Технология использования медицинского оборудования и мобильных роботов для оказания помощи раненым

В.А. Корсунский, к.т.н., доцент кафедры

«Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Прикладная медицина продолжает двигаться в направлении заимствования современных технологий с целью улучшения качества медицинского обслуживания заказчиков. Инновации и технологии в области военной медицины направлены на одну общую цель – сохранение жизни солдат. Одним из примеров применения новых технологий в военной области является использование системы жизнеобеспечения и транспортирования пострадавших LSTAT (Life Support for Trauma and Transport), которая представляет собой интеллектуальные носилки для транспортирования людей не способных самостоятельно передвигаться (рис. 1).

Во время ведения боевых действий в Персидском заливе представители военно-медицинского департамента (AMEDD) США обнаружили, что в результате быстрого продвижения вперед войск расстояние и время, затрачиваемое на эвакуацию раненых резко возрасли. Таким образом, возникла необходимость использования транспортной системы для эвакуации и интенсивной терапии пострадавших, что позволило бы избежать риска потери больного при эвакуации на большие расстояния. В 1998 г. после нескольких лет исследований и разработок, AMEDD представил прототип транспортной системы "Trauma Pod", которая получила название LSTAT.

Система LSTAT принята в настоящее время на вооружение в самых больших центрах травматологии США таких, например как тренировочный центр эвакуации раненых военно-морских сил в Лос Анжелесе.

Обладая достоинством интегрированного обследования пациента, система LSTAT представляет передовую технологию в практической области медицины поля боя, позволяя оказывать помощь пациентам, в меньшей степени отвлекая внимание медицинского персонала при эвакуации раненых с поля боя в пункт первой медицинской помощи батальона (BAS) или в боевой госпиталь поддержки.

Доктрины воина сил быстрого реагирования (Objective Force Warrior – OFW) и боевой системы будущего (Future Combat System – FCS) предписывают небольшим боевым соединениям осуществлять быстрое передвижение по широкому спектру территорий с прикомандированным медицинским персоналом военного мобильного госпиталя (Combat Support Hospital – CSH). Предполагается, что вскоре CSH вместо составной части боевых подразделений (units of action – UA) будет являться единицей обслуживающих частей и разместится в тылу, осуществляя поддержку боевых единиц. В таком случае возможности системы LSTAT и соответственно боевых систем поддержки раненых станут чрезвычайно важными для боевых сил будущего.

Конструкция LSTAT располагает возможностями ее дальнейшего совершенствования и создания следующего поколения системы путем дополнения и включения продвинутых медицинских робототехнических технологий, информационных систем, датчиков и других устройств медицинского назначения, которые в настоящее время находятся в стадии разработки или появятся в ближайшее время в течение не более 10 лет. Исследуются также способности сочетания LSTAT с роботизированными системами в области диагностики, жизнеобеспечения и терапии, которые отдельно взятая система не может обеспечить самостоятельно.

Прообразом к созданию интегрированной системы LSTAT поддержания жизнеобеспечения и переноски раненого бойца, которая должна устанавливаться на эвакуационной машине – роботе REV, послужило полуавтономное устройство слежения за раненым и поддержания его жизни.

Система LSTAT сконструирована для работы в относительно управляемой среде обитания. В ее состав входит система поддержания среды обитания (ECS) для внутреннего охлаждения, которая может работать при изменении температуры внешней среды от 0 до +40 ºС. Основное оборудование системы LSTAT (рис. 2) включает в себя также бортовое устройство физиологического мониторинга, аппаратуру для дефибрилляции, устройство распределения жидкости, вентиляционную систему, подсистему для снабжения кислородом, систему энергообеспечения, вспомогательные источники переменного и постоянного тока, подсистему управления средой обитания, портативный клинический анализатор, дисплей с подсистемой регистрации данных и вторичную беспроводную рабочую станцию ввода данных.

Дисплей с подсистемой регистрации данных (DDLS) записывает физиологические данные пациента и статус оборудования LSTAT. Записанные данные хранятся в памяти системы в течение 72 часов. При запуске система LSTAT автоматически выполняет тестирование и определяет состояние подсистемы DDLS. Подсистема DDLS имеет два режима: рабочий и технического обслуживания. В рабочем режиме подсистема DDLS выполняет функцию регистрации и отображения данных, что позволяет оператору дистанционно управлять ими в интерактивном режиме с внешнего компьютера. Режим технического обслуживания используется для отладки параметров подсистемы и регистрации данных.

 

В случае необходимости модернизации существующей архитектуры LSTAT с целью внедрения новых технологий предусмотрена разработка интерфейса передачи данных, требований к вычислительной технике, источникам энергообеспечения и способов применения системы. Разработчиками оценивается важность каждой дополнительной функции, а также устанавливаются временные рамки доведения образца до практического использования в полевых условиях.

В США для обнаружения раненого используется несколько передовых технологий, включающих устройство дистанционного обнаружения и оценки состояния раненых (Remote Casualty Location and Assessment Device – RCLAD), которое с помощью широкополосного радара обнаружения движения может распознать сердцебиение и дыхание, как с близкого расстояния, так и через девятиметровый слой бетонной преграды (рис. 3).

 

Медицинский центр управления по исследованиям и разработкам медицинского оборудования для нужд армии США (USA MRMC) совместно с фирмой Интегрированные медицинские системы (Integrated Medical Systems, Inc.) доработали систему LSTAT с целью ее использования внутри безэкипажных роботизированных медицинских эвакуационных машин типа REX или REV (см. статью в №2 за 2011 г.).

В настоящее время инженерный центр исследований и разработок бронетанковой техники (TARDEC), научно-исследовательский центр перспективных технологий и телемедицины (TATRC), отдел перспективных разработок по робототехнике (DARPA) и объединенное управление робототехнических программ (JRPO) министерства обороны США сотрудничают в проведении доказательств:

1) жизнеспособности концепции оказания помощи раненым в рамках программы FCS – боевые системы будущего, как модульной способности (в противоположность автономной) стандарта малых безэкипажных машин военного назначения;

2) конкурентного развития объединенных способностей взаимодействия двух и более роботов для удаления раненых с поля боя, а также при проведении разведывательных операций.

В дополнение к работам по доказательствам концептуальных прототипов TATRC направляет свои усилия на объединение различных инновационных исследований в сфере малого бизнеса (SBIR) TARDEC, JRPO и поддерживаемых Конгрессом США проектов использующих общую архитектуру управления безэкипажными машинами (JAUS) для выдачи команд и управления несколькими робототехническими системами.

Правительство США осуществляет содействие взаимному сотрудничеству нескольких робототехнических компаний в интегрировании и консолидации продолжающихся военных и гражданских исследований и разработок в области оказания помощи пострадавшим в критических ситуациях.

Один из более ранних проектов центра TATRC создания робототехнической системы эвакуации раненых был выполнен компанией Foster-Miller Inc. при финансовой поддержке американского агентства (Broad Agency Announcement – BAA) медицинского управления MRMC. Концепция проекта касалась разработки конструкции самоходных роботизированных носилок стандарта НАТО, в которых можно было бы использовать систему поддержания жизни LSTAT.

Предполагалось, что сконструированные таким образом роботизированные носилки при установке на один из образцов дистанционно управляемых машин боевых систем будущего (FCS), достигнут поставленных целей.

Основными технологическими операциями по эвакуации раненых с поля боя с помощью мобильного робота (МР) являлись следующие.

1)      Выравнивание робота по отношению к раненому (причаливание).

Корпус робота должен располагаться по отношению к раненому так, чтобы центр симметрии тела был почти параллелен продольной оси установленных на роботе носилок. Этого можно было также достичь при использовании удлиняющегося манипулятора робота, при необходимости, разворачивая сами носилки.

1)      Подготовка раненого к подъему.

Для исключения нанесения дальнейших повреждений (травм) раненому важно, чтобы подъем выполнялся при минимальных перемещения (сменах положения) тела. Следовательно, грузовой модуль должен быть сконструирован так, чтобы достичь нижней части тела бойца и плавно поднять (повернуть) его на угол приблизительно 15 – 30º. В этой позиции необходимо подвести под раненого подъемно-поворотное устройство до момента касания транспортера с частями тела (рис. 4).

3) Подъем и переноска (транспортирование) раненого.

Конструкция подъёмного устройства включала в себя ленточный транспортер, поддерживающие ролики которого приводились в движение с помощью электродвигателей, и расположенный параллельно продольной оси конвейера предохранительный элемент треугольного профиля. В качестве корда ленты транспортера может использоваться полиуретан или полиэстер с наклонными более жесткими выступами для облегчения захвата одежды раненого бойца. Как только тело раненого приподнимется с помощью треугольного элемента подъемного механизма, который немного продвинется под тело, вступят в действие несколько передних рядов роликов, взаимодействующих с лентой и выступами, которые, цепляясь за форменную одежду бойца, переместят тело до определенного положения. Подъемный механизм должен устанавливаться так, чтобы обеспечивать роботу наиболее низкое расположение центра масс системы. В этом случае при движении по пересеченной местности будет обеспечено устойчивое движение МР с раненым. Подъемно-поворотное устройство сконструировано таким образом, что может поворачиваться на угол 90º по отношению к продольной оси робота. Это необходимо для того, чтобы обеспечить поворот носилок с раненым при проезде робота через дверные проемы и маневрировании по лестничным маршам. Раненый боец может быть защищен от поражения дополнительным защитным ограждением, выполненным из кевлара. Конструкция ограждения (на рис.4 не показана) выполнена с откидывающейся внутрь своего корпуса крышкой и напоминает ларь для хранения хлеба. В качестве ограждения можно также использовать предохранительный (треугольный) элемент подъемного устройства. В конструкции носилок должны быть предусмотрены ремни безопасности (например, как в автомобиле) для фиксации раненого и предохранения от падения при движении робота по пересеченной местности.

При использовании МР Talon в качестве прототипа базовой платформы для робота санитара (REX по классификации США) могут возникнуть следующие проблемы:

1) нагрузка на ходовую часть штатного робота, собственная максимальная масса которого составляет всего 64 кг (при полезной допустимой нагрузке 45 кг), резко увеличится (с учетом веса раненого военнослужащего в обмундировании и погрузочного устройства суммарная масса возрастет более чем на 150 кг);

2) это потребует значительно увеличить габаритные размеры робота и ухудшит его маневренность (поворотливость), если не увеличивать энерговооруженность машины;

3) даже при сохранении энерговооруженности на прежнем уровне потребуется установка более мощных тяговых электродвигателей, а поскольку компоновочные возможности МР практически исчерпаны, это вызовет дополнительные трудности;

4) при возросшей массе МР потребуется установка новых источников энергообеспечения (аккумуляторов), чтобы обеспечить такое же время работы без подзарядки, как у робота Talon;

5) более высокое расположения центра масс машины приведет к неизбежному ухудшению проходимости робота и его устойчивости при преодолении препятствий (возможно опрокидывание);

6) потребуется введение системы подрессоривания либо всей системы, либо раненого бойца с носилками (если использовать LSTAT);

7) с целью минимизации времени доставки раненого военнослужащего к машине REV или к другому транспортному средству с последующей эвакуацией потребуется еще более мощная энергетическая установка. (Максимальная скорость МР Talon невысока и составляет всего 8,3 км/ч).

Перечисленные недостатки потребуют полного переоборудования платформы робота Talon и создания практически нового робота.

По предварительным расчетным оценкам масса МР-санитара должна составлять не менее 200 – 250 кг, при этом полная масса робота с нагрузкой составит около 350 – 400 кг (с учетом массы погрузочного устройства и массы раненого бойца в обмундировании).

Научно-исследовательский центр перспективных технологий и телемедицины (TATRC) регулярно проводит демонстрационные испытания образцов новой техники для подтверждения правильности выбранных концептуальные возможностей применения, в том числе робтов-санитаров. Целью одних из последних испытаний TATRC было подтвердить возможности потенциальных приложений боевых систем будущего (Future Combat System) небольших безэкипажных наземных машин (Small UGV) и робота MULE (Multifunction Utility Logistics Equipment) в медицинских целях. Эти роботизированные машины отмечены также военным командованием самоходных танков США (TACOM) как обладающие потенциальными возможностями для выполнения задач охраны и разведки в качестве робота-часового. Для выполнения задач роботизированной охраны и функций военной медицины требуется практически одинаковое аппаратное и программное обеспечение роботов. Главные систематические различия охватывают задачи, связанные с грузоподъёмностью и технологиями подразумеваемого применения роботизированных систем.

Один из вариантов мобильного робота высокой проходимости MULE, разработанных фирмой Lockheed Martin для боевых действий в рамках программы “Боевые системы будущего – (FCS)”, также может использоваться в качестве транспортной платформы роботизированной эвакуационной машины REV. Для этих целей потребуется небольшая доработка опытного образца машины, заключающаяся в изменении облика верхней части (выравнивании) корпуса машины. Масса данного образца робота MULE (рис.5) составляет около 700 кг. Он может перевозить полезную нагрузку до 50 % от собственной массы. Силовая установка робота является гибридной электрической, что обеспечивает роботу возможность длительного пребывания в режиме длительного “молчания”. MULE также обладает достаточным частотным диапазоном (полосой пропускания) для поддержания режима телемедицины и передачи видеоизображения.

 

Другим примером применения пары роботов по технологии “кенгуру” для эвакуации пострадавшего (раненого) является концепция и методика, разработанные в рамках проекта роботизированной экстремальной медицины и обнаружения опасности (Robotic Emergency Medicine and Danger Detection – REMeD-D), возглавляемого центром дистанционной медицинской помощи обслуживаемых районов (CERMUSA).

Роль малого робота (REX), осуществляющего поиск и локализацию пострадавшего (раненого) в опасной зоне, выполняет Packbot фирмы iRobot. МР Packbot, оснащенный датчиками химического и биологического обнаружения, а также видеокамерами с высокой разрешающей способностью, десантируется роботом большего размера.

В качестве робота – эвакуатора большой грузоподъемности (REV) предлагается использовать телеуправляемую машину Gator с гусеничным движителем высокой проходимости, разработанную компанией John Deer (рис. 6). Эвакуационный робот Gator оснащен устройством захвата и погрузки пациента компании Foster-Miller, состоящим из двух симметрично расположенных по бокам корпуса робота манипуляторов и ленточного конвейера. Погрузочное устройство вместе с пациентом втягивается внутрь эвакуационной машины при помощи мощных гидравлических приводов.

 

Перспективы дальнейших разработок и существующие проблемы.

Так как Министерство обороны США планирует к 2015 г. модернизировать треть всего парка моторизованной техники и сделать ее автономно управляемой, то эти нововведения затронут также область военной медицины.

Полностью автономное выполнение технологических операций по поиску и извлечения раненого из опасной среды в настоящее время ограничивается как аппаратным, так и программным обеспечением. Для достижения поставленной цели в рамках отведенного финансирования необходимо достичь конструктивных компромиссов. При этом ставится задача, чтобы один оператор одновременно управлял в экстремальных условиях несколькими роботами.

Успешным подтверждением принятой в США концепции эвакуации раненых является применение базисной универсальной архитектуры управления безэкипажными машинами (JAUS). Предстоит дать ответ на вопрос, смогут ли дистанционно управляемые системы интегрироваться в существующие структуры оказания экстренной медицинской помощи. Преимуществом применения роботизированных технологий при эвакуации раненых является возможность обеспечения дистанционной передачи данных от датчиков робота, находящегося в потенциально опасной зоне, что улучшает ситуационную информативность.

К недостаткам рассмотренных вариантов можно отнести то, что ограничена степень защиты раненого от повторного поражения в случае боевого применения робота-санитара. К сожалению, предложенная методика роботизированной эвакуации в случае ранения в область шеи не удовлетворяет требованиям стандартов из-за невозможности фиксирования шейных позвонков пациента. Существует также ограничение по времени извлечения пациента из опасной зоны, находящегося в бесчувственном состоянии, которое составляет около 5 минут.
www.mirbez.ru