Biomecatronica in medicina

Biomecatronica in medicina

Nu doar domeniul constructiilor este unul in care se poate evidentia importanta mecatronicii si a integronicii, ci si domeniul medical, in care isi are o sporita aplicabilitate biomecatronica, prin numerosii roboti pe care ii pune la dispozitia medicilor, spre o reusita mai spectaculoasa in domeniul chirurgiei si deci in munca lor de a salva vieti omenesti.

Prezenta unor roboti in sala de operatii devine indispensabila cand e vorba de a furniza medicilor chirurgi un al treilea brat sau o precizie superumana. Dar asta nu inseamna ca medicii chirurgi sunt obligati sa se retraga de la masa de operatie ci, mai degraba, ca vor avea la dispozitie instrumente mai bune.

Prin intermediul acestor roboti se pot face operatii chiar de la distanta, prin intermediul satelitilor. Astfel o operatie mai complicata, poate fi executata de medici profesionisti din alte tari, care prin monitoare urmaresc desfasurarea operatiei si operatiunilor simultane, imaginile fiind transmise prin satelit (la fel si comenzile de executie a unor manevre).

Una din cele mai tinere stiinte care s-a delimitat in ultimele decenii, este bionica.

Notiunea provine din cuplarea notiunilor de biologie si electronica, pentru a desemna cercetarile de cibernetica orientate in special spre studiul simularii mecanice a unor functii caracteristice organismelor. Bionica a fost definita ca stiinta care studiaza functiile organismelor vii si simularea prin mijloace tehnice a acestor functii. Printre obiectivele cercetarii bionice actuale, o atentie speciala este acordata:

studiului sistemului nervos conceput ca retea hipercomplexa de senzori;

studiului organelor senzoriale;

studiului organelor efectoare.

Studiul organelor efectoare si al proceselor de transmitere a comenzilor catre organele efectoare reprezinta o parte esentiala a bionicii. Solutiile existente in natura vie in acest domeniu sunt extrem de diverse si ingenioase. Studiul si imitarea lor este de o inestimabila utilitate in circumstante nenumarate. Ca exemple tipice pot fi citate cele ale constructiei manipulatoarelor automate si ale pedipulatoarelor automate.

Interesante sunt biomecanismele care realizeaza performante deosebite, cum ar fi cele care realizeaza locomotia prin salt, ce se caracterizeaza prin:

deplasarea rapida;

consum energetic minim;

echilibrare dinamica;

prezinta componente care realizeaza recul elastic.

In domeniul chirurgiei a inceput sa se dezvolte intens si sa se

foloseasca tot mai mult tehnologia, care se preconizeaza a oferi o performanta mai buna pentru pacienti si oportunitati enorme pentru producatorii de instrumente biomedicale. Aceasta anxietate pentru inovatie este ghidata de nevoia de a reduce costurile asociate si productivitatea scazuta a chirurgiei conventionale, ca sa nu mai vorbim de perioada lunga de timp pe care pacientul trebuie s-o petreaca in spital in cazul chirurgiei conventionale.

Chirurgul si tehnicianul formeaza o alianta ca sa poata aplica cele

mai recente dezvoltari ale robotilor, ale simularii, ale senzorilor si ale telecomunicatiilor in domeniul robotilor din chirurgie. Astfel, prin integrarea metodelor traditionale din chirurgie si practic din intreaga medicina, dar si a tehnicilor de ultima generatie, mai ales din domeniul robotilor, se poate obtine un sistem mult mai profesional, in care chirurgul poate ,,colabora" cu robotii, daca se poate spune asa, sau mai bine zis se poate ajuta de ei pentru a usura lucrurile si a efectua totul intr-un timp mult mai scurt.

Toate aceste instrumente de care are nevoie chirurgul, pentru o mai buna vizualizare si precizie, nu l-ar ajuta prea mult daca nu ar fi integrate intr-un sistem complet de care chirurgul se poate folosi.

Sarcina unui chirurg este si aceea de a recreea intr-un mod cat mai realist functiile motore, vizuale sau senzoriale ale pacientilor sai.

Cuvantul ,,robot" evoca diferite imagini, poate in conflict intre ele.

Unii se vor gandi la umanoizi metalici, altii la ramuri ale robotilor industriali, altii la locuri de munca pierdute. Dar in cazul robotilor aplicati in domeniul sanatatii, acestia au numeroase contributii: de la robotii cei mai simplii folositi in laboratoare la cei mult mai perfectionati care ajuta chirurgii in operatii extrem de complexe.

Miscarea robotilor poate fi controlata precis (miscarea lor fiind totusi limitata) de un program special creat sau de o telecomanda. Aici se evidentiaza mult mai clar integrarea unei alte ramuri, aceea a informaticii, componenta fara de care sistemul integrator nu ar fi fost complet si deci nu ar fi putut functiona la cote maxime.

Intr-un spital al viitorului este necesar sa se evolueze la sisteme tehnice si informatizate ale medicinii si chirurgiei, pentru a putea oferi un diagnostic cat mai precis si o participare la terapie care sa garanteze reabilitarea intr-o forma maxima. Aceasta diagnosticare cat mai precisa si terapia mult mai rapida vor ajuta la relatia doctor-pacient, ce va fi mult mai clara si mai transparenta.

Exista numeroase sisteme interesate de aceasta evolutie, cum ar fi ramura instrumentelor medicale si chirurgicale adaptate la noi metodologii de participare la integrarea intr-un sistem general, care se bazeaza mai ales pe copierea corpului uman si redarea lui in astfel de instrumente.

Robotii au devenit astfel unul dintre cele mai importante aspecte in domeniile medicinii de baza, a chirurgiei si a farmaceuticii. Robotii sunt ideali pentru proceduri care devin monotone si repetitive pentru om, cauzand o prematura plictiseala operatorului, sau pentru proceduri care cer o precizie mecanica extraordinara.

Constitutia fizica a unui robot este divizata in mai multe parti diferite: bratul (actuatorul sau manipulatorul), care este partea cea mai importanta si care il caracterizeaza cel mai mult, executorul final, care de obicei este dedicat unei aplicatii particulare, un dispozitiv de executie, care comanda executia mai multor miscari, si dispozitivul de control (microprocesorul) folosit pentru coordonate si cooperare intre toate elementele componente ale robotului. Toate aceste parti trebuie sa fie integrate perfect in acest sistem, in cazul nostru numit robot, nici una din componente neputand lucra singura, sau doar cu o parte din componentele ramase.   

In medicina sunt folositi roboti de diferite forme, in diferite domenii. Astfel in chirurgie sunt folositi roboti pentru microchirurgie, endoscopie, ortopedie, roboti celulari pentru operatii in chirurgia celulara, roboti de simulare, iar pentru inspectie si control sunt folositi roboti pentru diferite probe necesare unui diagnostic sau pentru investigatii medicale complexe.

In medicina, partile cele mai folosite ale unui robot sunt bratul robotic de manipulare si miscarea cu cel putin sase grade de libertate, senzorii, sistemul de control si sistemul de vizualizare de inalta calitate. Totul trebuie sa fie conditionat de timpul real in care robotul poate executa diferite operatii.

Tehnologia tipurilor de roboti aplicatii in medicina are trei ramuri principale: macrorobotica, microrobotica si biorobotica.

Macrorobotica include dezvoltarea sistemelor robotice pentru scaunele cu rotile si pentru reabilitare, dar si instrumentele si tehnicile noi folosite in chirurgie.

Microrobotica, in schimb, ofera contributii remarcabile in aria microchirurgiei si in dezvoltarea unei noi generatii de produse mecatronice in miniatura folosite in chirurgia conventionala.

Aria bioroboticii este cea in care sistemele robotice sunt vazute, in sens metaforic, ca sisteme biologice. Aceasta arie ofera o conexiune intre resursele biologice din stiinta si inteligenta artificiala. Astfel, cercetarile din biorobotica ofera tot mai mult solutii pentru substituirea de organe umane, cu unele artificiale, ce copiaza functiile organului uman.

Noi pasi facuti in aria materialelor piezoelectrice si a celor cu memorie a formei, permit realizarea unor roboti microminiaturizati si a unor sisteme de actuatori aplicabile intr-un larg spectru de probleme. Noi tipuri de micromecanisme pot fi acum construite pentru a masura lucruri cu adevarat mici si pentru a produce forte de intensitate extrem de scazuta. Astfel de instrumente pot fi construite in asa fel incat sa ia forme diverse in functie de variatia temperaturii.

O alta ramura a chirurgiei in care mecatronica si-a gasit aplicabilitatea si care revolutioneaza chirurgia este chirurgia mini-invaziva, ce include endoscopia (chirurgia gastrointestinala), chirurgia abdominala si chirurgia toracoscopica. Aceste tehnici, ce prevad inserarea unor instrumente chirurgicale in corpul pacientului, traversand orificii naturale sau incizii mici, au multe avantaje fata de tehnicile traditionale de operare.

Un alt exemplu este reprezentat de microrobotica pentru aplicatii oftalmologice. Printre obiective se numara realizarea de micromasini si microsenzori dedicati microchirurgiei oftalmologice: chirurgia refractiva, chirurgia cataractei.

Tot robotii sunt folositi si in cazul folosirii unor proteze ce pot inlocui o parte dintr-un anumit membru uman. Pozitia protezei in timpul substitutiei articulatiei este cea mai importanta operatie si are o mare influenta asupra duratei de viata a protezei. Un astfel de robot, care poate controla aceasta operatie de a perfora osul femural, operatie preliminara introducerii protezei, este deja folosit cu succes in practica medicala.

In concluzie si in medicina mecatronica are o mare influenta, folosindu-se numerosi roboti sau sisteme robotizate, cum ar fi: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru interventii neurochirurgicale, telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopica, vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizati la pat, vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, bauturilor si lenjeriei de schimb, vehicule ghidate automat pentru activitati de curatenie si dezinfectie in spitale, sisteme robotizate pentru pregatirea prin simulare, inainte de operatie, a unor interventii chirurgicale etc.

Biomaterialele se utilizeaza pentru interfatarea tesuturilor organismului uman cu materiale folosite pentru implanturi si proteze. Ca materiale implantabile se folosesc in prezent aliaje metalice, ceramica, polimeri si materiale compozite. Biomaterialele trebuie sa indeplineasca anumite conditii specifice, cum ar fi: sa fie netoxice, necancerigene, inerte din punct de vedere chimic, stabile si destul de rezistente pentru o cat mai mare perioada de timp, astfel incat sa nu trebuiasca sa fie schimbate decat la intervale lungi. Producerea de proteze si organe artificiale presupune o buna cunoastere a biomecanicii, care include studierea miscarilor diferitelor organe si celule, deformarea materialelor, transportul sangelui si altor substante prin organism. Specialistii din domeniu se pot profila pe recuperarea medicala, producand in laboratoare proprii proteze unicat, adaptate necesitatilor fiecarui pacient.

Bioinstrumentatia este o aplicatie in domeniul medical al electronicii avansate si a principiilor si tehnicilor de masurare utilizate pentru stabilirea diagnosticului, ca si pentru diverse proceduri terapeutice (explorari medicale prin tehnici imagistice). Specialistul din acest domeniu face parte din echipa de personal medical, fiind responsabil cu realizarea, intretinerea si dezvoltarea bazelor de date pe computer, de inregistrarea biosemnalelor realizata cu echipamente medicale specifice si de utilizarea instrumentelor medicale sofisticate.

El poate de asemenea lucra alaturi de medic la adaptarea instrumentarului medical in functie de necesitatile specifice ale doctorului sau chiar ale spitalului. Aceasta implica adesea interfatarea instrumentelor cu sistemele computerizate si crearea unor softuri specializate pentru controlul instrumentelor si analiza datelor.

Modelarea pe calculator este folosita in analizarea datelor obtinute empiric si descrierea prin formule matematice a fenomenelor fiziologice. Dintre domeniile de aplicabilitate amintim: supravegherea monitorizata a comportamentului corpului uman in timpul operatiilor, al terapiei intensive sau in conditii neobisnuite, dezvoltarea strategiilor pentru decizii clinice bazate pe sisteme expert si inteligenta artificiala, procesarea semnalelor biologice si analiza imagistica, simularea computerizata a functionarii organismului uman, analiza si clasificarea metodelor si tehnologiilor medicale si biologice.

Managementul sanitar cuprinde mai multe domenii de activitate, cum ar fi: analiza raporturilor cost - eficienta si cost - beneficiu in evaluarea programelor de sanatate, evaluarea economica a cercetarii biomedicale, evaluarea riscurilor factorilor de mediu, a mortalitatii, a influentelor mediului inconjurator asupra sanatatii, a indicilor de sanatate, asigurari de sanatate, biostatistici, politica de sanatate si reformele optime aplicabile in domeniul sanitar.

Pentru fiecare componenta a biomecatronicii exista un specialist, fiecare fiind integrat intr-o echipa de profesionisti in biomecatronica. Chiar daca domeniile in care isi exercita functia nu sunt exact aceleasi, pentru a obtine un rezultat satisfacator si viabil si pentru a obtine produse inteligente si revolutionare, aceste domenii trebuie sa fie integrate intr-un sistem mai mare numit biomecatronica, care la randul ei este integrata in domeniul medicinii.

Ingineria materialelor este direct implicata in domenii de activitate a caror diversitate suporta o permanenta expansiune. Aplicatiile din domeniul medical sunt generate atat de cerintele deosebite impuse de practica cat si de continua evolutie a medicinei ca stiinta.

Astfel, prin aparitia conceptului de biocompatibilitate este necesara folosirea unor materiale de sinteza compatibile cu corpul uman (biomateriale) cu un spectru larg de proprietati si transformarea lor in dispozitive medicale care sa corespunda unor parametrii functionali strict impusi.

La randul lor, tehnicile medicale care presupun folosirea biomaterialelor compatibile cu corpul uman, precum si metodele de interventii si investigatii clinice au devenit extrem de sofisticate. Daca in trecut tehnicile medicale erau bazate pe principiul refacerii biologice naturale, acum sunt utilizate tehnicile medicale care presupun folosirea dispozitivelor realizate din biomateriale pentru refacerea mai rapida a tesuturilor sau a functiilor umane, deoarece se reduce perioada de inactivitate a pacientilor.

Aplicatiile care utilizeaza biomateriale sunt diverse: de la implanturi bioresorbabile la proteze articulare, de la scaunele cu rotile pana la organele artificiale, de la modelarea terapiei de dializa pana la modelarea sistemului cardiovascular, ajungand chiar la asigurarea tehnologiei managementului in spitale si urmarirea starii de sanatate a populatiei.

O alta tehnologie revolutionara din domeniul medicinii este imagistica prin rezonanta magnetica. Aceasta tehnica permite obtinerea unor imagini multiplanare din organismul uman, fara utilizarea razelor X, facand posibila diagnosticarea cu precizie a numeroase afectiuni si nefiind periculoasa pentru organismul uman. Astfel se obtin imagini sub forma de sectiuni in orice plan de coordonate.

Investigatia vizualizeaza pana la cele mai mici detalii, nervi sau structuri vasculare fine, tumori etc., astfel putandu-se depista leziuni foarte mici de pana la 2 mm.

Pentru investigatie, pacientul este introdus in interiorul unui magnet, pe un suport, in pozitie orizontala. Semnalele de frecventa-radio emise de aparat ce sunt captate de corpul pacientului si care apoi sunt reemise (fenomenul de rezonanta), sunt percepute de pacient ca zgomote repetate destul de puternice. Antene speciale fixate in zona de investigat, capteaza aceste semnale ce sunt apoi prelucrate de un calculator performant si transformate in imagini. In acest fel se obtin imagini (sectiuni) ale zonei investigate (cap, coloana, etc.) in multiple planuri.

Acesta este un alt exemplu de fuziune intre electronica, mecanica si informatica. Aici se integreaza mai multe elemente pentru ca investigatia sa poata fi folositoare: magnetul, semnalele de frecventa-radio, fenomenul de rezonanta, antenele si calculatorul performant ce reda imaginile. Nici unul dintre aceste nu poate lipsi, caci altfel investigatia nu poate avea un rezultat (ar esua).

Examinarea dureaza aproximativ o jumatate de ora, timp in care pacientul poate comunica cu personalul medical printr-o instalatie cu microfoane.

In domeniul medicinii mai este integrat si un alt mare domeniu revolutionar, si anume domeniul nanotehnologiilor.

Dezvoltarea la nivel mondial a domeniilor "materialelor noi, micro si nanotehnologiilor" este impulsionata de evolutia in domeniul "nanotehnologiilor" care s-a impus ca domeniul de cea mai mare actualitate, cu cea mai mare dinamica si cu un impact "disruptiv/ revolutionar" asupra industriei si societatii pentru urmatoarele decenii.

Gradul mare de noutate al termenului de "nanotehnologie" face ca studiile de prognoza elaborate la nivel international sa acorde atentie definirii acestui nou concept.

Nanotehnologia reprezinta stiinta si tehnologia care au capacitatea de a intelege, controla si manipula materia la dimensiuni nanometrice, ceea ce reprezinta o scara de la nivelul atomilor si moleculelor individuale pana la nivelul "supramolecular" al ciorchinilor de molecule, pana la 100 de diametre moleculare. Operarea la aceste dimensiuni implica intelegerea si stapanirea unor principii stiintifice noi si a unor proprietati noi, care se manifesta atat la scara micro cat si la scara macro si care sunt folosite pentru dezvoltarea de materiale, dispozitive si sisteme cu proprietati, functii si performante esentialmente noi.

Sunt identificate trei motive principale pentru interesul actual in nanotehnologie. Mai intai, nanostiinta ne ajuta sa umplem o lacuna majora in cunoasterea fundamentala a materiei. Intre capatul mic si cel mare al scarii, la nanoscara intermediara, care este pragul natural unde toate sistemele vii si artificiale functioneaza, stim mult mai putine lucruri. Proprietatile si functiile de baza ale structurilor si sistemelor materiale sunt definite aici si chiar mai important, pot fi schimbate in functie de organizarea materiei via interactiunilor moleculare 'slabe' (cum ar fi legaturile hidrogenului, dipolul electrostatic, fortele Van der Waals, forte de suprafata, forte electrofluidice etc.).

Al doilea motiv al interesului in nanotehnologie este ca fenomenele la scara nanometrica promit aplicatii radical noi. Se estimeaza ca nanotehnologia are potentialul de a crea 7 milioane de locuri de munca pana in 2015 pe piata mondiala.

In sfarsit, al treilea motiv al interesului este inceputul prototipizarii industriale si a comercializarii si faptul ca guvernele in lume stimuleaza dezvoltarea nanotehnologiei cat se poate de rapid.

Prin folosirea nanotehnologiei suferinta de pe urma unor boli cronice se poate reduce drastic. Capacitatea de a detecta si trata tumori in primul an de la aparitie sa poate reduce suferintele si numarul cazurilor de decese de pe urma cancerului. Sinteza farmaceutica, procesarea si furnizarea medicamentelor pot fi dezvoltate prin controlul la nanoscara si aproximativ jumatate din substantele farmaceutice vor utiliza nanotehnologia ca o componenta cheie. Vizualizarea functiilor interne si modelarea interactiunilor neuron-neuron vor fi posibile datorita progreselor in domeniul masurarilor si simularii la nanoscara.

Stiinta si ingineria nanobiosistemelor constituie una din cele mai provocatoare componente ale nanotehnologiei, fiind esentiala pentru intelegerea mai buna a sistemelor vii si pentru dezvoltarea unor noi instrumente in medicina, a unor noi solutii in ingrijirea sanatatii (administrarea "la tinta" a unor medicamente, medicina regenerativa sau modelarea neuromorfica) si a unor materiale biocompatibile mai bune sau nanobiomateriale pentru aplicatii industriale. Provocari importante sunt intelegerea proceselor din interiorul celulei sau a sistemului neural. Nanobiosistemele furnizeaza modele pentru nanosisteme create de om.

Convergenta stiintei si ingineriei la nanoscara va stabili un tipar principal pentru aplicarea si integrarea nanotehnologiei in biologie, electronica, medicina, intelegerea fenomenelor si alte domenii. Aici sunt cuprinse manufacturarea de materiale hibride, ingineria neuromorfica, organele artificiale, extinderea duratei de viata, cresterea productivitatii, aprofundarea capacitatilor de intelegere si senzoriale.