Содержание
Сектор здравоохранения находится на раннем этапе крупной революции, связанной с внедрением передовых роботизированных технологий. Медицинские приложения достигают невообразимого уровня точности, снижения затрат и усложнения процессов, причём всё это сопровождается чёткой упорядоченностью, которая словно создана для автоматизации. Роботы и коллаборативные роботы (коботы) уже доказали свою ключевую роль в решении широкого круга задач — от стремительного роста расходов до выполнения сложных хирургических процедур, от ухода за пожилыми людьми и реабилитации до очистки и стерилизации.
Есть реальная польза в детальном рассмотрении того, каким образом коботы и роботы становятся не только широко распространёнными, но и настраиваются под конкретные медицинские приложения, повышая качество лечения пациентов и эффективность работы медицинских учреждений.
Роль робототехники в здравоохранении
Интеграция автоматизации в здравоохранение не является новинкой. Например, эпидемия СПИДа в 1980-х годах ускорила автоматизацию вирусологических тестов, поскольку резко возросло количество анализов крови. Недавние технологические достижения значительно расширили границы возможного, позволив создавать роботы, которые выполняют задачи, связанные с непосредственным контактом с пациентом и требуют точных движений, постоянной повторяемости результатов и, потенциально, высоких рисков физического взаимодействия с пациентами и медицинским персоналом.
Условно медицинских роботов можно разделить на три основные категории:
- Медицинские роботы — полностью или частично автономные системы, выполняющие медицинские или общие сервисные задачи самостоятельно либо с минимальным участием человека.
- Медицинские коботы — роботы, созданные для совместной работы с людьми, позволяющие расширить возможности персонала и при этом гарантировать безопасность в процессе тесного взаимодействия. У них, как правило, меньше независимости, и они реагируют на указания оператора, выступая в роли младших помощников.
- Устройства типа “Вальдо” (Waldos) — подвид коботов, которые зачастую называют роботами, но при этом имеют мало или вовсе не имеют автоматических функций и возможности действовать самостоятельно. Однако они расширяют прямые возможности оператора, помогая повышать эффективность оказываемой медицинской помощи.
Автоматизация уже произвела революцию во многих аспектах здравоохранения — как в малых, так и в крупных деталях. Однако при создании роботов под конкретные задачи важно учитывать специфику применения, чтобы обеспечить требуемую точность, маневренность, безопасность пациентов и персонала, а также органичную интеграцию в рабочие процессы клиник.
Коботы против роботов
При выборе между использованием полноценного робота или кобота для медицинских или смежных задач решающим фактором выступают характер задачи и условия, в которых предполагается работа устройства или системы.
Коботы обычно разрабатываются для помощи медперсоналу при выполнении однообразных, требующих замены навыков либо тяжёлых физических операций. Это может включать в себя перемещение тяжёлого медицинского оборудования, помощь в подъёме или передвижении пациентов, выполнение рутинных процедур по дезинфекции либо высокоточных действий, например, взятие анализов крови или поддержка хирургов во время операций.
Главная ценность медицинских коботов заключается в их способности взаимодействовать с медицинскими специалистами, помогая им в решении конкретных задач и частично заменяя ручной труд, при этом гарантируя безопасность персонала и пациентов.
Коботы обычно оснащаются датчиками силы и адаптивным программным обеспечением, которые не позволяют им причинить вред человеку. Это делает их востребованными в реабилитации, при работе с пациентами, а также в клинических условиях, где необходимы частые и безопасные контакты между роботом и человеком. Их применение варьируется от «гопферов» (простых роботов, выполняющих доставку и другие вспомогательные функции) до более сложных устройств с ограниченной степенью автономии, участвующих в процедурах забора крови или наложения швов после операций.
Хирургические системы, подобные Da Vinci, предоставляют хирургам возможность проводить малоинвазивные операции с более высокой точностью и контролем. Несмотря на то что их часто называют роботами, на практике они действуют строго под управлением хирурга и имеют весьма ограниченную автоматизацию, особенно в применениях, связанных с пациентами. В сущности, во многих случаях они относятся к категории устройств «Вальдо».
В то же время полностью автономные роботы могут самостоятельно выполнять задачи, требующие высочайшей точности, контроля качества и минимального (либо нулевого) участия человека, как, например, закрытие ран, перевязку или дозирование лекарственных средств в лабораторных процедурах.
Таким образом, у роботов и коботов есть целый спектр отличительных, но иногда пересекающихся преимуществ. Выбор подходящего режима работы зависит от особенностей задачи, степени требуемой человеческой вовлечённости и того, насколько важен конечный результат.
Ключевые области внедрения роботов и коботов в медицине
Хирургическая робототехника
Одним из самых перспективных направлений применения робототехники в здравоохранении является формирующаяся область роботизированной хирургии.
Термин «формирующаяся (incipient)» здесь использован намеренно. Вот как определяется ведущая в этой сфере система Da Vinci:
«Система имитирует движения руки хирурга в режиме реального времени. Её нельзя запрограммировать, и она не может автоматически принимать решения о перемещениях или выполнении каких-либо хирургических манипуляций. Поэтому, хотя термин “роботизированная хирургия” нередко используется для описания нашей технологии, в строгом смысле слова это не полностью роботизированная хирургия».
Эти хирургические устройства категории «Вальдо» всё шире применяются при малоинвазивных вмешательствах, позволяя хирургам выполнять тончайшие процедуры с повышенной точностью. Обычно такая система состоит из нескольких «роботизированных» рук, которыми хирург управляет через специальную консоль, при этом автоматизация отсутствует. На концах рук размещаются специализированные инструменты и камеры, обеспечивающие врачу большую манёвренность и лучшее визуальное наблюдение за ходом операции.
Хотя эти системы и называют «роботами», они уже произвели революцию в лапароскопической хирургии, позволяя выполнять сложные вмешательства через небольшие разрезы, что ускоряет восстановление пациентов и снижает уровень послеоперационной боли.
Настройка роботов для хирургических задач требует большего объёма разработок, чем то, что уже достигнуто на практике. Экспериментальные автономные системы действительно проходят испытания в лабораторных условиях, демонстрируя средние результаты при закрытии ран — пока только на животных трупах.
При этом применение ультрасовременных систем визуализации, тактильной (гаптической) обратной связи для оценки состояния тканей в реальном времени, а также мощных алгоритмов машинного обучения (ML) и искусственного интеллекта (AI), поддерживающих принятие решений, всё быстрее развивается и открывает перспективы дальнейшего совершенствования роботизированных хирургических устройств.
Реабилитация и физиотерапия
В реабилитации коботы (коллаборативные роботы) уже играют важную роль, помогая пациентам восстанавливаться после травм или операций. Помощь в выполнении повторяющихся движений и манипуляций в рамках физиотерапии обеспечивает постоянство движений и снижает нагрузку на терапевтов.
Например, компания Ekso Bionics разработала экзоскелеты, которые поддерживают реабилитацию пациентов, перенесших травмы спинного мозга или инсульты, поддерживая или улучшая подвижность, что имеет огромные долгосрочные преимущества. Эти носимые коботы обеспечивают пациентам физическую поддержку и увеличивают силу, чтобы заново освоить базовые движения и восстановить мышцы. Другие коботы, предназначенные для реабилитации верхней части тела, помогают пациентам, перенесшим инсульт, восстановить двигательные функции с помощью повторяющихся упражнений под контролем.
Процессы разработки этих коботов для реабилитации требовали от разработчиков учета таких факторов, как безопасность пациентов, простота использования и адаптивность к индивидуальным потребностям пациентов. Эти общие требования дополняли требования к программированию, функциональности, диапазону движений и прочности устройств.
Способность коботов активно отслеживать прогресс пациента и корректировать интенсивность упражнений в режиме реального времени является центральным элементом предоставления этих услуг, без которого их эффективность в реабилитации была бы минимальной. Значение Машинного Обучения/Искусственного Интеллекта и сенсорных возможностей для такого уровня понимания/чувствительности весьма существенно.
Помощь пациентам и уход за ними
Трудозатраты в здравоохранении заключаются в ежедневном и непосредственном взаимодействии с пациентами, в таких задачах, как подъем и перемещение пациентов или помощь им в повседневных делах, таких как кормление и купание. Коботы, предназначенные для этих задач, призваны снизить нагрузку на медсестер и сиделок, освобождая им больше времени для того, чтобы сосредоточиться на более сложных и требующих человеческого взаимодействия аспектах ухода за пациентами.
Примером этого является RIBA, робот, разработанный в Японии, который помогает поднимать пациентов с кроватей в инвалидные коляски. Разработанный так, чтобы иметь милый, мультяшный, игрушечный и дружелюбный внешний вид, RIBA стремится создать более комфортное впечатление у пациентов, беря на себя физическую нагрузку по уходу.
Разработка таких коботов для ухода за пациентами, связанных с манипуляциями с ними, включает в себя создание баланса между большой мощностью, ловкостью и активным зондированием, чтобы гарантировать, что они могут справляться с поставленными задачами, оставаясь при этом безопасными для взаимодействия с уязвимыми пациентами.
Интеграция обработки естественного языка (NLP) и искусственного интеллекта позволяет этим машинам эффективно общаться с пациентами и медицинским персоналом, предоставляя информацию и надежно получая инструкции.
Автоматизация медицинских лабораторий
Коботы и роботы достигли наибольшего прогресса и имеют самый большой опыт применения в преобразовании медицинских лабораторий путем автоматизации повторяющихся задач, таких как обработка образцов, тестирование и анализ данных. Такие задачи традиционно выполнялись учеными и квалифицированными аналитиками в целях обеспечения надежности и дисциплины. Но резкий рост объемов тестирования после эпидемии СПИДа сделал такой труд недостаточным. Были быстро разработаны автоматизированные системы для быстрой и точной обработки больших объемов образцов, снижения риска человеческой ошибки и ускорения процессов диагностики. Этот сектор оставался активным и быстрорастущим в последующие десятилетия.
Например, роботы Tecan для работы с жидкостями широко используются в клинических и патологоанатомических лабораториях для таких задач, как перенос образцов, добавление разбавителя и оценка образцов, считывание штрих-кодов и стерилизация. Эти машины могут обрабатывать тысячи образцов за один день с высокой точностью и стабильностью.
Эти роботы, как правило, обладают высокой адаптивностью, способностью переключаться между процессами, диаметрами пробирок и инструментами оценки для различных задач без необходимости обширного перепрограммирования.
«Разносчики» и «уборщики» в медицинских учреждениях
Одним из наиболее распространенных и не требующих больших усилий применений роботов или коботов в медицинской среде является автоматизация задач по доставке и уборке.
Использование ценного и перегруженного персонала для доставки и переноски основного оборудования и расходных материалов легко и эффективно заменяется удивительно недорогими и эффективными устройствами, принципиально не отличающимися от роботов-официантов и роботов для обслуживания номеров. Эти устройства обладают полной автономией во время выполнения задач. Это включает в себя планирование маршрута и управление исключениями/препятствиями, а также интерфейсы с защитными дверями, лифтами и даже системами сигнализации.
«Уборщики» — это аналогичный класс, занимающийся задачами по уборке и стерилизации. Чистота в больницах является ключом к хорошим медицинским результатам, и помещения, убранные/стерилизованные роботами, как правило, имеют более высокий стандарт, чем убранные людьми, при более низких затратах.
Проблемы в разработке роботов для медицинских применений
Потенциальные преимущества робототехники в здравоохранении обширны и пока лишь поверхностно изучены. Однако существует множество барьеров и проблем, которые ученые, разработчики и спонсоры медицинских исследований должны преодолеть при создании роботов и коботов для все более деликатных, точных и связанных с высоким риском медицинских применений.
Соблюдение нормативных требований станет огромным препятствием. Сертификация беспилотного автомобиля по сравнению с препятствиями, которые должен преодолеть хирургический робот, по сути, тривиальна. Медицинские роботы и коботы должны соответствовать самым строгим нормативным требованиям. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) или Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) осторожны и тщательны, а их процессы требуют много времени и средств.
Взаимодействие человека и робота является проблемой, поскольку опыт человека в роботизированных средах ограничен. Хотя коботы предназначены для работы вместе с людьми и взаимодействия с ними, люди не обязательно к этому подготовлены. Обеспечение того, чтобы роботы могли понимать и реагировать на тонкие сигналы, голосовые команды и жесты, а также на тон голоса, необходимо для того, чтобы сотрудничество было комфортным для людей.
Высокие капитальные затраты на более продвинутых медицинских роботов значительны и являются препятствием для широкого внедрения. Хотя преимущества очевидны, не все поставщики медицинских услуг имеют возможность делать такие большие инвестиции, поэтому часто ожидают снижения затрат.
Эффективное обучение персонала является ключом к беспрепятственному внедрению. Знание того, что медицинские работники могут безопасно и эффективно управлять роботами и коботами, является минимальным требованием. Инвестиции в образование и постоянную поддержку — еще одна финансовая проблема для организаций с ограниченными ресурсами.
Перспективы — расширение областей применения, интеграция ИИ/МО
Будущее роботов и коботов в здравоохранении будет иметь два основных направления: быстрое расширение спроса на устройства и системы для более приземленных и рутинных задач, которые влечет за собой здравоохранение; и более медленное, но находящееся под сильным давлением, расширение автоматизации в чувствительных, сложных и связанных с пациентами ролях.
Например, автоматизация на основе ИИ уже помогает в удаленной и очной диагностике, анализируя данные пациента в режиме реального времени и предлагая врачам варианты лечения. Сбор физиологической диагностической информации уже возможен — автоматизированные визуальные, ультразвуковые, аускультационные и визуализирующие инструменты широко используются, и им все больше доверяют и на них полагаются.
ИИ/МО уже повышают адаптивность коботов, позволяя им учиться на действиях человека и со временем улучшать свою производительность. Увеличение вычислительной мощности и алгоритмов обучения, которое уже происходит, подразумевает экспоненциальный рост этого адаптивного обучения.
Будущее робототехники в здравоохранении сулит огромные перспективы. Устройства и системы, созданные для удовлетворения конкретных требований медицинских применений, улучшат результаты лечения пациентов, снизят затраты и оптимизируют предоставление услуг. Прогрессивные достижения в области программного и аппаратного обеспечения робототехники и ИИ/МО ведут к созданию роботов, которые становятся умнее, адаптивнее и способнее, чем когда-либо прежде.
Речь идет не о замене человеческих усилий, а об усилении человеческого участия, позволяя людям сосредоточиться на пациенте, в то время как машина может сосредоточиться на процессе, деталях и тяжелой работе аналитической перекрестной проверки для диагностики — или просто на уборке, потому что это во многих отношениях не менее важно.