Latest News

פיתוח מערכת רובוטית למדידה אוטונומית של לחץ תוך גולגלתי באמצעות דופלר אולטראסאונד

מהו רובוט?
רובוט היא מילה מודרנית הקוסמת לאזניהם של אנשים רבים. המילה “רובוט” נטבעה לראשונה ע”י המחזאי הצ’כי קארל צ’אפק בשנת 1921 ונגזרת מהמילה “Robota” – שפירושה “עבודה”. אין מילה עברית למונח רובוט, ולמעשה המילה רובוט היא כמעט אוניברסלית ואומצה ע”י למעלה מ-60 שפות בעולם, כולל יידיש, יפנית, פרסית ואפילו שפת הזולו. למרות שמקובל לחשוב על רובוט כעל מכונה דמוית אדם בעלת כוחות על, שלד מתכתי וקול ממוחשב (בכך אשמה אולי תעשיית הסרטים), פירוש המילה רובוטיקה מעורפלת למדי ואינה מתייחסת לצורת המערכת, לחומר ממנו היא עשויה או לצלם אנוש. מדובר במנגנון מכני, לרוב אלקטרומכני, שנשלט בידי תוכנת מחשב או מעגל מודפס אלקטרוני. הגדרה זו מאוד רחבה וכוללת במסגרתה מערכות רבות – החל במכונת כביסה, דרך מכונית משפחתית וכלה ברובוטים דמויי אדם המשחקים כדורגל, וברכב האוטונומי “Curiosity rover” שנחת על המאדים באוגוסט 2012. למעשה – כל מערכת המסוגלת לבצע תנועה ומבקרת על תנועתה באמצעות מעגל אלקטרוני ו/או מערכת משובצת תוכנה היא למעשה “רובוט”.

רובוטיקה ברפואה
לרובוטיקה יתרונות רבים בביצוע פעולות מגוונות פשוטות ומורכבות. הוצאת תכונות אנושיות כגון עייפות, בלבול או שחיקה אל מחוץ למשוואה מאפשרת ביצוע עבודה בצורה מכנית, מדויקת, הדירה ורציפה – כל זאת בתנאי שאותה עבודה מוגדרת במדויק ובאופן מוחלט ואינה דורשת שימוש בתכונות אנושיות אחרות כגון יצירתיות, כושר אלתור ואינטואיציה. שילוב מערכות רובוטיות בעולם הטכנולוגיה הרפואית היא תופעה התופסת תאוצה הולכת וגוברת, בעיקר לביצוע עבודות הדורשות יכולות “על אנושיות” כגון: הפעלת כוחות מדודים, תזוזה במהירות רבה תוך דיוק גבוה, שימוש בחיישנים מגוונים “על אנושיים” כגון רנטגן ואולטראסאונד, פעולה בסביבה חריגה כגון קרינה, חוסר חמצן, סביבה ביולוגית, סביבה סטרילית, ממדים קטנים מאוד כגון שתלים וגלולות אלקטרוניות ועוד.

רובוטיקה למדידת לחץ תוך גולגלתי (ICP)
לחץ תוך גולגלתי או (IntraCranial Pressure) הוא לחץ המופעל בתוך הגולגולת על רקמות המוח, על הנוזל התוך-מוחי ועל מחזור הדם המוחי. ערכו דינמי ונע בין 7 ל-15 מ”מ כספית בטווח הנורמה. עלייה בלחץ התוך גולגלתי הינה תופעה מסוכנת העלולה להתרחש כתוצאה מדימום תוך גולגלתי, לרוב עקב חבלה חזקה בראש או עקב שבץ מוחי. מדידת לחץ תוך גולגלתי מבוצעת באמצעות דיקור מותני והפקת נוזל שדרה, או באמצעות קידוח בגולגולת המטופל והחדרת חיישן לחץ לאזור המדידה בתוך המוח. פעולות אלה מסוכנות ומורכבות לביצוע, בנוסף הן עלולות להחמיר את התופעה, להגביר את הלחץ ולהחדיר זיהומים מסוכנים לגוף. בשנים האחרונות פותחה שיטה חדשנית למדידת לחץ תוך גולגלתי לא פולשנית המתבססת על מדידת השתנות זרימת הדם בשני מקטעים שונים של העורק האופטלמי, תוך הפעלת לחץ חיצוני מתגבר על גלגל העין. כדי לבצע מדידה, יש להצמיד מתמר אלטרסוני (Doppler ultrasound transducer) לעפעף המטופל במיקום הנכון ובאוריינטציה הנכונה ליצירת וקטור שחוצה את שני מקטעי העורק האופטלמי (, Intracranial segment) הנמצא מאחורי גלגל העין. לאחר מציאת הוקטור יש לקבע את המתמר במקומו ולהפעיל לחץ חיצוני מתגבר תוך מדידת השתנות הזרימה בשני המקטעים הנמדדים עד הגעה לשוויון לחצים. העקרונות הפיזיקליים דומים לעקרון המאזניים המיושם במדידת לחץ דם בזרוע. תהליך המדידה אינו פולשני, אינו כואב כלל ומניב תוצאות מדויקות ביותר. הצמדת המתמר במיקום ובאוריינטציה הנכונה לצורך ביצוע המדידה אינה פשוטה כלל עקב השונות האנטומית בין אנשים במבנה הגולגולת, בגודל העיניים, במיקום ובפיתולי מקטעי העורק האופטמלי. כדי למצוא את המיקום הנכון נדרשת “סריקה” רציפה של המתמר סביב מרכז העין תוך כדי הזזת המתמר בשני צירים ביחס לעין (מעלה-מטה, ימינה-שמאלה), סיבובו בשני צירים נוספים (עלרוד וסבסוב) והצמדתו לעפעף כדי לאפשר תווך מעבר רציף לגלי האולטראסאונד. לאחר מציאת המיקום והאוריינטציה הנכונים – יש צורך בקיבוע של המתמר ביחס לראש המטופל במהלך הפעלת לחצים מתגברים באמצעות משאבה על גלגל העין. מחקר קליני מקיף נערך תוך ביצוע מדידות, כאשר משך התהליך היה כ-90 דקות והוא בוצע ע”י מומחה מיומן. כדי להפוך את השיטה המחקרית למכשור רפואי שימושי נדרשה יכולת על-אנושית. נדרשה התערבות רובוטית.

פיתוח מערכת רובוטית BrainSafe II
תהליך פיתוח מערכת BrainSafe II נעשה במסגרת תכנית FP7 של האיחוד האירופי. הוקם קונסורציום של חברות ממדינות שונות המתמחות בתחומים שונים. מלאכת הפיתוח והייצור של המערכת הרובוטית עצמה הופקדה בידי חברת זינגר. פיתוח המערכת התחיל בכתיבת אפיון מפורט ומדויק ככל האפשר של דרישות המערכת. תזוזת המתמר נדרשה ב-4 דרגות חופש – שתי דרגות סיבוב (עלרוד וסבסוב) והזחה (“Translation”) בשני צירים, כאשר דיוק המיקום הוגדר תוצאתי לאילוצים האחרים. דגש משמעותי הושם על בטיחות המטופל במהלך הבדיקה ועל משקל נמוך ככל האפשר של המכשור המורכב על ראשו – פחות מ-500 גרם. מחיר היעד למערכת סדרתית היה פרמטר נוסף משמעותי, אך הקריטריון המשמעותי מכל היה משך הבדיקה הרצוי – פחות מ-9 דקות. כמו כן התהליך כולו נדרש להיות אוטונומי לחלוטין לאחר הרכבת המערכת – ללא התערבות מפעיל כלל.
ארבעה מנגנוני הינע נבחנו ונותחו אל מול הדרישות:
1. – Serial Translation/Parallel Orientation – שני מנועים סיבוביים המותקנים על פלטפורמה מסובבים את המתמר סביב שני צירים. שני מנועים לינאריים מזיזים את הפלטפורמה עצמה בשני צירים.
2. – Parallel Translation/Parallel Orientation – ארבעה מנועים סיבוביים זהים מותקנים על פלטפורמה, שניים מהם מסובבים את המתמר בשני צירים ושניים נוספים מזיזים את הפלטפורמה עצמה באמצעות חוליות העברת תנועה.
3. – Stewart Platform Linear Motors – שישה מנועים לינאריים זהים המזיזים פלטפורמה אחת בה מותקן המתמר.
4. – Stewart platform Servo Motors – שישה מנועי סרוו זהים המזיזים פלטפורמה אחת בה מותקן המתמר.
מנגנוני ההינע שנבחרו להמשך הפיתוח הם 2A ו-2B היות ושימוש במנגנון בעל 6 דרגות חופש מאפשר פיתוח עתידי והוספת יכולות. סיבוב המתמר סביב צירו (גלגול) למשל, יאפשר בעתיד שימוש במתמר שאינו סימטרי. ניצול תזוזת הרובוט לקירוב והרחקת המתמר מגלגל העין יכול לשמש להפעלת הלחץ הדרוש למדידה במקום המשאבה. השלב הראשון במימוש המנגנון היה זיהוי הדרישות הקשות יותר לביצוע ואיתור מנועים פוטנציאליים מתאימים. בשוק קיימות מערכות רובוטיות דומות (Hexapods/Stewart platforms), אך לצד דיוק גבוה מידי והפעלת כוחות גדולים משמעותית מהדרוש הן גדולות, כבדות ויקרות משמעותית עבור יישום זה. על כן החיפוש התמקד במנועים זעירים, קלי משקל וזולים ככל האפשר העומדים בדרישות. לאחר חיפוש רב אותרה משפחת מנועים לינאריים זעירים המתאימה לדרישות. מאילוצי לו”ז ותקציב הוחלט להשתמש בבקרים ייעודיים של המנועים ולתכנן בהמשך מערכת בקרה ייעודית לרובוט. לאחר בדיקת המנועים והבקרים החל סבב הפיתוח הראשוני של מנגנון הינע 2A. סבב הפיתוח הראשוני התמקד בתכנון קינמטיקת המערכת. המנועים מודלו ושובצו מרחבית באופן שיאפשר את תזוזת המתמר. במקביל לכך אופיינו שיטות חיבור ומנגנוני העברת תנועה. לאחר שהסתיים התכן הראשוני פותחה הקינמטיקה ההפוכה של המנגנון. בשלב זה בוצע תרגום המיקום המרחבי ואוריינטציית המתמר לפקודות מיקום של כל אחד מששת המנועים בנפרד. המערכת נבנתה בנפח המינימלי המאפשר תנועה בטווח המלא הדרוש, תוך מניעת התנגשויות בין החלקים גם כאשר המנועים נמצאים בטווח תנועתם המלא. מטעמי בטיחות תוכננה מערכת קפיצית עדינה שבתוכה יורכב המתמר, כדי להגן על עינו של המטופל ולשכך את הלחץ מהמתמר בזמן תנועה לכיוונה. בנוסף, תוכננה קליפה כדורית המכסה את כל נפח התזוזה האפשרי של הרובוט ומונעת חדירת גופים זרים.
סביב המערכת הרובוטית תוכננה מסגרת דמוית משקפיים שבתוכה יורכב הרובוט ובמרכזו המתמר האולטראסוני. תכן המסגרת התבסס על אוזני המטופל כנקודות משען ועל גלגל נעילה אחורי להידוק המסגרת תוך הותרת אזורים רבים בראש המטופל חשופים כדי לאפשר מדידות במהלך ניתוח מוח. מנגנון החיבור בין המשקפיים לרובוט הוא מסוג “Bayonet mount” המאפשר הרכבה מדויקת ופירוק מהיר ברבע סיבוב. כמו כן תוכננה סימטריית התקנה מלאה בין שני הצדדים כדי לאפשר למפעיל הרכבה בעין ימין, שמאל או בשתיהן בו זמנית. בסיום התכן נשלחו המשקפיים והקליפה לייצור בהדפסת תלת מימד, מנגנוני העברת התנועה יוצרו בעיבוד שבבי והורכבה מערכת האבטיפוס הראשונה. השלב האחרון במערכת היה כתיבת תוכנה לשליטה על תזוזות הרובוט. באמצעות התוכנה ניתן להזיז את הרובוט ולמקם את המתמר בנקודה מרחבית מוגדרת ובאוריינטציה רצויה. בנוסף נכתבו פרוצדורות סריקה אשר מבצעות הזזה והשהיית המתמר ב-49 נקודות דיסקרטיות על פני כדור מרחבי בצורה ספירלית, קווית ורנדומלית. בתום בדיקות המעבדה בישראל, האבטיפוס המוגמר נשלח לאינטגרציה וניסויים קליניים באירופה. הניסויים הראשוניים שבוצעו על מתנדבים רבים הוכיחו שהמערכת הרובוטית הצליחה לאתר את המיקום והוקטור המתאימים באופן אוטונומי בכל בדיקה בתוך פחות מ-90 שניות. זמן הבדיקה המלא נמוך משמעותית מדרישת האפיון (פחות מ-9 דקות), ונמוך לאין שיעור מ-90 הדקות הנדרשות לביצוע בדיקה באמצעות מערכת ידנית. משקל המערכת המלאה הוא 300 גרם בלבד.

BrainSafe II בחלל
פרויקט BrainSafe II הסתיים בהצלחה, המערכת משמשת לניסויים קליניים וביצועיה עולים על המצופה. שוק היעד הטבעי של המערכת הוא מכוני מחקר ומחלקות נוירוכירורגיות בבתי חולים, אך פשטות ההפעלה והיעדר הסיכון בבדיקה פותחים שוק חדש לחלוטין. נמערכת מאפשרת ביצוע בדיקות מהירות ונטולות סיכון למטופלים בהם קיים חשד קל לעליית לחץ (למשל נפגעי טראומה קלה יחסית בראש). מעבר לכך, עצם העובדה שהמערכת הרובוטית זולה ואוטונומית מאפשרת הצבתה במרכזי חירום כמו חדרי מיון ואף לניידה באמבולנסים. התעיינות משמעותית במערכת הגיעה מכיוון מפתיע – NASA ביקשה לשגר מערכת כזו לתחנת החלל הבינלאומית בשנים הקרובות. היעדר הכבידה בתחנת החלל גורם לחלק מהאסטרונאוטים לעלייה בלתי צפויה בלחץ התוך גולגלתי הגורמת להידרדרות הדרגתית בראייה עד כדי עיוורון. מובן שאין אפשרות להציב מנתח מוח ולקדוח בגולגולת של אסטרונאוטים בריאים בתחנת החלל כדי להחדיר מדיד ולמדוד לחץ תוך גולגלתי. במקרה כזה – רובוט קל משקל ואוטונומי המאפשר מדידה מדויקת באופן לא פולשני הוא הפתרון האולטימטיבי לבדיקות תקופתיות בתחנת החלל שתבוצענה ע”י האסטרונאוטים עצמם. מכשור כזה יאפשר השבת אסטרונאוטים בסיכון חזרה לכדור הארץ באופן מיידי, בטרם ייגרם להם נזק בלתי הפיך.

כותב המאמר הוא סמנכ”ל חברת זינגר מכשור ובקרה, המתמחה בפיתוח וייצור מערכות אלקטרומכניות מורכבות

גילעד חזקיהו, זינגר מכשור ובקרה

תגובות סגורות