяют одновременно повысить точность, скорость и безопасность высокоточных операций. Подробно обсуждены требования к точности позиционирования инструмента и к системе автоматизированного сопровождения операции.