Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и анализ микроробототехнических систем для диагностики и лечения трубчатых органов 19
1.1. Микроробототехнические системы для диагностики и лечения трубчатых органов 20
1.2. Внутрисосудистый микроробот (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
1.2.1. Структура робототехнической системы 33
1.2.2. Устройство движителя внутрисосудистого микроробота 36
1.2.3. Принцип перемещения внутрисосудистого микроробота
1.2.3.1. Биомеханический подход 39
1.2.3.2. Принцип перемещения микроробота 42
1.2.3.3. Обобщенная кинематическая схема движителя 44
1.2.4. Обеспечение безопасности пациента 46
1.2.5. Исследование процесса взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом 48
1.2.5.1. Особенности строения и характеристики кровеносных сосудов 49
1.2.5.2. Моделирование процесса взаимодействия контактных элементов микроробота с сосудистой стенкой 52
1.2.5.3. Моделирование процесса взаимодействия микроробота с потоком крови 59
1.3. Требования к системе управления BMP 62
1.4. Структура системы управления BMP 64
1.5. Выводы по главе 1 70
Глава 2. Исполнительный уровень системы управления BMP 73
2.1. Задача управления на исполнительном уровне 73
2.1.1. Определение максимального давления крови и требуемой силы фиксации 75
2.1.2. Принятие решения о возможности формирования требуемой силы фиксации 76
2.1.3. Адаптивное формирование силы фиксации с использованием нечеткой логики 77
2.1.4. Имитационная модель нечеткого контроллера управления скоростью прижатия контактного элемента 85
2.1.5. Адаптивное формирование силы фиксации с использованием принципа косвенных измерений 89
2.2. Выводы по главе 2 103
Глава 3. Логический и ситуационный уровни управления BMP 104
3.1. Логический уровень управления 104
3.1.1. Модель перемещения микроробота в виде конечного автомата 105
3.1.2. Модели элементов движителя микроробота в виде конечных автоматов 109
3.1.3. Регуляторы и мониторы контактных элементов и звеньев движителя 112
3.1.4.,Сетевой автомат движителя микроробота 119
3.1.5. Структура логического уровня системы управления 122
3.1.6. Моделирование процесса перемещения внутрисосудистого микроробота 124
3.2. Ситуационный уровень управления 128
3.2.1. Принципы организации ситуационного уровня управления 129
3.2.2. Структура ситуационного уровня системы управления 132
3.2.3. Решение задачи обхода препятствия в сосуде 135
3.2.3.1. Распознавание ситуации 135
3.2.3.2. Выбор и принятие решения 141
3.3. Выводы по главе 3 144
Глава 4. Разработка экспериментального комплекса системы управления и проведение испытаний BMP 145
4.1. Эргономические требования к системе управления BMP 145
4.2. Программно-аппаратный экспериментальный комплекс 152
4.2.1. Состав комплекса 152
4.2.2. Блок приводов 154
4.2.3. Контроллер управления 159
4.2.4. Пульт оператора 164
4.2.5. Программное обеспечение 165
4.2.5.1. Архитектура программного обеспечения 165
4.2.5.2. Интерфейс оператора 169
4.3. Экспериментальные исследования 174
4.3.1. Логическое управление перемещением движителя 175
4.3.2. Управление с использованием принципа косвенных измерений 178
4.4. Выводы по главе 4 180
Выводы и заключение 182
Список литературы 185
- Микроробототехнические системы для диагностики и лечения трубчатых органов
- Адаптивное формирование силы фиксации с использованием принципа косвенных измерений
- Регуляторы и мониторы контактных элементов и звеньев движителя
- Эргономические требования к системе управления BMP
Введение к работе
Актуальность исследования. В последние годы в мире наблюдается стремительный рост числа разработок, направленных на совершенствование существующих средств диагностики и лечения трубчатых органов человека (кровеносные сосуды, сегменты желудочно-кишечного тракта). Особенно актуальной на сегодняшний день является задача диагностики и хирургии кровеносных сосудов. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание медицинских микророботов, способных перемещаться внутри трубчатых органов, используя для этого принцип перемещения дождевого червя, путем последовательных сокращений своих сегментов (принцип перистальтики).
Такой принцип перемещения роботов использовался в ряде зарубежных работ, в том числе в работах P. Dario, M.C. Carrozza, A. Rovetta и др., а так же при создании внутрисосудистого медицинского микроробота в МГТУ им. Н.Э. Баумана (Г.В. Саврасов, О.С. Нарайкин, С.С. Гаврюшин, А.С Ющенко и др., пат. 2218191 РФ).
Результаты анализа существующих аналогичных разработок позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время отсутствуют обоснованные методы управления микроробототехническими устройствами, предназначенными для выполнения тех или иных операций в трубчатых органах человека. Вместе с тем, управление такими устройствами обладает существенными особенностями. Необходимо обеспечить адаптивность процесса управления к индивидуальным особенностям биологической среды и безопасность использования робототехнического устройства внутри человеческого организма. Поскольку непосредственное управление движением робота со стороны хирурга в условиях дефицита информации является достаточно сложной задачей, то для поддержки его работы целесообразно использовать современные методы искусственного интеллекта. В том числе методы теории конечных автоматов, нечеткой логики и ситуационного управления, разработанные в трудах Л.Заде, Д.А. Поспелова, Л.С. Бернштейна, А.Н. Мелихова, В.Б. Тарасова, А.А. Жданова. Методы искусственного интеллекта нашли применение при решении задач управления роботами в разработках И.М. Макарова, В.М. Лохина, С.В. Манько, Е.И. Юревича, В.Г. Градецкого, В.Е. Павловского, Ю.В. Подураева, А.С. Ющенко. Особенности устройства и применения микророботов перистальтического типа в медицине позволяют считать целесообразным применение указанных подходов при создании их систем управления.
В связи с этим возникла задача разработки методов управления микророботами медицинского назначения перистальтического типа. Разрабатываемые методы управления могут найти применение и при создании внутритрубных микро- и минироботов, применяемых для технической диагностики трубопроводов малого диаметра.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка принципов и алгоритмов адаптивного управления внутрисосудистым медицинским микророботом (ВМР) перистальтического типа.
Для достижения заданной цели в работе были поставлены следующие задачи:
- провести анализ существующих медицинских роботов перистальтического типа, предназначенных для перемещения в трубчатых органах, с точки зрения возможности их использования для диагностики и хирургии кровеносных сосудов;
- определить требования к разрабатываемой системе управления ВМР;
- разработать архитектуру системы управления ВМР, принципы и алгоритмы управления его перемещением с учетом особенностей биологической среды;
- провести экспериментальные исследования разработанной системы управления ВМР методами математического моделирования;
- реализовать прототип системы управления ВМР, позволяющий проверить справедливость основных теоретических положений диссертации.
Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории автоматического управления, нечетких множеств, конечных автоматов и ситуационного управления. Разработка программных средств велась с использованием технологии объектно-ориентированного программирования на языке C++.
Математическое моделирование проводилось в среде MATLAB и с использованием программного пакета конечно-элементного анализа ANSYS.
Научная новизна работы. В диссертации разработана многоуровневая система адаптивного управления ВМР, использующим перистальтический принцип перемещения и функционирующим в условиях недетерминированной биологической среды.
Предложен принцип адаптивного управления процессом силового взаимодействия микроробота с кровеносным сосудом, использующий механизм нечеткого логического вывода.
Разработана логическая модель перемещения ВМР с использованием теории конечных автоматов.
Предложена методика ситуационного управления ориентацией ВМР при перемещении в сосуде, позволяющая распознавать текущую ситуацию и автоматически формировать управляющее воздействие при возникновении препятствий.
Практическая ценность. Разработанная система управления и соответствующее программное обеспечение ВМР могут быть использованы для управления как медицинскими микророботами перистальтического типа, так и при решении задач технической диагностики трубопроводов малого диаметра.
Практическая ценность разработки состоит в существенном облегчении труда хирурга и в повышении безопасности операции для пациента.
Разработанный прототип системы управления ВМР может быть использован для обучения персонала работе с микроробототехнической системой.
Реализация результатов работы. Проведенная работа является частью фундаментальных исследований в области применения теории нечетких множеств, нечеткой логики и ситуационного управления для управления робототехническими системами, которые проводились на кафедре «Робототехнические системы», а также исследований в области медицинской робототехники на факультетах «Биомедицинская техника» и «Радиоэлектроника и лазерная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана в течение последних лет.
Результаты диссертационной работы были использованы в МГТУ им. Н.Э. Баумана при разработке системы управления микроробота для внутрисосудистой диагностики и хирургии, проводимой в рамках НИР по теме «Исследование и разработка внутрисосудистого медицинского микроробота для диагностики и хирургии» (ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направления развития науки и техники" на 2002-2006 годы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы») и Государственного контракта от «09» августа 2007 г. № 02.523.12.3009 (ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 16-й и 18-й научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» в Государственном Научном Центре ЦНИИ РТК (г. Санкт-Петербург, Россия) в 2005 г. и 2007 г., на международном симпозиуме по микро- и нано технологиям и системам (г. Москва, Россия) в 2007 г. и на Конференции по результатам выполнения мероприятий федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы по приоритетному направлению "Индустрия наносистем и материалы" в 2008 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах, в том числе в двух публикациях в журналах «Мехатроника, автоматизация, управление» и «Биомедицинские технологии и радиоэлектроника», входящих в перечень ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 190 печатных страниц, включая рисунки, список литературы и приложения. Библиография содержит 51 наименование, из них 8 иностранных источников.
Микроробототехнические системы для диагностики и лечения трубчатых органов
В работе [44] (М.С. Carrozza и др.) рассматривается эндоскопический робот, предназначенный для перемещения в трубчатых органах человека и выполнения диагностических или хирургических манипуляций.
Движитель робота имеет внешний пневматический привод и состоит из трех камер (рис. 1.1).
Две крайних камеры предназначены для фиксации движителя внутри полого органа за счет разрежения воздуха между стенками органа и поверхностью камер. Средняя камера представляет собой упругую сильфонную оболочку, длина которой может изменяться за счет изменения давления воздуха, содержащегося внутри. Изменение давления в камерах движителя осуществляется посредством внешнего пневматического привода, имеющего источник нагнетания воздуха и источник вакуума.
Крайние камеры последовательно присасываются к стенкам, а за счет сокращения средней камеры происходит поступательное движение микроробота внутри трубчатого органа. Такой принцип перемещения, как уже отмечалось во введении, получил название перистальтического.
Данная работа является одной из первых работ, в которых для перемещения робота внутри трубчатого канала используется принцип перистальтики или принцип перемещения дождевого червя («inchworm-like motion»).
Управление роботом осуществляется с поста оператора, оснащенного ПЭВМ для обработки поступающей информации и формирования управляющих сигналов. Для реализации адаптивного управления в системе предусмотрена визуальная, тактильная и силовая обратная связь. Помимо этого робот может быть оборудован аппаратурой для визуального наблюдения за состоянием внутренней полости органа, датчиками сил, датчиками проскальзывания, а также рабочим инструментом в виде микросхвата или аппаратом радиотерапии.
Благодаря наличию элементов обратной связи и упругой конструкции, движитель робота может в определенном диапазоне адаптироваться к изменению диаметра канала.
Ряд особенностей в конструкции данного устройства не позволяют использовать его для работы внутри кровеносных сосудов. Главным из них является полная закупорка сосуда при работе микроробота. Применение пневматического движителя, а также пневматических фиксаторов создает риск попадания пузырьков воздуха в русло крови с возможностью последующей эмболии.
Работа [49] (A. Brett Slatkin и др.) посвящена созданию роботизированного эндоскопа, предназначенного для диагностики и лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Как и в работе [44] движитель робота состоит из звеньев, обеспечивающих фиксацию и удлинение конструкции в ходе движения (рис. 1.2). Однако, в отличие от рассмотренного выше аналога движитель имеет гидравлический привод, обеспечивающий изменение давления жидкости в звеньях микроробота. Последовательное соединение удлиняющих и расширяющих звеньев в движителе позволяет реализовать перистальтический принцип перемещения.
Преимущество разрабатываемого робота заключается в том, что он может обеспечивать доступ к самым отдаленным участкам желудочно-кишечного тракта.
Управление роботом осуществляется от персонального компьютера и микропроцессорной системы управления.
Для управления распределением жидкости в звеньях движителя установлены соленоидные клапаны, имеющие диаметр 5,75 мм и длину 12,5 мм. Управление клапанами осуществляется напряжением 12 В постоянного тока по электрическому кабелю от микропроцессорной системы управления. Для визуализации канала предусмотрено использование миниатюрной видеокамеры, изображение с которой поступает на персональный компьютер. Движитель робота может быть оснащен датчиками обратной связи, обеспечивающими измерение давления жидкости внутри звеньев робота и силы, возникающей в зоне контакта робота со стенками органа. Однако, на существующем прототипе робота такие датчики отсутствуют, что не позволило разработчикам реализовать адаптивное управление.
Следует отметить, что применение гидравлического привода в данном случае обеспечивает ряд преимуществ. Во-первых, применение жидкости позволяет обеспечить высокую энергетическую эффективность при реализации перистальтического движения. Во-вторых, применение жидкости является наиболее безопасным вариантом для пациента по сравнению с другими источниками энергии, использующими электрический ток (электромагнитные, пьезоэлектрические, сплавы с памятью формы). Помимо этого, давление наиболее безопасным вариантом для пациента по сравнению с другими источниками энергии, использующими электрический ток (электромагнитные, пьезоэлектрические, сплавы с памятью формы). Помимо этого, давление рабочей жидкости не превышает 80 кПа, что вполне допустимо для технологии проведения колоноскопических операций.
Еще одним преимуществом данной системы является применение клапанов, описанных выше. Это позволяет использовать всего две трубки независимо от числа звеньев движителя: одну для закачивания жидкости в звенья, а другую для откачивания.
Преимуществом является также модульность конструкции, позволяющая, при необходимости, увеличивать количество звеньев, обеспечивая тем самым большую гибкость конструкции.
Однако, несмотря на все преимущества, использование данного устройства для диагностики и лечения сосудов невозможно вследствие полного перекрытия полости трубчатого органа в процессе движения.
Еще одно близкое решение [48] (A.Rovetta и др.) представляет собой роботизированный эндоскоп, предназначенный для диагностики трубчатых органов. В отличие от рассмотренных выше работ для перемещения данного устройства используется пьезоэлектрический движитель. Микроробот представляет собой капсулу длиной 5 см и диаметром 1,3 см; он способен перемещаться вперед и назад, а также вращаться внутри трубчатого органа.
Робототехническая система состоит из движителя, выполненного на базе пьезоэлементов компании «Филипс», системы управления, источника энергии, обеспечивающего работу движителя и системы управления, а также функционального оборудования (микро-видеокамеры, лазера и др.). Управление роботом заключается в формировании источником энергии для движителя волн требуемой амплитуды и частоты.
Устройство не может быть использовано в кровеносных сосудах, так как полностью перекрывает сосудистое русло. Другим недостатком является источником энергии, также может оказывать неблагоприятное воздействие на стенки сосуда.
Микроробот, представленный в работах [47] (D. Reynaerts и др.), предназначен для диагностики и лечения отдаленных сегментов желудочно-кишечного тракта, где не могут быть использованы эндоскопы. Движитель робота состоит из модулей трех типов: двух фиксирующих, одного удлиняющего и двух изгибающих (рис. 1.3).
Адаптивное формирование силы фиксации с использованием принципа косвенных измерений
Описанный в п. 2.1.3 метод измерения контактных усилий предполагает наличие тактильных датчиков, расположенных в местах контакта микроробота с сосудистой стенкой. Практическая реализация такого способа измерения усилий может быть затруднена по ряду технических причин. В тех случаях, когда непосредственное измерение контактных сил невозможно, предлагается использовать принцип косвенного измерения силового воздействия КЭ на стенку сосуда.
Следует отметить, что принцип косвенных измерений не нов и давно применяется в робототехнике при управлении промышленными манипуляторами [10]. При его использовании не требуется никакого дополнительного оснащения манипуляторов. Если робот содержит приводы с обратимыми редукторами, то любая сила, действующая на сочленения, расположенные после і-го сочленения исполнительного механизма, оказывает влияние на все движущие моменты, управляющие сочленениями, расположенные до него. Тогда внешнее воздействие можно определить, измеряя разность между моментами в приводах при его наличии или отсутствии. Если в приводе роботов используют двигатели постоянного тока, то развиваемые двигателем моменты можно измерить косвенно через токи цепи якоря.
Другим примером использования принципа косвенных измерений является управление усилием отрыва вакуумного схвата робота вертикального перемещения [12, 35].
В данной работе предлагается использовать принцип косвенного измерения усилий в зоне контакта микроробота с сосудистой стенкой, используя особенности работы его гидропривода.
Задача управления движением микроробота сводится к регулированию давления рабочей жидкости, заполняющей звенья микроробота. Поскольку полость сильфона связана герметичным каналом с объемом гидроцилиндра привода, то для изменения давления в полости сильфона необходимо осуществить перемещение поршня гидроцилиндра на заданную величину. Принцип работы привода микроробота в определенной степени соответствует принципу действия простейшего объемного гидропривода, который основан на несжимаемости рабочей жидкости и на ее свойстве передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля [21].
Рассмотрим подробнее принцип работы гидропривода BMP (рис. 2.13). Привод микроробота условно может быть представлен в виде системы из двух, последовательно соединенных, гидроцилиндров: гидроцилиндра привода 1 и полости звена микроробота 2, обладающего способностью продольной деформации под действием изменения давления жидкости, находящейся в полости сильфона. Гидроцилиндры соединены между собой трубопроводом 5, представляющим из себя гибкую силиконовую трубку.
Пусть поршень гидроцилиндра привода, имеющий площадь Sj под действием управляющей силы F] перемещается в направлении звена микроробота. При этом в полости гидроцилиндра создается-давление жидкости p—Fi/Si. Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопроводе, то можно утверждать, что это давление из полости гидроцилиндра передается жидкостью по закону Паскаля-в звено микроробота и на его основаниях, имеющих площадь S2, создает силу Р2=Ррж$2, удлиняющую звено в продольном направлении (рис. 2113 (а)).
Если внешняя сила Fj направлена от звена микроробота, то происходит откачивание жидкости из полости сильфона, что приводит к возникновению силы F2 = Few, сжимающей звено в продольном направлении (рис. 2.13 (б)).
Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что ее количество, вытесняемое поршнем гидроцилиндра привода (расход Q VpwSj), равно объему жидкости, поступающей в полость звена микроробота.
Для того, чтобы обеспечить изменение длины звена микроробота на заданную величину, нужно рассчитать рабочий объем гидроцилиндра, который зависит от диаметра поршня и длины рабочей полости. Варьируя данными параметрами можно выбрать оптимальный рабочий объем гидроцилиндра, при котором с заданной точностью будет изменяться объем жидкости, заполняющей сильфон.
Изменение давления жидкости в звене приводит к его сжатию или растяжению, что в свою очередь влечет деформацию упругих контактных элементов 4 (см. рис. 2.13). В случае откачивания жидкости из полости сильфона происходит выгибание и последующее прижатие контактных элементов к стенкам кровеносного сосуда 3. Изменяя давление рабочей жидкости в полости звена микроробота можно регулировать усилия, возникающие в зоне контакта с сосудом. При этом измерение давления в звене микроробота может осуществляться опосредовано через измерение давления в гидроцилиндре привода микроробота, поскольку гидроцилиндр и звено микроробота связаны между собой единым герметичным каналом; полностью заполненным жидкостью.
Рассмотрим подробнее, каким образом можно управлять деформацией звена микроробота, имея информацию о давлении в полости гидроцилиндра привода. Воспользуемся аппроксимированной зависимостью изменения давления (разрежения) рабочей жидкости в сильфоне в процессе фиксации звена микроробота в сосуде (рис. 2.14).
При деформации звена посредством откачивания жидкости из полости сильфона происходит разрежение давления с определенной скоростью (участок tgi). При этом зависимость деформации сильфона от приложенной силы сжатия будет иметь линейный характер вплоть до момента касания КЭ стенок сосуда (см. рис. 2.146). В момент касания линейная зависимость меняет угол наклона (давление Pf). Этот момент можно определить путем сравнения предварительно полученной эталонной зависимости изменения давления в полости гидроцилиндра от перемещения поршня с реальной зависимостью, получаемой посредством измерения давления в реальном времени.
Величина давления Р] позволяет приблизительно определять диаметр канала, поэтому можно использовать эту величину для опосредованного анализа сосудистого русла с целью определения возможности дальнейшего перемещения. Поясним данную возможность на следующем примере (см. рис. 2.16). Пусть по ходу движения микроробота существует сужение сосудистого русла, вызванное атеросклеротическим отложением. В соответствии с рисунком 2.17, при перемещении движителя для фиксации каждого из трех звеньев будет требоваться различное время: tiA tiB tiB. Это связано с тем, что необходимо большее время сжатия звена для осуществления касания КЭ со стенкой сосуда большего диаметра, чем в случае малого просвета канала. Таким образом, последовательно сравнивая время фиксации головного, среднего и хвостового звеньев можно оценить, как изменяется сосудистое русло по ходу движения. Если, например, наблюдается сужение канала, то, прежде чем продвигаться далее, необходимо убедиться в возможность прохода через просвет малого диаметра.
Регуляторы и мониторы контактных элементов и звеньев движителя
Регулятор контактного элемента. Основной задачей регулятора КЭ является управление изменением состояния определенного КЭ на основании информации, получаемой от датчика давления, расположенного в зоне контакта [33]. Запуск регулятора осуществляется по команде, получаемой от регулятора звена (будет рассмотрен ниже).
Пусть регулятор КЭ имеет описание RLj = (URij,XRijtZR.j,fR.jfhR.. ), где і - номер звена (1- головное, 3 - хвостовое), - номер КЭ,у-(1, 2, 3, 4).
Схема взаимодействия моделей КЭ (Ajj), датчиков (SjJ) и регулятора КЭ (RiJ) представлена на рисунке 3.4.
Регулятор КЭ является сетевым автоматом, имеющим два входа и три выхода. Здесь и далее при изображении графа сетевого автомата будет использована следующая нотация: через ім будет обозначен символ входного алфавита и Є U, поступивший на вход / Є /; через o.z — символ выходного алфавита zEZ, поступивший на выход о Є О. Для RLj-: 1={1,2}, 0={3,4,5} [16]. Тогда граф сетевого автомата регулятора КЭ можно представить в виде, показанном на рисунке 3.5.
Появление на входе символов т (отжать КЭ) или г } (прижать КЭ) инициирует запуск процесса управления перемещением КЭ, используя показания сенсорных элементов р0, р1г р2, Рз sQ, s±, описанные выше.
Выходной алфавит ZRL . = {stop, ргг, pr2, pr3, exp, m, та}}, ra j} имеет следующие значения:
-pri — прижимать КЭ со скоростью V/, -pr2 — прижимать КЭ со скоростью v2, -рг3 — прижимать КЭ со скоростью vj,
- stop — остановиться,
- exp — отжимать КЭ с постоянной скоростью,
- m — измерять давление в зоне контакта,
- rajj - КЭ прижат,
- га;- КЭ отжат.
Управление КЭ на уровне регулятора осуществляется следующим образом. При поступлении команды на прижатие КЭ, регулятор переходит в состояние xi, в котором выдается команда на прижатие КЭ со скоростью Vy. Одновременно осуществляется контроль за показаниями датчика давления в зоне контакта. Регулятор выдает команду на прижатие КЭ со скоростью V/ до поступления на вход значения pj, соответствующего началу контакта с сосудистой стенкой. При поступлении значения pj регулятор переходит в состояние Х2, в котором выдается команда на прижатие КЭ с меньшей скоростью V2 до поступления на вход сигнала р2 с датчика давления. При достижении давления значения р2 дальнейшее прижатие КЭ осуществляется со скоростью V3 до поступления значения давленияр3. После достижения значения. рз, соответствующего требуемому усилию фиксации, регулятор осуществляет остановку прижатия КЭ посредством выдачи команды stop. После этого регулятор переходит в состояние ожидания новой команды. При поступлении команды на отжатие КЭ, регулятор переходит в состояние х$, в котором выдается команда на отжатие КЭ с постоянной скоростью до момента поступления сигнала so с датчика положения, определяющего исходное положение КЭ. После достижения исходного положения подается команда stop, инициирующая остановку процесса отжатия, и регулятор переходит в состояние хп ожидания новой команды. После выполнения задачи управления прижатием или отжатием КЭ регулятор формирует на своем выходе соответствующий сигнал, поступающий на вход монитора звена.
Для обеспечения согласованного управления совокупностью контактных элементов в рамках одного звена целесообразно ввести еще ряд сетевых автоматов, называемых мониторами звеньев - Мг, М3.
Мониторы головного и хвостового звеньев. Назначением мониторов хвостового и головного звеньев является обеспечение согласованной работы контактных элементов, входящих в состав этих звеньев.
Схема взаимодействия монитора (М,) и регуляторов КЭ (RiJ) представлена нарисукеЗ.6.
На рисунке 3.7 представлен граф сетевого автомата мониторов головного. и хвостового звеньев.
Входной алфавит: UM. = {га?!, ra?2, га?3, га?л, га\г, га\г, ra\3, ra\Afixb defo
Выходной алфавит: ZM. = {т, гЦ2, г?3, г?А, гг, г2, r 3, т4, fmit dmt}.
Появление на входе команд deft (расфиксировать звено і) и fixt (зафиксировать звено і) обеспечивает согласованное изменение состояний КЭ путем выдачи на входы соответствующих регуляторов команд riA ri.2 ri3 rL&rLi rbi rL3 riA- Получив подтверждение выполнения команд от всех подчиненных регуляторов, монитор выдает информацию о завершении операции фиксации или расфиксации звена на монитор движителя в виде символов frrii (звено зафиксировано) и drrii(звено расфиксировано).
Монитор среднего звена обеспечивает управление изменением состояния среднего звена (сжатие/удлинение).
Принцип строения и работы конечных автоматов среднего звена (А2) и датчика состояния среднего звена (5 ) аналогичны рассмотренным ранее конечным автоматам КЭ и датчика положения КЭ. На рис. 3.8 и 3.9 приведены графы конечных автоматов А2 и S2.
- lg — удлинить звено,
- sh — сжать звено,
- stop — остановиться.
Команды lg и sh, поступающие на вход конечного автомата среднего звена, инициируют удлинение или сжатие звена в продольном направлении. Среднее звено может находиться в следующих состояниях:
- хо — исходное состояние,
- xj - звено удлиняется,
- Х2 - звено сжимается.
Выходной алфавит конечного автомата датчика состояния среднего звена описывается следующими символами:
- ро — среднее звено в удлиненном (исходном) состоянии,
- pi — среднее звено в сжатом состоянии.
Граф сетевого автомата монитора среднего звена (М2) представлен на рисунке ЗЛО.
Схема взаимодействия монитора М2 и элементов среднего звена А2 и S2 аналогична схеме взаимодействия регуляторов головного и хвостового звеньев с соответствующими элементами (рис. 3.4).
Входной алфавит UMz = {дг2, ext2,p0,Pi}, где:
- ext2 — удлинить звено,
- gf2 — сжать звено,
- Ро, Pi — показания датчика состояния среднего звена. Выходной алфавит ZM. = {771, sh, Ід, дгт2, extm2, stop}, где:
- Ig, sh, stop — символы команд, выдаваемых на вход конечного автомата среднего звена,
- grm2, extml — символы текущего состояния среднего звена, выдаваемые на вход монитора движителя после выполнения заданной команды,
- stop — остановить изменение состояния (удлинение или сжатие) среднего звена.
Поступление на вход монитора М2 команды gr2 и ext2 инициирует процесс сжатия или удлинения среднего звена, соответственно. По окончанию процесса сжатия или удлинения монитор выдает информацию на монитор движителя Мв виде команд дг2 и ext2. Монитор среднего звена имеет пять состояний:
- XQ— исходное состояние,
- xi — сжатие среднего звена,
- Х2— среднее звено сжато, -хз— удлинение среднего звена,
- Х4— среднее звено удлинено.
Эргономические требования к системе управления BMP
Участие человека-оператора в управлении внутрисосудистым микророботом обусловлено, с одной стороны, неопределенностью рабочей среды, возможностью возникновения непредвиденных ситуаций, с другой -высокой степенью ответственности за принимаемые решения. Таким образом, система является эргатической. Взаимодействие человека и робота может быть реализовано не только на уровне простых команд, но и на уровне поддержки принятия решений. Такая организация взаимодействия между системой и человеком позволяет отнести данную систему дистанционного управления к классу систем дистанционного интерактивного управления [11, 41]. Участие человека в работе системы обязывает учитывать при ее проектировании психофизиологические возможности хирурга-оператора.
Для того, чтобы сформулировать эргономические требования к рассматриваемой медицинской робототехнической системе, необходимо вначале провести анализ деятельности хирурга-оператора при исполозовании BMP.
Во-первых, хирург должен получать на экране всю необходимую информацию об исследуемом участке кровеносной системы данного пациента. Эта информация может быть получена предварительно с использованием УЗ-диагностики или ангиографии и храниться в соответствующей базе данных. Заметим, что хирургу должна быть доступна вообще вся информация о пациенте, так как в процессе операции могут понадобиться и другие данные. Целесообразно использовать средства машинной графики для отображения состояния кровеносной системы, так как они наиболее легко воспринимаются оператором. Хирург должен видеть, по крайней мере, два графических образа. Один из них — это пространственная "карта" сосудов пациента с фиксацией точки, где находится робот, как это принято при решении задач дистанционного управления мобильными роботами. Второй — это вид через видеокамеру, установленную в головной части робота, т.е. вид внутренней поверхности сосуда. Первая задача может быть решена путем использования ультразвуковых технологий, либо с помощью средств компьютерной томографии [45].
Целесообразно иметь возможность предварительного моделирования в реальном времени будущей операции с учетом таких факторов, как артериальное давление, скорость потока крови, предполагаемое состояние пораженного участка и т.д. Располагая математической моделью робота, хирург может предварительно "пройти" оперируемый сосуд, выяснить критические моменты, которые могут возникнуть при операции и найти способы их преодоления. Разработанное в главе 1 математическое обеспечение на базе программного пакета ANSYS может позволить предварительно, с учетом особенностей конкретного пациента, провести исследование, оценить возможность применения BMP и определить параметры воздействия (например, максимальную силу прижатия КЭ к стенкам сосуда).
Прежде чем приступать к операции хирург должен убедиться в исправности работы BMP. Для этого целесообразно разместить движитель в макете кровеносного сосуда соответствующего диаметра, в котором поддерживается поток жидкости, имитирующий ток крови, и проверить его работоспособность.
Деятельность хирурга, особенно на оперативной стадии, должна быть максимально приближена по своей структуре и рецепции к его работе по обычной методике (принцип переноса навыков). Это позволит облегчить выработку новых навыков, необходимых для работы с BMP. В этой связи, разработанный программно-аппаратный комплекс целесообразно использовать в составе специализированного тренажерного комплекса для отработки навыков хирурга-оператора по управлению микророботом при выполнении внутрисосудистых операций.
Внутрисосудистая операция начинается с того, что робот вводится в артерию через малый хирургический доступ. Первая стадия диагностической операции состоит в подведении робота к патологическому очагу, не нарушая нормальной жизнедеятельности организма. Особенно важным требованием является обеспечение плавного режима движения микроробота при его локализации в русле артерии с возможностью ручного управления. Выполнение данного требования обеспечивается за счет применения принципов адаптивного управления процессом взаимодействия BMP со стенками сосуда (см. гл. 2). Вся необходимая функциональная информация о состоянии пациента должна постоянно присутствовать в поле зрения оператора. На этой стадии хирург использует информацию о положении робота в кровеносной системе пациента на дисплее. В ходе выполнения операции оптическая система робота непрерывно передает информацию о внутреннем состоянии сосуда. Заметим, что эта информация может быть получена не только оптическим путем, а, например, с использованием ультразвуковых датчиков и затем преобразована в изображение на экране дисплея. Получив эту информацию, хирург должен решить вопрос о целесообразности проведения хирургической операции и способах ее технического выполнения.
Если принято решение о начале хирургической операции в области окклюзии, то хирург приводит в действие рабочий инструмент. Это наиболее ответственная часть операции; для того, чтобы исключить на этой стадии возможные ошибки оператора, ее целесообразно проводить в автоматическом режиме под контролем хирурга. При этом регулирование таких параметров, как скорость движения робота, выбор его текущей конфигурации, должно осуществляться с помощью определенных алгоритмов по показаниям датчиков текущей информации. Тем не менее, в ходе выполнения хирургической операции могут возникнуть ситуации, требующие участия хирурга, поэтому на этой стадии также должен быть предусмотрен режим ручного управления микророботом. Заметим, что здесь особо важную роль играет наличие системы отображения усилий, придающей естественность рабочим движениям хирурга и, вместе с тем, позволяющей вручную регулировать работу инструмента. При этом рукоятка рабочего инструмента может выполнять роль силового дисплея, формируя дополнительное усилие сопротивления движению оператора всякий раз при возникновении опасной ситуации.
Целесообразно использовать конструкцию специализированной рукоятки управления роботом, близкую по конфигурации и по расположению относительно руки хирурга к рукоятке рабочего инструмента при выполнении операции по традиционной методике. Необходимо отметить, что время сенсомоторной реакции по механорецепторному каналу на порядок меньше, чем время соответствующей реакции по зрительному каналу, что особенно важно с позиций безопасности для пациента. С другой стороны, этот режим наиболее сложен для хирурга-оператора, поскольку он может оказаться на границе своих информационных возможностей (пропускной способности), воспринимая одновременно информацию по зрительному каналу (возможно, двух видов — графическую и символьную) и по механорецепторному каналу. Этот вопрос требует тщательного анализа в каждом конкретном случае.
После завершения стадии разрушения окклюзии наступает последний этап операции — извлечение микроробота вместе с удаленным патологическим материалом. Движитель BMP вводится в сосуд на тонком и прочном катетере и в случае необходимости может быть экстренно удален из русла артерии в сложенном виде, что обеспечивается за счет выбора конструкции, позволяющей «складываться» при снятии давления рабочей жидкости внутри звеньев (см. гл. 2). В некоторых случаях — при поворотах, сужениях и т.п. вытягивая катетер, можно повредить стенки сосуда корпусом микроробота. Поэтому в критических точках робот должен самостоятельно проходить сложные участки внутри сосуда. Задача хирурга состоит в том, чтобы, используя свой опыт, определить эти сложные для прохождения участки сосуда и своевременно передать управление автоматике, сохраняя контроль над движением микроробота.
Как было показано выше, работа хирурга-оператора медицинской робототехнической системы представляет собой сложную форму предметной деятельности человека, опосредованной технической системой. Поэтому, прежде всего, при эргономическом проектировании такой системы нужно разделить требования, к внутренним и внешним средствам деятельности человека. К первым относятся знания, умения и навыки оператора, которые должны существенно отличаться от своих аналогов при выполнении операций по традиционной методике с помощью хирургических инструментов. Ко вторым относится собственно робототехническая система, характеристики которой должны быть согласованы с психофизиологическими возможностями оператора.
Из проведенного анализа внутрисосудистой операции, проводимой с использованием BMP, можно определить некоторые общие эргономические принципы и требования к организации деятельности хирурга-оператора.
