1. O czym będziemy mowic?

- podstawowe pojęcia, cele, zakres i zastosowanie zrobotyzowanych systemów medycznych

- podstawowe zagadnienia z zakresu mechatroniki: integracja wiedzy i modelowanie układu mechatronicznego

Elementy wykonawcze – przetwarzanie energii, budowa i zasada działania

Sensory – sygnaly pomiarowe i ich przetwarzanie, budowa, zasada działania sensorów

Elementy maszynowego widzenia, optoelektronika – przykłady rozwiazan

Komputerowe układy sterowania

Budowa systemow medycznych wykorzystujących rozwiązania mechatroniczne

Przykłady robotów medycznych

Ograniczenia zastosowania robotów medycznych

2. robotyka w medycynie i opiece zdrowotnej (R4H)

Obejmuje systemy zdolne do wykonania skoordynowanych działań mechatronicznych na podstawie przetworzonych informacji zarejestrowanych przez czujniki w celu wspomagania funkcjonowania osób z zaburzeniami, interwencji medycznych, opieki i rehabilitacji pacjentów a także wspomagania osob w programach prewencyjnych

3. Podstawowe (kluczowe ) obszary zastosowania R4H

1. inteligentne kapsuły medyczne (mikroobiekty aktywne lub pasywne)

2. inteligentna protetyka – odczytywanie sygnałów nerwowych

3. wspomaganie osób z upośledzoną koordynacją ruchową

4. wspomaganie terapii w chorobach umysłowych, społecznych i zaburzeniami pracy mózgu w jego funkcjach życiowych

5. wspomaganie monitorowania pacjentów

6. zrobotyzowane systemy chirurgiczne

Kapsuly medyczne

- antena, bateria,lens, lights, kamera

Zastosowanie: Podawanie leku, Monitorowanie, Wykonywanie zabiegów nieinwazyjnych

4. Kluczowe techniki i technologie mające wpływ na rozwój R4H

- terapie medyczne i zachowania człowieka

- elementy wykonawcze

- czujniki

- systemy sterowania

- interfejsy człowiek-maszyna

- systemy zasilania

- materiały biozgodne

5. Poziom oddziaływania na człowieka – regulacje prawne

Mały:

- maszyny sprzątające, instalacje sanitarne

- przyrządy rehabilitacyjne

- łóżka adaptacyjne

- półautomatyczne wózki inwalidzkie

Średni:

- niezależne od układu nerwowego protezy

-Systemy monitorujące funkcje życiowe

- roboty usługowe np. dostarczające próbki

Duży:

- roboty bezpośrednio oddziałowujące na pacjenta np. podające leki

- roboty chirurgiczne

7. Układy mechatroniczne

Zintegrowane zespoły elementów składowych i podzespołów spełniających różne funkcje, działających na różnych zasadach fizycznych i wykorzystujących różne zjawiska

Istota działania: możliwość reagowania na bodźce zewnętrzne odbierane poprzez czujniki

Funkcja podstawowa : czynność mechaniczna – oddziaływanie na proces

Funkcja decyzyjna – przetwarzania i analizy sygnałów na bazie programu działania układu zdeterminowanego lub opartego na metodach sztucznej inteligencji

System mechatroniczny:

- element aktywne

Sensory – przetwarzają wielkości pomiarowe w sygnał elektryczny

Aktory – realizują ruchy i siły sterujące układem mechatronicznym

- wielkości pomiarowe:

Elektryczne – prąd, napięcie, natężenie

Mechaniczne – droga, prędkość, przyspieszenie, siła

Czujniki:- drogi- prędkości- zbliżeniowe- sił- przyspieszeń

Układy wykonawcze (aktory):

W grupie silników i siłowników elektrycznych zastosowanie znalazły:

- silniki krokowe obrotowe (umożliwiają precyzyjny obrót o wielokrotność kata podstawowego)

- silniki krokowe liniowe (umożliwiają precyzyjny ruch o wielokrotność przesunięcia podstawowego)

- siłowniki elektromagnetyczne (umożliwiają ruch na długość wysuwu rdzenia, wypychanego przez cewkę elektryczna)

- napędy elektryczne liniowe (s-k elektr.w połączeniu z przekładnia śrubową umożliwiają realizacje ruchu liniowego)

Podstawowe cechy układów mechatronicznych:

- funkcjonalność – łatwość realizacji różnych zadań przez jedno urządzenie

- „inteligencja” – możliwość podejmowania decyzji i komunikacji z otoczeniem

- elastyczność – możliwość modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania produkcji oraz eksploatacji urządzenia np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej

- możliwość niewidocznego dla operatora sposobu działania co wymaga zastosowania interfejsu użytkownika dla komunikowania się z operatorem

- zależność od wymagań rynkowych i możliwość technologicznych wykonania

Elementy wykonawcze

- silnik elektryczny

- silnik krokowy

Elementy wykonawcze umożliwiają aktywną korektę parametrów wejściowych. Zamykają pętlę sprzężenia zwrotnego. Wymagają dostarczenia energii, muszą posiadać możliwość sterowania poprzez układ procesora.

Silniki i siłowniki : elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne

Krokowe:

- obrotowe – umożliwiają obrót o wielokrotności kąta podstawowego

- liniowe – ruch o wielokrotności przesunięcia podstawowego

Sensory – czujniki wielkości:

- mechanicznych

- elektrycznych

- magnetycznych

- elektromagnetycznych

- chemicznych

- Biosensors

Elementy wykonawcze (aktuatory) o wysokich osiągach

Wymagania:

- wysoka sprawność energetyczna

- wysoki stosunek mocy do masy

- wysoki stosunek mocy do wymiarów

- precyzja sterowania

- niski koszt

Przykłady elementow wykonawczych:

- silniki prądu stałego na magnesach trwałych PMDC

- silniki mikrokrokowe – duże wymiary; można zatrzymać w konkretnym miejscu

- siłowniki piezo – nie wymagają smarowania, nie zużywają się, wymagają dużego zasilania

- krokowe silniki pneumatyczne – mogą wykonywać ruch obrotowy bez pradu elektrycznego

- silniki polimerowe

- silniki MEMS

Charakter ruchu:

- obrotowe

- liniowe

Układy wykonawcze – aktory, aktuatory

- elektrostatyczne

- magnetyczne

- piezoelektryczne

- termiczne

- hydrauliczne

- mikrostymulatory

MEMS – micro electro mechanical system

Czujniki

Najistotniejsze obszary rozwoju:

- obrazowanie biomedyczne

-systemy pozycjonowania i lokalizowania

- czujniki biomedyczne

- czujniki pozyskiwania sygnałów zwrotnych z organizmu

- inteligencja otoczenia

1. Obrazowanie biomedyczne

- radiografia

- tomografia

- rezonans magnetyczny

- medycyna nuklearna

1. Systemy pozycjonowania

- WLAN

- GPS

- RFID

- lokalizacja radiowa – telemetria radiowa

- bluetooth

- lokalizacja video

1. Czujniki biomedyczne

- czujniki dla protez

- czujniki dla nanorobotów

- czujniki dla systemów diagnostycznych

Cechy:

- komunikacja bezprzewodowa

- minimalizacja poboru energii

Wymagania:

- ultra bezpieczne, biokompatybilne

- niezawodne, praca z uszkodzeniami

- praca w różnych lokalizacjach geograficznych

Czujniki:

- temperatury

- przepływu cieczy

- przepływu gazów

- „sygnałów” chemicznych

1. Czujniki pozycjonowania sygnałów zwrotnych

- szybkość odpowiedzi

- czułość

- rozwój powiązany z nanotechnologią i materiałami inteligentnymi (inżynieria materiałowa w tym inżynieria chemiczna)

- systemy „wbudowane” (embedded systems) np. materiały tekstylne z czujnikami

- nowe technologie polimerowe

ePatch for diabetics in closed loop system

• Acceleration sensor

• Temperature and humidity sensor

Sensor – odbiera sygnał lub bodziec i wysyła sygnał elektryczny

Transducer – zamienia jeden rodzaj energii na drugą

Sensory – aktywne i pasywne ( nie musi być zasilany z zewnątrz)

Rodzaj wyjścia czujnikow : napięcie, natężenie, rezystancja, pojemność

Parametry czujnikow:

funkcja przenoszenia, czułość, zakres pomiarowy, niepewność, histereza, nieliniowość, szum, rozdzielczość, szerokość pasma

Typy czujnikow:

indukcyjny, pojemnościowy, rezystancyjny, ultradźwiękowy, fotolektryczny, interferencyjne, magnetyczne

Czujniki:

- mechaniczne

- radiacyjne

- termiczne

- magnetyczne

….

Mechaniczne : pomiar przemieszczeń (pojemnościowy), odkształceń, sił, przyspieszeń, ciśnienia….

Mechaniczne:

- piezorezystancyjne - wykorzystujące efekt zmiany rezystancji materiału pod wpływem działającego ciśnienia

- piezoelektryczne

- pojemnościowe

- optyczne

- rezonansowe

Radiacyjne:

- fotorezystory

- fotodiody

- fototranzystory

- matryce CCD

- matryce CMOS

- czujniki piezoelektryczne

- inne

Wykrywanie promieniowania – detekcja zmian natężenia światła, ciepła itp.

Termiczne:

- termopary metalowe i półprzewodnikowe

- termorezystory metalowe (platyna) i półprzewodnikowe (krzem lub tlenki metali)

- termostosy (thermopile – Thermoelectric Infrared Sensors) I ich matryce (czujniki podczerwieni umożliwiające pomiar temperatury z dokładnością 0,1°C)

- termistory (termodiody, termotranzystory)

Magnetyczne

- optyczne (kryształy wykazujące efekt magneto-optyczny, światłowody)

- indukcyjne

- nadprzewodnikowy interferometr kwantowy (SQUIDs)

- czujniki Hall’a

Sensory – typy

Źródła energii:

Pasywne – energia potrzebna do wytworzenia sygnału wyjściowego jest czerpana ze zjawiska fizycznego np. pomiar temperatury z wykorzystaniem termopary

Aktywne – wymagają zewnętrznego źródła energii do wytworzenia sygnału wyjściowego np. pomiar naprężenia z wykorzystaniem tensometru

Sensory – wzmacniacze pomiarowe – Amplifiers

Pomiar zmian oporności

- pośredni

- w układzie mostka

Sensory – przetworniki analogowo-cyfrowe AD Converters

Sensory – czujniki piezoelektryczne

IEPE Accelecometers

Charge Mode Acceletometers

Komputerowe systemy sterowania 5.12

• PC

• Komputer przemyslowy

• PLC

• Mikrokontroler

• FPGA – konfigurowany uklad bramek logicznych

• ASIC – jednokanałowy chip dedykowany dla konkretnego rozwiązania – największa miniaturyzacja

• “embedded systems” – wbudowane

Narzędzia przetwarzające informacje w systemie sterowania

- PC

Ograniczenie : interfejs USB jest szeregowy, dane są wysyłane jedne do drugich, może nastąpić zbyt duza różnica czasu między sterowaniem w kolejnych portach; zbyt wolny

Problem niezawodności

Konieczność zaprogramowania

- Mikrokontroler

Jednostka obliczeniowa

Pamięć

Pamięć programu

Porty wejścia-wyjścia

Praca w pętli, reszta jak w typowym komputerze

Kontrolery transmisji szeregowej

Przetworniki AC i CA

Zegar czasu rzeczywistego

Watchdog

Czujniki wielkości nieelektrycznych

- FPGA – konfigurowalny układ bramek logicznych

Skomplikowany w użyciu, ale niezwykle szybki, całkowicie odmienny sposób działania w stosunku do komputera, wielozadaniowość w trybie równoległym

Roboty neurochirurgiczne i chirurgiczne : cele stosowania i ich podstawowe funkcje

- możliwość przeprowadzenia operacji na odleglosc

- duza precyzja – minimalizacja inwazyjności

- mniejsza ingerencja – lepsze gojenie

- joysticki naśladujące dłonie i nadgarstki lekarza – bardzo prezycyjne ruchy

- większy zakres ruchu niż ludzka kończyna

- kamera umieszczona na jednym z ramion robota – wgląd w pole operacyjne, możliwość sterowania za pomocą głosu

- eliminacje drżenia rąk

- pedały do sterowania ostrością obrazu oraz włączaniem skalpela

- fotokomórki – blokowanie ramion robota kiedy chirurg odrywa głowę od monitora

19.12

Roboty chirurgiczne, nawigacyjne (czynne) pracujace jako narzedzia wykonawcze w systemie odwzorowania trajektorii okreslanej podczas planowania przedoperacyjnego:

Stosowane do operacji - CyberKnife

Neurochirurgiczne - Roboscope

Operacje ortopedyczne – Robodoc

KOLOKWIUM

- narysować i scharakteryzować schemat układu mechatronicznego

- wskazać celowość lub jej brak w zastosowaniach zrobotyzowanych układów w medycynie

- wskazać obszary techniki których rozwój wpływa na rozwój robotów medycznych

[http://www.asimo.pl/teoria/robotyka.php]

Informatyka, automatyka, mikroelektronika, mechanika, biomechanika, technologie produkcyjne i konstrukcyjne, robotyka, ,elektronika, elektrotechnika, inżynieria biomedyczna, telekomunikacja ?

1

Zintegrowane zespoły elementów składowych i podzespołów spełniających różne funkcje, działających na różnych zasadach fizycznych i wykorzystujących różne zjawiska

Istota działania: możliwość reagowania na bodźce zewnętrzne odbierane poprzez czujniki

Funkcja podstawowa : czynność mechaniczna – oddziaływanie na proces

Funkcja decyzyjna – przetwarzania i analizy sygnałów na bazie programu działania układu zdeterminowanego lub opartego na metodach sztucznej inteligencji

Podstawowe cechy układów mechatronicznych:

- funkcjonalność – łatwość realizacji różnych zadań przez jedno urządzenie

- „inteligencja” – możliwość podejmowania decyzji i komunikacji z otoczeniem

- elastyczność – możliwość modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania produkcji oraz eksploatacji urządzenia np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej

- możliwość niewidocznego dla operatora sposobu działania co wymaga zastosowania interfejsu użytkownika dla komunikowania się z operatorem

- zależność od wymagań rynkowych i możliwość technologicznych wykonania

Elementy wykonawcze

- silnik elektryczny

- silnik krokowy

Elementy wykonawcze umożliwiają aktywną korektę parametrów wejściowych. Zamykają pętlę sprzężenia zwrotnego. Wymagają dostarczenia energii, muszą posiadać możliwość sterowania poprzez układ procesora.

Silniki i siłowniki : elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne

Krokowe:

- obrotowe – umożliwiają obrót o wielokrotności kąta podstawowego

- liniowe – ruch o wielokrotności przesunięcia podstawowego

Sensory – czujniki wielkości:

- mechanicznych

- elektrycznych

- magnetycznych

- elektromagnetycznych

- chemicznych

- Biosensor

2.

Ponadto pozwala na zwiększenie precyzji, skrócenie czasu operacji i ograniczenie potrzebnego personelu medycznego. Dla pacjentów operacje z wykorzystaniem robotów wiążą się z mniejszym bólem i szybszym dochodzeniem do siebie po operacji dzięki precyzyjnemu operowaniu przez niewielkie otwory zamiast sporych nacięć. Nie ma konieczności uszkadzania np. żebra w celu dokonania operacji. Dodatkowo po zabiegu pozostają tylko niewielkie blizny, niepowodujące takiego dyskomfortu u pacjentów, jak przy klasycznych operacjach. Roboty rehabilitacyjne oferują, nieosiągalną dla człowieka wielokrotną powtarzalność działań. Roboty umożliwiają osiągnięcie większej dokładności i uzyskanie bardziej powtarzalnych wyników przy mniejszym marginesie błędu

Zrobotyzowane urządzenia pomagają we wszystkich życiowych zadaniach takich jak przemieszczanie się, spożywanie posiłków, prostych pracach mechanicznych, nauce i rozrywce. Roboty medyczne stanowią wielki potencjał dla chirurgii, zwiększając jej precyzje i ułatwiając dostęp małoinwazyjny do obszaru operacji. Roboty zastępujące asystenta w czasie operacji.

W tej chwili stosowane są klinicznie amerykańskie roboty da Vinci W Polsce powstały prototypowe roboty pod wspólną nazwą Robin Heart. Robot, teleoperator z komputerem nadzorującym pozwala na przeskalowanie ruchu manipulatora, którym "operuje" chirurg, na odpowiednio dokładne ruchy narzędzi. Poza tym umożliwia usuwanie drżenia dłoni. Dzięki wysokiej jakości toru akwizycji, przesyłu i przetwarzania obrazu tele-manipulatory mogą zapewnić operatorowi znacznie lepszą widoczność pola operacyjnego z możliwością dokonywania powiększeń (nadzór ruchem odbywa się za pomocą obserwacji wzrokowej). Wprowadzono eksperymentalnie sterowanie głosem nie tylko kamery, ale również i innych urządzeń stanowiących wyposażenie sali operacyjnej (system Hermes).

- możliwość przeprowadzenia operacji na odleglosc

- duza precyzja – minimalizacja inwazyjności

- mniejsza ingerencja – lepsze gojenie

- joysticki naśladujące dłonie i nadgarstki lekarza – bardzo prezycyjne ruchy

- większy zakres ruchu niż ludzka kończyna

- kamera umieszczona na jednym z ramion robota – wgląd w pole operacyjne, możliwość sterowania za pomocą głosu

- eliminacje drżenia rąk i czynnika zmeczenia rąk

- pedały do sterowania ostrością obrazu oraz włączaniem skalpela

- fotokomórki – blokowanie ramion robota kiedy chirurg odrywa głowę od monitora

- możliwość operacji na głębszym i węższym polu operacyjnym

3

- terapie medyczne i zachowania człowieka

- elementy wykonawcze

- czujniki

- systemy sterowania

- interfejsy człowiek-maszyna

- systemy zasilania

- materiały biozgodne