В крупных медицинских учреждениях актуальной является проблема навигации в помещениях для отслеживания перемещений пациентов, медперсонала, мобильных роботов, медицинского оборудования. В статье представлен обзор современных технологий и отечественных разработок, которые могут быть использованы для решения этой задачи.
В перспективе в медицинских учреждениях должны получить широкое применение автономные мобильные сервисные медицинские роботы, предназначенные для транспортировки медикаментов, телеприсутствия, справочно-информационного обеспечения и выполнения других функций [1].
Такие медицинские роботы будут компактными, многофункциональными и подвижными. Их назначение заключается в поиске объектов, взаимодействии и получении от них информации, хранении этой информации, ее обработке и передаче человеку. Робот должен перемещаться по клинике и в течение заданного отрезка времени выполнять конкретные задачи, поставленные ему оператором.
Для эксплуатации медицинского робота необходимо сформулировать требования к специальной подготовке зданий: уклону пола, ширине дверных проемов, наличию лифтов, системе открывания дверей, навигационной разметке, блокам дистанционного управления и др. Особое внимание должно уделяться обеспечению безопасности при передвижении робота — предупреждению столкновений, наездов и т. п.
При этом все имеющиеся средства навигации в медицинских учреждениях предназначены только для восприятия людьми и не могут быть использованы роботами. Используемые в настоящее время навигационные конструкции в медицинских учреждениях представляют собой набор разнообразных по исполнению, содержанию и дизайну указателей. В крупных организациях, включающих большое количество корпусов, отделений, блоков, количество объектов навигации может достигать нескольких тысяч. Широко распространены информационные стенды, пилоны, световые панели, пластиковые таблички, различные напольные и подвесные конструкции.
В то же время исследования показывают недостаточную доступность и безопасность систем навигации для инвалидов и других маломобильных групп населения [2]. Данный факт приходит в противоречие с требованиями к доступности и безопасности пребывания пациентов в медицинских учреждениях.
Таким образом, актуальной задачей является создание навигационных систем для медицинских учреждений, обеспечивающих управление автономными мобильными роботами, определение местоположения и построение маршрутов для всех категорий пациентов.
Для навигации AGV (англ. Automated Guided Vehicle — «автоматических самоходных тележек») внутри промышленных и складских сооружений широко применяются токоведущий кабель и магнитная лента [3].
В первом случае (см. рис. 1) через кабель, проложенный под полом помещения, подается переменный низкочастотный электрический ток, создающий квазистатическое электромагнитное поле. Это поле обнаруживается приемными катушками, сигналы от которых пропорциональны отклонению от трассы, что позволяет автоматически корректировать траекторию перемещения тележки. Модуляция частоты подаваемого по кабелю тока позволяет передавать дополнительную информацию.
Рис. 1. Система навигации мобильного робота по токоведущему кабелю
а) аппаратный состав: ТК ‒ токоведущий кабель; ПК ‒ приемные катушки; БУ ‒ блок управления; СШ ‒ самоходное шасси
б) навигационная трасса, заданная токоведущим кабелем
Для навигации в основном используется сигнал траекторного рассогласования, определяемый как разность векторов напряженности магнитного поля Н1, Н2, измеряемого обоими приемными катушками
δ = Н1 ‒ Н2. (1)
Аналогично осуществляется навигация по магнитной ленте, проложенной на полу помещения (см. рис. 2).
Рис. 2. Роботы, использующие для навигации магнитную ленту
В первом случае недостаток состоит в необходимости использования токоведущего кабеля с подключенным к нему контактным способом генератором переменного тока. Применение системы второго типа ограничено необходимостью регулярной замены магнитной ленты из-за износа, вызванного трением и повреждениями.
Для преодоления указанных недостатков может быть использован способ навигации по однопроводной линии радиопередачи, разработанный в АО «НИИМА «Прогресс» для автономных роботов и транспортных средств, управляемых экипажем [4].
Данный способ (см. рис. 3) позволяет определять радиоволновым способом линейное отклонение и путевой угол относительно уложенного в пол или грунт одиночного провода (однопроводной линии радиопередачи), возбуждаемого находящимся радиопередающим блоком, за счет регистрации радиоприемным блоком амплитуды и фазы сигнала. Амплитуда сигнала характеризует величину отклонения от трассы, а фаза показывает направление отклонения, что позволяет использовать для определения траекторного рассогласования всего одну антенну.
Рис. 3. Способ навигации по однопроводной линии передачи:
ГВЧ ‒ генератор высокой частоты; ПрД ‒ радиопередающий блок; ЛП ‒ линия передачи; ОС ‒ окружающая среда; R ‒ активная нагрузка; ПрМ ‒ радиоприемный блок; БУ ‒ блок управления (бортовая информационно-управляющая система); БТ ‒ беспилотное транспортное средство
Бортовой радиоприемный блок получает сигналы от однопроводной линии радиопередачи, находящейся в высокочастотном электромагнитном поле бортового радиопередающего блока, посредством индукционной связи через две среды распространения (несущую или опорную поверхность движителя и атмосферу). Однопроводная линия радиопередачи представляет собой кабель с жилами из проводника или диэлектрика.
Для приема сигнала от однопроводной линии радиопередачи могут быть использованы магнитные антенны, а также катушки индуктивности, возбуждаемые высокочастотным полем магнитных антенн из состава радиоприемного блока.
Преимуществом данного метода является навигация робота на влажной поверхности, при наличии разрывов в однопроводной линии радиопередачи, а также бесконтактное возбуждение однопроводной линии радиопередачи, при котором исключается электрический пробой.
Анализ применимости магнитометрии, инерциальных и акустических технологий для локализации пациента в здании клиники показал, что ни один из этих подходов не может быть использован самостоятельно. Использование магнитометра затруднено помехами, создаваемыми рентгеновскими и МРТ-установками. Инерциальные датчики накапливают ошибку со временем, поэтому они нуждаются в постоянной коррекции. Аппараты УЗИ создают помехи для ультразвуковых датчиков [5].
С другой стороны, большое внимание уделяется проблемам электромагнитной совместимости с медицинским оборудованием в целях недопущения нарушений его работоспособности.
В настоящее время одним из направлений совершенствования системы оказания медицинских услуг является использование информационно-телекоммуникационных технологий, позволяющих быстро получать необходимую информацию с использованием портативных носимых устройств — смартфонов или планшетов, которые массово используются практически всеми категориями пользователей.
Для ориентации внутри зданий предназначены системы Indoor-навигации — разновидность систем локальной навигации, позволяющих определять координаты в отсутствие сигналов спутниковых навигационных систем, которые экранируются стенами помещения. В системах Indoor-навигации применяются специальные метки или активные излучающие радиомаяки.
Для идентификации и отслеживания перемещения объектов в логистических решениях широко применяются RFID-метки (от англ. Radio Frequency IDentification – «радиочастотная идентификация»). Конструкция RFID-метки включает антенну и микросхему для хранения информации объемом не менее 128 бит, которая принимается ридером (считывателем). Информация впоследствии может быть перезаписана, метки выпускаются в устойчивом к климатическим и механическим воздействиям исполнении, что позволяет их многократно и длительно использовать.
Самые простые и недорогие пассивные метки не имеют собственного источника питания и работают только при контакте со считывателем. Полупассивные метки имеют источник питания, позволяющий им работать на большем расстоянии от считывателя. Активные метки имеют расширенный функционал и мощный источник питания, позволяющий излучать радиосигнал на дальность более 50 метров.
По используемому частотному диапазону RFID-метки подразделяются на:
— сверхвысокочастотные (860...960 МГц);
— высокочастотные (13,56 МГц);
— низкочастотные (125–164 кГц).
Существенным недостатком является то, что RFID-метки не могут использоваться для отслеживания изделий из металла или с высоким содержанием воды.
В коммерческих разработках систем Indoor-навигации, предназначенных для навигации персонала с портативными носимыми устройствами, используются технологии NFER, ZigBee, NanoLOC. К настоящему времени наиболее перспективными выглядят системы на базе UWB и BLE.
Технология UWB (англ. Ultra-Wide Band – «сверхширокая полоса») использует радиочастотные каналы с шириной полосы более 500 МГц. На ее базе создаются RTLS-системы (Real Time Location System – «системы определения местоположения в режиме реального времени») для использования в помещениях сложной формы при наличии помех.
UWB-системы работают в диапазоне частот от 2,85...10,6 ГГц, при этом спектральная плотность мощности в помещении не превышает −47 дБм/МГц. Скорость передачи информации составляет до 480 Мбит/с на расстоянии до 3 м, а с увеличением расстояния до 10 м она снижается до 110 Мбит/с.
Во многих сферах деятельности успешно применяется Bluetooth Low Energy (BLE) — радиочастотная технология беспроводной связи, представляющая собой энергосберегающий вариант технологии персональной сети Bluetooth, предназначенный для создания сетей интернета вещей (англ. Internet of Things – IoT).
В технологии BLE используется скачкообразная перестройка частоты в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц для связи находящихся на расстоянии 10...20 м (в ряде случаев до 100 м) устройств с максимальной скоростью передачи информации 1 Мбит/с при потребляемой мощности 0,01...0,50 Вт. Определение координат объектов осуществляется методами RSSI и AoA с предельной погрешностью измерений около 10 см. При необходимости устройства могут отключаться или переводиться в спящий режим между подключениями длительностью не более нескольких секунд, что позволяет снизить потребление энергии.
Метод RSSI (англ. Received Signal Strength Indicator) представляет собой определение расстояния до радиопередатчика по мощности (уровню) излучаемого им сигнала
где Pпр – мощность сигнала на дальности D; P0 – мощность сигнала на калибровочной дальности D0; η – коэффициент ослабления сигнала в среде распространения.
Метод AoA (англ. Angle of Arrival), или пеленгационный метод, заключается в определении положения объекта по углу прибытия сигнала. Если первый радиопередатчик (или маяк) находится в начале системы относительных координат (0, 0), а второй маяк разнесен с ним на известное расстояние, то относительные координаты приемника в точке А (см. рис. 4) определяются как
где x2, y2 – координаты второго маяка; θ1, θ2 – углы прибытия сигнала от первого и второго маяков.
Рис. 4. Определение положения объекта методом AoA
АО «НИИМА «Прогресс» в рамках создания аппаратно-программного комплекса средств программно-аппаратной платформы для системы интеллектуальной навигации с использованием технологии искусственного интеллекта разработала систему навигации внутри помещений на базе технологий Bluetooth/Wi-Fi (с поддержкой RTT – англ. Round Trip Time, «время приема-передачи»).
На рис. 5 показаны составные части данной системы: роутер Wi-Fi RTT, анкер UWB и маяки Bluetooth.
Рис. 5. Элементы системы Indoor-навигации разработки АО «НИИМА «Прогресс»
В состав также входят серверная платформа и приложение для смартфона или планшета. Дополнительно могут использоваться носимые метки и браслеты.
Применение меток и браслетов особенно актуально для медицинских учреждений в связи с тем, что для медперсонала важнейшей задачей является отслеживание в режиме реального времени перемещений пациентов для своевременного оказания им медицинской помощи. Это особенно актуально для больных, перенесших сложные хирургические вмешательства, после которых могут иметь место послеоперационные осложнения [5].
Терминал Indoor-навигации представляет собой портативное носимое устройство: смартфон или планшет со специальным программным обеспечением. Для реализации аппаратной части использованы модули собственной разработки АО «НИИМА «Прогресс».
Wi-Fi + Bluetooth-модуль ПР32-В3 (см. рис. 6) предназначен для вычисления текущих координат и скорости объекта в реальном масштабе времени в автономном и дифференциальном режимах, формирования секундной метки времени и обмена информацией с внешней аппаратурой.
Рис. 6. Модуль ПР32-В3: внешний вид и структурная схема
ПР4502 Bluetooth-модуль (см. рис. 7) служит для реализации беспроводного канала связи и навигации.
Рис. 7. Модуль ПР4502: внешний вид и структурная схема
Модули ПР4502 используются в конструкции Bluetooth-маяков, показанных на рис. 8.
Рис. 8. Bluetooth-маяк на основе модуля ПР4502 для системы навигации внутри помещений
Для навигации в помещениях также могут быть использованы и радиосистемы других частотных диапазонов, например, 300...350 МГц, 450...470 МГц. Локальная система навигации, разработанная в АО «НИИМА «Прогресс», обеспечивает непрерывную «бесшовную» навигацию на открытом пространстве и внутри помещений, что позволяет ее применять при перемещении пациентов, медикаментов и оборудования между разными медицинскими учреждениями «от двери до двери».
Литература:
1. Рогаткин Д. А., Лапаева Л. Г. Медико-технические требования к автономным мобильным сервисным медицинским роботам//Робототехника и техническая кибернетика. 2016. № 2 (11). С.45-51.
2. Курмангулов А. А. Особенности конструктивно-технологических решений систем навигации медицинских организаций Российской Федерации//Современные достижения молодых ученых в медицине – 2021. Сборник материалов VIII республиканской научно-практической конференции с международным участием. Гродно. С. 143–145. 1 электрон. опт. диск.
3. Moshayedi A. J., Jinsong L., Liao L. AGV (Automated Guided Vehicle) robot: Mission and obstacles in design and performance. Journal of Simulation and Analysis of Novel Technologies in Mechanical Engineering, 2019, vol. 12, iss. 4, pp. 5–18.
4. Способ навигации транспортной и технологической машины по однопроводной линии радиопередачи. Заявка на изобретение № 2023107633. Приоритет от 29.03.2023/АО «НИИМА «Прогресс»/А. В. Николаев, Е. И. Старовойтов, З. К. Кондрашов, Е. С. Скиба, А. А. Амбарян, Д. М. Бодунов, Д. А. Прохоркин, А. В. Колесников, Н. Б. Федосова.
5. Черепанова И. В., Поспелова И. В., Брагин Д. С., Серебрякова В. Н. Магнитометрия, акустические и инерциальные технологии локального позиционирования в здравоохранении//Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 5. С. 7–23. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-5-7-23.
