Biomechatronika_stankus

Klaipėdos universitetas, Mechatronikos mokslo institutas Albinas Stankus, Rimantas Didžiokas BIOMECHATRONIKA Sistemų analizė ir sintezė Klaipėda, 2010 UDK 681.5(075.8) St76 Leidžiama: Klaipėdos universiteto Mechatronikos mokslo instituto redakcijos kolegijos nutarimu 2010-04-19, protokolas Nr. 49-13S-MMI2010 Recenzavo: doc. dr. Arvydas Martinkėnas doc. dr. Olegas Ramašauskas Knygos leidybą remia: Mechatronikos mokslo instituto vykdomas projektas LLII-061 “Development of Joint Research and Training Centre in High Technology Area (Latvia-Lithuania Cross Border Cooperation Programme Under European Territorial Cooperation Objective 2007-2013. Subsidy Contract No: LV-LT/1.1./LLII-061/2010/”. © Albinas Stankus, 2010 © Rimantas Didžiokas, 2010 © Klaipėdos universiteto leidykla, 2010 ISBN 978-9955-18-514-7 Turinys Įžanga // 4 1. Įvadas // 6 2. Mechatronika // 8 3. Biomechatronika // 10 4. Išorinius įrenginius valdančios biomechatroninės sistemos // 12 5. Organus valdančios biomechatroninės sistemos // 15 6. Fiziologinių sistemų biomechatronika // 20 Širdies biomechanika // 20 Hemodinamikos valdymas // 22 Organizmo, kaip biomechatroninės sistemos, būklės identifikavimas // 24 Žmogaus motorinės sistemos ir judesių analizė // 24 Monitoravimo sistemos (širdies ritmo, temperatūros, fizinio aktyvumo, kraujotakos ir kitų) // 26 Atlikto darbo ir poveikio metrologija // 28 7. Sensorinių sistemų jautrumo didinimas // 29 8. Biomechatroninių su grįžtamuoju ryšiu sistemų analizė // 33 Grįžtamasis ryšys kaip tikslo siekimo instrumentas // 35 Išėjimo modelis // 36 Skirtumo nustatymo ir įvertinimo modelis // 36 Poveikio modelis // 37 Išorinė paieškos posistemė // 42 Vidinė paieškos posistemė // 42 9. Biosignalai // 49 10. Jutikliai (sensoriai) // 53 11. Mikroelektromechaninės sistemos // 57 12. Švietimas // 61 13. Išvados // 69 14. Literatūra // 70 ĮŽANGA Biomedicininės inžinerijos mokslai Lietuvoje vystomi per lėtai. Dar nė vienas Lietuvos universitetas neturi bakalauro studijų programos, kurioje biologija, medicina ir inžinerija būtų studijuojamos kartu ir būtų laikomos vienodai svarbios. Klaipėdos ir Vilniaus universitetai turi biofizikos studijų programą, kurioje biologinių sistemų nagrinėjimas nesiejamas su inžineriniais sprendimais. Šiaulių universitetas elektronikos studijų programoje turi medicinos elektronikos specializaciją, o KTU – biomedicininės inžinerijos ir medicininės fizikos magistro studijų programos. Įvertinant, kokią svarbią vietą šiuolaikinėje mokslo panoramoje užima biomedicininės inžinerijos mokslai, Lietuvos aukštasis mokslas dėl savo konservatyvumo užleidžia pozicijas labiau išsivysčiusioms Vakarų šalims, kuriose biomedicininės inžinerijos mokslus galima studijuoti jau kelis dešimtmečius. Geras pavyzdys Lietuvoje yra biochemijos mokslai, sparčiai vystomi VU ir pradedami vystyti VGTU, kur vykdomi pasaulinio lygio mokslo darbai ir kurie garsina Lietuvos vardą. Net terminas „bioinžinerija“ Lietuvoje yra suprantamas tiktai kaip biocheminiai taikomieji tyrimai. Visų pripažinta tiesa, kad šiuo metu svariausi moksliniai tyrimai vykdomi įvairių mokslų sandūroje. Taip susiformavo biofizika, mechatronika, bionika, bioinformatika ir kt. Todėl, akivaizdu, kad autorių A. Stankaus ir R. Didžioko lietuvių kalba paruoštas leidinys „Biomechtronika“ yra pirmas bandymas supažindinti mūsų akademinę bendruomenę su šia nauja ir perspektyvia tarpdisciplinine mokslo šaka, kuri integruoja savyje mechanikos elementus, elektroniką ir biologinius organizmus. Knygoje nagrinėjama biomechatroninių sis4 temų sandara, įvairios jų struktūros, gausu patraukiančių skaitytojo dėmesį pavyzdžių. Kadangi knygelė yra apžvalginio pobūdžio, joje daug dėmesio biomechatroninių sistemų klasifikavimui, biomechatroninėms sistemoms su grįžtamuoju ryšiu, biosignalams, biologinių procesų jutikliams. Mano nuomone paruošta knygelė Biomechatronika ne tik užpildo baltą dėmę, atskleisdama naujos tarpdisciplininės mokslo šakos turinį, bet bus labai naudinga patraukiant mokyklos absolventų ir studentų dėmesį ir kviesdama pasirinkti studijuoti šią labai perspektyvią mokslo ir studijų šaką. Šiaulių universitetas, prof. V. Laurutis 5 1. ĮVADAS Medicinos praktika iš prigimties priklauso nuo technologijų, taikomų sveikatos srityje. Labai plačiai technologijos naudojamos ligų diagnozavimui, gydymui ir vertinimui. Būsimas sveikatos priežiūros ir medicinos progresas priklauso nuo šiomis dienomis skiriamų investicijų mokslo tyrinėjimui, vystymui ir plėtojimui. Nemažai pramonės, vyriausybės ir akademijų ekspertų svarstė būsimą sveikatos priežiūros vadybą. Toks jų bendradarbiavimas leido prieiti prie tam tikrų išvadų dėl ateities investicijų planavimo į sveikatos technologijas. Sveikatos priežiūros sistemai skiriamas nepakankamas finansavimas. Ekonomikos ir politikos srityse svarstomos problemos daro vis didesnę įtaką sveikatos priežiūros technologijų sprendimams. Šiandien tai akivaizdu JAV, kur valstybės vadovas šiai sričiai skiria didelį dėmesį. Pagrindiniai veiksmai, siekiant progreso šioje srityje, turi būti nukreipti į finansavimą, klinikinių rezultatų kokybės gerinimą, pacientų pasitenkinimo ir pasitikėjimo didinimą. „Kaip galime investuoti pora milijardų dolerių, norint sutaupyti šimtus milijardų ir, svarbiausia, žmogaus sveikatos gerinimo ateityje sąskaita. Nauja mokslo šaka, Biomechatronika, – yra atsakymas“ [11]. Plačiąja prasme, biomechatronika yra bioinžinerijos dalis. Tai sparčiai besiplečianti mokslo ir verslo sritis. Vis dažniau medicinoje taikomos naujos bioinžinerinės technologijos. Negalima įsivaizduoti XXI–ojo amžiaus medicininės pagalbos be sudėtingų elektroninių diagnostikos sistemų: rentgenotelevizinės sistemos, kompiuterinės tomografijos, magnetinio rezonanso, ultragarsinių, elektrofiziologinių, biocheminių diagnostinių sistemų ir daugelį kitų. Pagrįstai manoma, jog daugiau nei 30 procentų visos kompiuteriu apdorojamos informacijos priklauso medicininės informatikos 6 sričiai. Šalies gydymo įstaigose susiduriama su aukšto lygio universitetinio išsilavinimo specialistų, galinčių prižiūrėti, remontuoti ir kurti sudėtingas elektroninės diagnostikos ir gydymo sistemas bei kvalifikuotai reguliuoti medicininės informacijos kaupimą ir perdavimą, panaudojant šiuolaikinės kompiuterinės informatikos priemones, poreikiu. Be to, formuojasi nauja medicinos inžinieriaus specialybė įpareigojanti tobulinti medicinos technologijas. Toks specialistas privalo turėti reikiamų žinių, išsilavinimo lygį ir kompetenciją, leidžiančią jam manipuliuoti tam tikromis informacinėmis bei elektroninėmis sistemomis diagnostikos ir gydomųjų procedūrų metu. Tarptautinės medicininės ir biologinės inžinerijos federacijos viceprezidentas Nagel J (2002) savo apžvalgoje pateikia informaciją apie bioinžinerijos padėtį Europoje. Duomenys rodo, kad 6% (41mlrd EU) tenka medicinos prietaisams, 38% ligoninėms, 18% vaistams, 20% darbo paslaugoms ir 18% – kitoms išlaidoms. Šiuo metu bioinžinerijos srityje Europoje dirba apie 320000 specialistų. Daugiau negu 150 Europos universitetų, politechninių mokyklų ir akademijų šioje srityje turi mokymo programas. Šiandieninėje visuomenėje labai svarbu paruošti aukštos kvalifikacijos specialistus ir patenkinti darbo rinką [54] [55]. Pažvelkime praktiškai – šiandien JAV: „Pagal JAV darbo statistikos biuro duomenis manoma, kad biomedicinos inžinierių užimtumo augimas didės daugiau ir dvigubai greičiau nei bendrame sektoriuje, ir per 2004–2014 laikotarpį pasieks 30,7 procento, palyginus su 13 proc. dabar.“ „According to the U.S. Bureau of Labor Statistics, employment of biomedical engineers is projected to grow more than twice as fast as the overall employment increase in all sectors during the 2004–2014 period – 30.7 percent, compared with 13 percent.” [http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5593; http:// www.bls.gov/oco/pdf/ocos027.pdf]. Labai svarbu suderinti ir humanizuoti mokymo programas, remiantis ai kiais kriterijais. Atsižvelgiant į platų šios srities žinių ratą, siūlomi 7 mokymo programų tipai [54]. Išskiriamos keturios svarbios sritys: biomedicininė inžinerija, klinikinė inžinerija, medicininė in7 formatika ir medicininė fizika. Papildomai galima organizuoti net 40 specializacijų: terapinė biomedicininė inžinerija, minimali invazinė technika, lazeriai medicinoje, robotai medicinoje, skaitmeniniai vaizdai ir grafika, protezavimas ir dirbtiniai organai, modeliavimas, reabilitacinė inžinerija, apsaugos bioinžinerija, audinių inžinerija, telemedicina, informacijos ir komunikacijos sistemos ligoninėse, buities bioinžinerija (miego, vairavimo, sporto, funkcijų sekimo ir t.t.), statistiniai metodai medicinoje, nanotechnologijos medicinoje, e–medicina, biomechanika ir kt. [54]. Europos komisijos Tyrimo srityje tikslai: tyrimų integravimas Europoje; Europos tyrimų srities (ERA) struktūrizavimas ir ERA fundacijų stiprinimas ir rėmimas. ES suteikia didelį prioritetą „Gyvenimo kokybės“ programai, todėl galimas platus šiuolaikinių bioinžinerinių, biomechatroninių technologijų išvystymas ir panaudojimas. 2. MECHATRONIKA Mechatronikos pirminį apibrėžimą, nuo kurio vystėsi tolimesni, suteikė „Yasakawa Electric Company”. Prekių ženklo paraiškos dokumente Yasakawa mechatroniką apibrėžė taip [53]: žodį ,,mechatronika“ sudaro ,,mecha” (nuo mechanizmo) ir ,,tronics” (nuo elektronikos). Į mechatronikos technologijas ir sukurtus produktus vis dažniau bus įtraukta elektronika, todėl neįmanoma pasakyti, kur baigiasi mechanika ir prasideda elektronika [42]. Mechatroninės sistemos yra integruotos sistemos, kurios apima elektrinius ir mechaninius kompiuterius su specialiomis procesus valdančiomis programomis. Įvairūs jutikliai siunčia elektrinius signalus, kurie yra diskretizuojami, apdorojami ir su reikiamu tikslu panaudojami mechaninių įrengimų valdymui [9]. 8 1 pav. Mechatronikos sistema Mechatronika apibrėžiama įvairiai: 2 „Mechatronika yra sudėtingas sprendimų priėmimo taikymas fizinių sistemų valdymui“ [5]; 2 „Mechatronika yra optimalaus elektromechaninių gaminių projektavimo metodologija“ [64] 2 „Mechatroninė sistema yra ne tik elektrinės ir mechaninės sistemų jungtuvės, yra daugiau nei tiesiog valdymo sistema, ji yra visų jų pilnas integravimas“ [10]. Mechatronikos sistemas galima suskirstyti į specialias sritis, kurios iš pirmo žvilgsnio yra tolimos tarpusavyje, tad jas galima įvardinti sekančiomis: fizinių sistemų modeliavimas; jutikliai ir pavaros; signalai ir sistemos; kompiuteriai ir loginės sistemos; programos ir duomenų apdorojimas (1 pav.). Visą įvairovę sudaro šiuolaikiniai jutikliai, gaunamų signalų paruošimo metodai ir instrumentai, analogo–skaitmeniniai keitikliai, mikrovaldikliai, procesoriai ir juose esamos bei kuriamos programos. Valdoma mechaninė dalis gali būti labai plataus spektro ir parenkama pagal uždavinį. 9 3. BIOMECHATRONIKA Biomechatroninių sistemų pagrindinis elementas yra biologinė būtybė, o, mūsų atveju, – žmogus. Galima šias sistemas apibrėžti plačiau: biomechatronikos sistemas sudaro biologinių sistemų sąveika su mechatronikos sistemomis. Toks požiūris leidžia manyti, kad gali būti abipusis ryšys. Vienu atveju biologiniai signalai gali įtakoti arba valdyti mechaninę dalį, kitu – mechaniniai judesiai gali generuoti biologinius signalus, kurie vėl gali būti panaudojami valdyme. Šių ryšių kryptis gali būti labai įvairiapusiška. Galimas biomechatronikos apibrėžimas iš mokslinės fantastikos (Kyborgas) [37] [15]: biomechatronika yra žmogaus kūno sujungimas su mašina arba atskirų organų pakeitimas mechaninėmis protingomis dalimis. Biomechatronikos mokslininkai bando sukurti prietaisus, kurie sąveikauja su žmogaus raumenimis, skeletu ir nervų sistemomis tam, kad pagelbėtų ar padidintų žmogaus motorines galimybes, kurios dėl traumos, ligų ar įgimtų ydų yra prarastos ar susilpninėjusios. Biomechatronika yra tarpdisciplininė mokslo sritis, daugiausiai apimanti biologiją, neuromokslus, fiziką, mechaniką, elektroniką, matematiką, informatiką ir robotų techniką. Tokios sistemos turi tris pagrindinius elementus: daviklius (receptoriai), valdymo organus (smegenys/stuburo smegenys) ir pavaras (skeletas/raumenys). Biomechatroninių sistemų panašumas su biologiniais objektais yra neatsitiktinis – gamta sukūrė visas tris sistemos dalis ir, norint jas keisti arba tobulinti, prireiks laikytis šių gamtos dėsnių. Akivaizdus sinergizmas. Neįmanoma išvengti biomechanikos kaip atskiros mokslo srities. Biomechanika yra mechanika, pritaikyta biologijai. Ji turi paaiškinti 10 masės pasiskirstymą biologinėje sistemoje, egzistuojančias jėgas ir judesius, kurie yra galimi ir vyksta gyvame objekte [14]. Tai mokslo ir verslo erdvė, apimanti labai platų mokslo spektrą. Šiandieninėje medicinoje yra būtinas biomechanikos vaidmuo: dirbtinė širdis yra mechaninis prietaisas, skirtas skysčių transportavimui; dirbtinis inkstas yra prietaisas masės transfuzijai; minimali invazinė chirurgijos technika, tokia kaip angioplastika, remiasi biomechanika. Be jos sunkiai įsivaizduojama sporto medicina, ortopedija, reabilitacinė įranga, gydymas po autoavarijų, nudegimų. Nepaprastai svarbios temos yra klausymo, matymo ir kalbėjimo biomechanika. Pavyzdžiui, norint išspręsti eisenos sutrikimą, kurio priežastis – kaulo ilgio skirtumas, kaulo ilginimo mechanizmas turi būti projektuojamas tik turint reikiamų žinių apie biomechanikos ypatumus. Implantuojami prietaisai privalo turėti tam tikras mechanines ypatybes. Implantuojamiems biosensoriams reikalingi skysčių mechaninių savybių duomenys ir masės transporto analizės rezultatai. Iškyla klausimas – koks yra ir turi būti skirtumas tarp biomechanikos ir biomechatronikos. Šiuo metu atsakymo nėra. Galimos įvairios spekuliacijos interpretuojant šiuos terminus. Pirminis atsakymas glūdi žodyje „tronika“. Staigus elektronikos ir protingų technologijų (esamų programų) įsiveržimas į biomechaniką verčia išskirti naują mokslo šaką, kurios galimybės leidžia padidinti užsibrėžtų tikslų pasiekimo laipsnį, t. y. padidinti kuriamų prietaisų efektyvumą. Mokslo pasiekimai bioinformatikoje, proteomikoje leido atkurti biomechanikos ypatumus mikropasaulyje. Pažvelkim į ląstelės vidaus biomechanines sistemas Harvardo universitete sukurtame videofilme: http:// aimediaserver4.com/studiodaily/videoplayer/?src=ai4/harvard/ harvard.swf&width=640&height=520 11 4. IŠORINIUS ĮRENGINIUS VALDANČIOS BIOMECHATRONINĖS SISTEMOS Šias sistemas galima laikyti paprasčiausiomis. Bet kurie signalai, registruojami nuo žmogaus kūno ir valdomi jo paties valios, gali būti panaudojami mechaninių įrenginių valdymui (2 pav.) Pirmieji tyrimai buvo susieti su akies judesių registravimu ir jų panaudojimu karo tikslams. Šios biomechatroninės sistemos buvo pritaikytos malūnsparnių lakūnams ir panaudotos kare su Iraku. Tokios sistemos padėjo greitai surasti šaudymo objektą ir tiksliai žvilgsniu nukreipti raketą. Kompiuteris, gavęs abiejų pilotų akių žvilgsnio koordinates, leido išvengti dviejų raketų siuntimo į vieną pasirinktą taikinį. Sudėtingesnio tipo biomechatroninės sistemos yra imituojančios rankų judesius, vadinamos dirbtinėmis rankomis. Jos naudojamos 2 pav. Biomechatroninė sistema, valdanti išorinį įrengimą. 12 tiriant specialias medžiagas, mikroorganizmus, atliekant darbus kosmose, giliai jūros dugne ir kitose srityse. Daroma prielaida, kad žmogaus organizme generuojami įvairūs biosignalai gali būti panaudojami biomechatroninėse sistemose. Sąmoningam valdymui labiau tinka somatinės sistemos biosignalai. Kiti, valios nevaldomi signalai, gali sukelti įvairaus pobūdžio mechaninius judesius, bet jie bus naudojami tik stebėjimui arba analizei. Šie signalai gali sužadinti nemažą susidomėjimą, kuriant mokymo priemones, žaislus, įvairius indikatorius, perspėjimus ir patarimus. Kitas biomechatroninės sistemos pavyzdys, suteikiantis dideles galimybes žmonėms su specialiais poreikiais, buvo sukurtas panaudojant magnetinio lauko lokalizavimo techniką. Magnetinis laukas, kurį generuoja liežuvio gale implantuotas magnetas, keičiamas liežuvio judėjimu burnos ertmėje. Šalia burnos talpinami magnetiniai jutikliai, kurie fiksuoja pakitimus. Gauta informacija perduodama procesoriui, kuris valdo vėžimėlį [27]. Tokiu būdu žmogus su negalia gali valdyti vėžimėlio judėjimą pagal savo poreikius (3 ir 4 pav.). 3 pav. Prof. M. Ghovanloo implantuotas liežuvyje mažas magnetas valdo kompiuterio pelę ir vėžimėlį Georgia Tech Photo: Gary Meek, http:// gtresearchnews.gatech.edu/newsrelease/ tongue-drive.htm 4 pav. Liežuviu valdomas vežimėlis (Georgia Tech Photo: Gary Mee 13 Šis metodas labai perspektyvus, nes liežuvio judesiai gali būti detektuojami trimatėje koordinačių sistemoje. Reikia pritvirtinti mažą magnetą prie liežuvio galo arba kontaktinėje akies linzėje. Belaidžio magnetinio liežuvio kompiuterio sąsajos pagalba galima pasiekti kompiuterių prieigą [78]. Šis pavyzdys rodo, kad galima registruoti ne tik biologinės kilmės signalus, bet ir panaudoti elementus, skleidžiančius kitos prigimties signalus, juos apdoroti ir valdyti reikiamas mechanines sistemas. Visos Europos Sąjungos (ES) valstybės naudojasi 91/439/EC ir 2000/56/EC direktyvomis, kaip minimaliais medicininiais standartais, išduodant piliečiams vairavimo teises. Žmonių su negalia klausimas sprendžiamas individualiai. Problemos sprendimo pagrindą sudaro trys tarptautinės klasifikacijos: TLK–10, tarptautinė funkcionavimo, neįgalumo ir sveikatos klasifikacija (TFK) ir vairavimo testas. Vairavimas yra sudėtinga veikla, apimanti plačią sugebėjimų (regėjimo, mąstymo, suvokimo ir judesių koordinacijos) įvairovę. Yra sunku rasti atsakymą į klausimą, kokios rūšies informacija reikalinga arbitrui, kad jis galėtų tiksliai įvertinti asmens tinkamumą vairuoti. Medicininė diagnostinė informacija (TLK–10) nieko nesako apie funkcionavimo lygį, tiesiogiai turintį ryšį su specifinių vai- 5 pav. Vairavimo gebėjimų įvertinimo procesas 14 ravimo uždavinių vykdymu. Pasitaiko atvejų, kai priimti sprendimą dėl tinkamumo vairuoti, remiantis tik šia informacija, yra sunku. ES rekomenduoja sukurti Lietuvoje vertinimo centrus su reikiamais instrumentais ir priemonėmis. Vertinimo instrumentų parinkimas, įsisavinimas, priežiūra ir tobulinimas taps bioinžinierių ir kitų specialistų funkcija [61]. Didelį vaidmenį turės atlikti sukurtos biomechatroninės sistemos, kurių pagalba automobilis bus adaptuotas sutrikusiai vairuotojo funkcijai (5 pav). Taip pat šiai kategorijai priklauso tyrinėjimai robotų technikoje. Ši sritis labai sparčiai vystoma naudojant naujas medžiagas, elektronikos ir kompiuterijos pasiekimus, bionikos ir biomimetikos pagrindus [24]. 5. ORGANUS VALDANČIOS BIOMECHATRONINĖS SISTEMOS Dideli biomechanikos pasiekimai yra kelio ir klubo sąnarių protezavimo srityje. Ortopedinės sistemos gali tapti biomechatroninėmis, jeigu jos bus valdomos registruojamais bio arba kitos prigimties signalais. Šiuo metu yra sukurtas dirbtinis kelio sąnarys, kuris labai efektyviai naudoja magnetinius laukus sulenkimo pasipriešinimo pakeitimui. Tai atlieka magnetoreologinis skystis, kurio pagrindą sudaro alyvos suspensija, turinti savyje mažyčių geležies dalelių (0.1–10 mikronai skersmenyje). Elektromagnetinis laukas, pritaikytas per skystį, keičia skysčio klampumą todėl, kad geležinės dalelės formuoja grandines, kurios rikiuojasi magnetiniame lauke. Kadangi skysčio klampumas sąnaryje gali būti sureguliuotas elektromagnetiniu lauku, tai leidžia kontroliuoti ir reguliuoti pasipriešinimą, suteikdamas vartotojui realią eiseną. Skirtingai nuo egzistuojančių hidraulinių sistemų šis pasipriešinimas yra pritaikytas tuomet, kai to reikia asmeniui [29]. 15 Labai aktualus yra raumenų valdymo klausimas. Didėjantis potrauminių komplikacijų skaičius stimuliuoja motorinių funkcijų atstatymo sprendimų paiešką. Svarbus aspektas, kuris skiriamas biomechatronikos prietaisams, yra gebėjimas jungtis su nervais ir vartotojo raumenų sistemomis [28]. Tik tokiu būdu žmogaus organizmas galės nusiųsti ir gauti informaciją iš prietaiso. Šis kelias skiriasi nuo tradicinių protezinių prietaisų. Peter Veltink (2003) grupė Nyderlanduose naudoja implantuojamus elektrodus, kurie skatina blauzdos raumenis. Jie vysto jutimą ir kontroliuoja kojų raumenų valdymą, kurie kelia koją ėjimo metu. Tai padeda esant paralyžiui ir asmenims, kurie negali kontroliuoti šios kojos ėjimo metu [77]. Tos pačios grupės narė Laura Kallenberg, panaudojo elektrodus, dedamus ant odos, kad galėtų kontroliuoti pagrindinių raumenų bioelektrinę veiklą (elektromiografiją), nei naudoti elektrodus, įdiegtus tiesiogiai į raumenis [32] [16] [31]. Tai sumažina skausmą ir nepatogumą. Šis būdas gali būti panaudotas abipusiai komunikacijai įprastoje biomechatroninėje sistemoje. (http://bss.ewi.utwente.nl/research/biomechatronics/rsi.doc/index. html). Hugh Herr grupė vysto rėčio integralinės grandinės elektrodą (6 pav.). Šioje sąrangoje, du nervo galai yra sujungti per valdymo kanalą. Augantys nervo pluoštai jungiasi su kiekvienu galu ir susisiekia su elektrodais, tuo būdu kurdami sąsają. Tolimesnis sistemos vystymas ir taikymas tampa paprastu [1]. Visiškai moksle nepaliesta sritis yra biopotencialų stebėjimas, panaudojant aukšto dažnio elektromagnetinius spindulius. Virš 20GHz dažnio spindulys skirtingai atsispindi nuo nervo arba miocito, kai jie depoliarizuojasi. Atspindžio registravimas įmanomas šiuolaikinėmis priemonėmis (autoriaus stebėjimas). Išplėtojus šį metodą taptų įmanoma registruoti ne tik nervinio kanalo aktyvumą, bet ir gauti visų aktyvuotų raumenų kiekybinį įvertinimą. Aferentinių ir eferentinių nervų signalų tikslesnis registravimas leis sukurti vis tobulesnę biomechatroninę ranką. Tokių siekimų galutinis tikslas yra gauti užbaigtą natūralios rankos funkcinį pakeitimą. Tai reiškia, kad dirbtinę ranką vartotojas turi jausti, ji turi suteikti var16 6 pav. Integruota sąsaja su nervinių kanalų 7 pav. Programos „Belgradas ir USC“ ranka totojui tas pačias natūralios rankos funkcijas: sugriebimą, lytėjimą ir manipuliavimą (kibernetinis protezas). Pirmas reikšmingas dirbtinės rankos pavyzdys, suprojektuotas pagal roboto metodą, buvo Belgradas ir USC ranka (7 pav.). Vėliau šios rankos buvo išvystytos. Pavyzdžiui, puikius rezultatus pasiekė Stanfordas ar JPL ranka ir Juta ar MIT ranka. Šios rankos buvo artimas žmogaus natūralių judesių analogas, bet jos negali būti taikomos protezavimui dėl savo dydžio ir kt. Šitos problemos buvo iškilusios patikimoje komercinėje protezinėje Otto Brock Sensor rankoje, kuri yra plačiai įdiegta ir vartotojų įvertinta. Otto Bock ranka turi tiktai vieną judėjimo laisvės laipsnį. Svarbiausios problemos, kurias reikia išspręsti, norint pagerinti protezinių rankų efektyvumą, yra: 1) sensorinės informacijos trū17 kumas; 2) natūralios komandinės sąsajos trūkumas; 3) apribotas sukibimo gebėjimas; 4) nenatūralus pirštų judėjimas sugriebimo metu. Norint išspręsti šias problemas, reikia vystyti biomechatroninę ranką, suprojektuotą pagal mechatronikoje numatytas 8 pav. Pirmoji pasaulyje “bionikos moteris” sąvokas, įmanomas architektūras ir natūralios rankos funkcionavimo principus. Turi būti sukurtas sensorinis grįžtamasis ryšys nuo periferinės nervų sistemos, kurios pagrindu funkcionuos valdymo sistema tarp dirbtinės rankos ir individo. Neseniai (2006) daktaras Kuiken T. iš Čikagos reabilitacijos instituto išbandė protezinę ranką (8 pav.). Tokiu būdu 28-erių metų Claudia Mitchell tapo pirmoji pasaulyje ,,bionikos moterimi” (http:// www.youtube.com/watch?v=X1OBzc9QfIs&NR=1). Chirurgas–plastikas daktaras Gregory Dumainian peradresavo nervus, kurie kontroliavo jos trūkstamą ranką, į jos krūtinės ląstą. Nervai iš naujo užaugo šalia jos krūtinės ląstos odos. Mažyčiai elektrodai ant jos odos fiksavo šitų nervų bioelektrinę veiklą ir siuntė signalus į variklius dirbtinėje rankoje. Kiekvienas elektrodas kontroliuoja vieną iš šešių variklių. Moteris sugeba valdyti rankos judėjimus, galvodama apie tai. Dabar protezinė ranka iš tiesų nėra visiškai biomechatroni- 9 pav. Bizninė ranka 10 pav. Jautri ranka 11 pav. Sustiprinta ranka 18 nė, nes signalai eina tiktai viena kryptimi – nuo Claudijos valios į ranką. Daktaras Kuiken dirba ties kitu žingsniu: jis nori aprūpinti ranką grįžtamuoju ryšiu, įtraukdamas tokius jutimus kaip skausmas ir spaudimas [40]. 2001 m. gegužės mėnesį panaši operacija buvo atlikta 54-erių metų Jesse Sullivanui. Dėl progresuojančio diabeto, kuris pažeidžia galūnių nervus ir kraujagysles, didėja bioninių rankų ir kojų operacijų poreikis. Dean Kamen iš medicininių technologijų kompanijos „Deka“ Mančesteryje, įkvėptas Luke Sky12 pav. Exoskeleton pavyzdys walkerio bioninės rankos iš filmo „Žvaigždžių karai“, sukūrė robotinę „Luke“ ranką, kuri yra valdoma raumenų biopotencialų arba dažnėjančių virpesių, kilusių nuo didėjančios pastangos, pagalba. JAV gynybos departamento tyrimų agentūra, nerimaudama dėl didėjančio iš Irako ir Afganistano grįžtančių sužeistų veteranų, skyrė beveik 50 milijonų dolerių realios ir minties kontroliuojamos bioninės rankos sukūrimui [65]. Kalifornijos Berklio universiteto Žmogaus inžinerijos ir robotų technikos laboratorija sėkmingai pristatė pirmą bandomąją sistemą „Exoskeleton“, kurioje pilotas gali nešti sunkią naštą, jausdamas tiktai kelių svarų svorį. Ji yra ergonomiška, labai manevringa, mechaniškai tvirta, lengvo svorio ir ilgalaikė. Pirmo prototipo bandomasis exoskeleton susideda iš dviejų varomų antropomorfinių kojų, maitinimo bloko ir panašaus į kuprinę rėmo, ant kurio gali būti sudėtas įvairaus svorio nešulys. Prietaisas jungiasi tvirtai prie piloto kojų ir liemens. Exoskeleton, kitaip vadinamas „geležiniu vyru“, leidžia asmeniui patogiai pritūpti, 19 palinkti, siūbuoti skersai, pasisukti, vaikščioti ir bėgti, įveikti nuožulnumus ir peržengti kliūtis, nešant įrangą ir aprūpinimą. Dėvėdamas exoskeleton, asmuo gali ilgas distancijas nešti didelio svorio nešulį, nemažindamas judrumo ir didindamas fizinį efektyvumą [34]. Neįmanoma pervertinti rankų judesių reikšmingumo. Jų sužalojimai labai sumažina žmogaus motorinių funkcijų galimybes. Mokslininkai sparčiai vysto biomechatronines sistemas, kurios pagelbėtų atlikti rankai skirtas funkcijas. Viena iš tokių sintezuojama Berlino technikos universitete. Rankos judėjimo funkcijos atstatymui Wege A. ir kt. sistemoje integravo jėgos jutiklius kiekvieno piršto galūnėje, 16 EMG daviklius, Holo kampo daviklius ir suteikė rankai 20 aktyvių laisvės laipsnių (po keturis kiekvienam pirštui) [20,81]. 6. FIZIOLOGINIŲ SISTEMŲ BIOMECHATRONIKA Širdies biomechanika Širdies elektromechaninės sąveikos studijos yra labai intensyvios, vyksta molekuliniame lygyje, nes nuo jų rezultatų priklauso paplitusios patologijos – širdies ir kraujagyslių nepakankamumo – gydymas. Kritiniais atvejais naudojamas širdies persodinimas. Dirbtinės širdies sukūrimas padėtų išspręsti šią problemą. Iš pradžių tai tampa biomechanikos tyrimo objektu. Tolimesnis vystymas pareikalaus adekvataus dirbtinės širdies valdymo, priklausančio nuo kintančių organizmo poreikių. Be biomechatronikos įdirbių to atlikti neįmanoma. Grįžtame prie bendros schemos: reikalingas nemažas įvairios kilmės biosignalų srautas, kurį apdorojus būtų galima pakeisti dirbtinės širdies darbo parametrus. 20 Šiuo metu sistema „CardioWest“ implantuota daugiau nei 770 ligonių, turinčių širdies nepakankamumą [85]. Paveikslas [http://www. syncardia.com/] rodo, kokio masto uždaviniai laukia tyrėjų šioje srityje. Prancūzijos mokslininkai teigia, kad darbo sąlygos dirbtinei širdies implantacijai žmonėms yra visiškai paruoštos. Dirbtinės širdies elektroniniai jutikliai gali reguliuoti širdies ritmą ir kraujo srautą. Bendrovė Car13 pav. Dirbtinė širdis mat laukia Prancūzijos institucijų patvirtinimo, kad galėtų pradėti klinikinius tyrimus. Šios bendrovės įkūrėjas profesorius Alain Carpentier bei Europos aviacijos ir gynybos milžinė EADS paskelbė, kad ,,baterijos darbas gali trukti nuo 5 iki 16 valandų, vėliau ji turėtų būti papildyta, kad būtų išvengta dirbtinės širdies sustojimo“. Prof. A. Carpentier komanda studijuo- 14 pav. Dirbtinių širdžių asortimentas 21 ja dvi galimybes, kad nereikėtų odos kirtimų laidais, nes šie kelia infekcijos pavojų (http://www.guardian.co.uk/science/2008/oct/28/ artificial-human-heart-trial-2011). Širdies susitraukimo mechanika yra sudėtinga ir labai sinchronizuota. Centrinės hemodinamikos pagerinimui yra implantuojami prietaisai, kurie atlieka resinchronizaciją ir pagerina terapiją [76], [45]. Šioje srityje biomechatroninės sistemos turi išspręsti nemažai problemų. Plačiau apie širdies bioinžineriją paskelbta atskirame leidinyje [84]. Pilniau suprasti širdies raumens darbą padeda kitų raumenų funkcijų tyrimai. Jų pajėgumui didinti yra naudojamos įvairios fizinės procedūros. Vyksta studijos, kurių tikslas – išsiaiškinti šilumos poveikį raumenų atliekamam darbui [62], jų metu naudojama raumenų elektrostimuliacija [36] ir kitos priemonės. Hemodinamikos valdymas Plačiai tyrinėjama žmogaus kraujagyslių sistema. Arterinės pulsinės spaudimo bangos prigimtis yra sudėtinga, diagnostikoje naudojama tik nedaugelis jos parametrų. Pagrindiniai mechaninės kilmės signalai, ryškiai sinchronizuojami širdies ritmu, priklauso nuo širdies susitraukimo jėgos ir kintančių nuo nervinės reguliacijos kraujagyslių sienelių mechaninių savybių. Svarbiausias rodiklis yra kraujo spaudimas: sistolinis ir diastolinis. Kiekvieno dūžio metu neinvazinis spaudimo matavimas lieka problematiškas. Pulsinės bangos formos prigimtis yra sudėtinga ir priklausoma nuo širdies kontrakcijos bei arterinio kelio struktūros. Rytų medicina puikiai išnaudoja šias paslėptas žinias pulso diagnostikoje. Vakarų mokslininkai skiria daug dėmesio pulsinės bangos biomechanikos interpretavimui, nors publikuojama nemažai modeliavimo darbų, tačiau praktikoje jų išvadų vis dar trūksta [59] [12] [48] [79] [8]. Viena iš problemų yra arterinės pulsinės bangos formos matavimas. Spaudimo davikliais ją išmatuoti galima tik tose vietose, kur arterija yra arti kūno paviršiaus. Be to, tarpinis audinys tarp daviklio ir arterijos sukelia daug netikslumų. Geriausiai šiuos matavimus gali22 ma atlikti paprastu elektroimpedansiniu metodu, kuris leidžia tiksliai perduoti bangos formą ir ją matuoti norimose vietose [73]. Atlikti tyrimai parodė, kad miego arterijos pulsinės bangos formoje yra paslėpta daug informacijos apie kardiovaskulinės sistemos būklę [71] [70]. Be to, panaudojus kompiuterines programas, galima monitoruoti nitroglicerino poveikio gylį ir trukmę tuo pačiu metu stebint širdies ritmo dinamiką [72]. Šie duomenys parodė, kad galima praktiškai realizuoti biomechatroninę sistemą panašių vaistų dozavimui. Kitas vis didesnę svarbą tyrimuose įgyjantis rodiklis yra pulsinės bangos sklidimo greitis, kuris yra tiesiogiai priklausomas nuo arterinių sienelių mechaninių ypatumų. Siūlomi įvairūs metodai, bet originalių sprendimų vis dar laukiama [21] [56] [19] [66]. Šis rodiklis labai susietas su diastolinio kraujo spaudimu. Jo monitoravimas leistų išspręsti nemažai medicininių problemų, susietų su kardiovaskuline patologija. Tobulinant elektroimpendansinį metodą buvo panaudoti mechanikos principai. Mechaninis organo suspaudimas leido bendrą audinių varžą suskaidyti į sudedamąsias: ramybės būklėje ir po visų kraujagyslių užspaudimo. Laidumo skirtumas tarp visų audinių ir likusių jų po suspaudimo buvo lygus esamam kraujagyslėse kraujo laidumui. Šie atlikti tyrimai rodo, kad elektroimpedansinis metodas gali būti vystomas toliau ir panaudotas biosignalų gavimui biomechatroninėse sistemose, ypač hemodinamikos srityje [33]. Gana dažna yra audinių patinimų patologija. Priežastys būna įvairios: širdies nepakankamumas, venų patologija, limfinės sistemos pažeidimas, onkologinės ligos, metaboliniai sutrikimai ir profesinės būklės (stovintis darbas). Šiuo metu pabrinkimų pašalinimui naudojamos kojinių ar pirštinių pavidalo konstrukcijos, kuriose yra sukeliamas 10–15 min. trukmės besikartojantis reikiamas oro spaudimas. Manoma, kad šios biomechatroninės sistemos turėtų būti imituojančios kraujotakos mechanizmus [74]. Jų darbas taip pat turi būti pulsuojantis ir sinchronizuotas su širdies ritmu. Sukelta grįžtančioji pulsinė banga palengvintų širdies darbą ir bendrą kraujotaką. 23 Organizmo, kaip biomechatroninės sistemos, būklės identifikavimas Žmogaus organizmo sistemą galima interpretuoti kaip biomechtroninę. Gyvybės palaikymui reikalinga energija, medžiagos ir informacija. Socialiai reikšmingos organizmo sistemos yra trys: protinė, sensorinė ir motorinė. Egzistuoja ketvirta, kurią galima apibendrintai pavadinti sistema, aprūpinančia visas tris. Tai širdies ir kraujagyslių, kraujo, kvėpavimo ir kitos sistemos. Jų funkcionavimas ir patologija iš esmės sudaro medicinos turinį. Suprantama, kad gydytojai įvertina ir protinę, ir sensorinę, ir motorinę funkcijas, bet jų, išskyrus sensorines, socialiai įvertinti tiksliai nesugeba. Lietuvoje vertinimas vyksta remiantis nozologiniu principu pagal tarptautinę ligų klasifikaciją (TLK–10): sveikas – nesveikas. Sveikesnį atskirti nuo sveikų medikui yra sunku, nes jų mokymo programose šios problemos sprendimas nenumatytas. Tarptautinė funkcijų klasifikacija Lietuvoje neveikia. Atsižvelgiant į tai, biomechatroninių sistemų prietaisai ir metodai vargu ar gali padėti medicinai, jei rūpi tik šis požiūris. Jų panaudojimas galimas atsiradus ligų pasekmėms. Neveltui laiks nuo laiko yra stebimos sistemos, kurios reklamuoja: raumenų ir nervų stimuliacijos prietaisus; atskirus prietaisus pulsinės bangos matavimams; grįžtamojo ryšio prietaisai, skirti reguliuoti tam tikras atskiras organizmo medicinines funkcijas; fizioterapijos priemones. Visos jos nėra biomechatroninės arba sisteminės, nes, stimuliuojant raumenis, nesekami jos pačios funkcijos pokyčiai, stimuliuojant nervus – nematuojami judesių dydžiai. Tiksliau, jos yra vienpusės, nenaudojami biosignalai ir nestebimas pasiekiamas rezultatas, t. y. nėra grįžtamojo ryšio tarp poveikio ir rezultato. Žmogaus motorinės sistemos ir judesių analizė Žmogaus kūno judėjimo valdyme glūdi labai sudėtingas mechanizmas. Prisiminkime įvairių tautų šokius ir jų šiuolaikines variacijas. Net paprasti judesiai (siekti su šaukštu burną ar žygiuoti lauke) yra sudėtingi. Privalome suprasti žmonių judėjimo principą, kad galėtu24 me suprojektuoti biomechatroninius prietaisus, kurie efektyviai pamėgdžiotų ir padėtų žmogui judėti. Pirmiausia, judesiai priklauso nuo skeleto ir raumenų struktūrinių ypatumų, kuriuos turi kiekvienas individas. Nuo vaikystės besiformuojančio skeleto forma ir dydis priklauso nuo daugelio faktorių ir dažnai mūsų civilizacijos veiksniai įtakoja patologijos vystimąsi. Šiuo metu nėra paprastų skeleto formos ir jos nukrypimo identifikavimo prietaisų bei metodų. Šioje srityje turi pasitarnauti naujos ir paprastos biomechatroninės sistemos, padedančios anksti diagnozuoti vystymo nukrypimus arba anksti juos perspėti. Naujumo siekimas ir lengvas prieinamumas prie informacinių šaltinių funkcionaliai paralyžavo žmogaus kūną. Dauguma individų žiuri TV atsigulę lovoje, taip stengiamasi prisitaikyti prie aparato visomis fizinėmis pastangomis ir išlyginti stuburo kaklo dalies fiziologinę lordozę. Rezultatas – vidinė tarpslankstelinė išvarža, kurios pasekmės gali būti liūdnos. Užsitęsę užsiėmimai su kompiuteriais taip pat žaloja jaunimo laikyseną. Twento universiteto mokslininkai analizuoja vaikščiojimo judėjimą (eisenos analizė) su telekamerų sistemomis matuodami kūno judesius. Jie sukūrė sistemas, kurios su elektromiografija matuoja jėgos parametrus ir raumenų veiklą. Normalių ir su susilpnėjusia judėjimo funkcija pacientų analizė padeda jiems suprasti laisvai vaikščiojančiųjų judėjimo mechanizmus ir diagnozuoti specifines pacientų su susilpnėjusia judėjimo funkcija eisenos problemas. Panašiai yra įvertinamas pusiausvyros palaikymas ir jos valdymas. Daktaro Hugh Herr biomechatronikos grupė naudoja kompiuterinį modeliavimą ir judėjimo televaizdų analizę, siekdami ištirti kūno pusiausvyrą, kojų traukimą bėgimo metu ir kampinio momento dinamiką ėjimo metu. Tuo pagrindu jie daro protezinius prietaisus, kurie geriau mėgdžioja teisingą žmogaus judėjimą [26]. Šioje srityje toli pažengė taikydami neįgaliųjų ergonomikoje optinius metodus Poznanės technologijos universitetas [63], judesių modeliavime Vilniaus Gedimino Technikos universitetas [23]. Reikiamu laiku besivystančio organizmo stebėjimas ir atsiradusių pakitimų korekcija yra vienas iš svarbių uždavinių biomechatronikoje. Be to, kūno laikysenos moksliška korekcija padidintų kiekvieno individo savigarbą ir gyvenimo kokybę. 25 Monitoravimo sistemos (širdies ritmo, temperatūros, fizinio aktyvumo, kraujotakos ir kitų) Ilgalaikis nepertraukiamas žmogaus organizmo atskirų funkcijų stebėjimas leidžia mums daryti naujas išvadas. Svarbiausias rodiklis yra organizmo energijos sunaudojimo ir atstatymo balansas, kurį stengiasi palaikyti visi norintys gyventi sveikai. Šiuo metu pripažinta, kad širdies ritmo (ŠR) dinamika geriausiai pavaizduoja organizmo energetinius svyravimus ir yra glaudžiai priklausoma nuo organizmo dinaminių poreikių. Globaliniu požiūriu, ŠR yra organizmo energetinių sąnaudų pagrindinis rodiklis [35]. Fizinio ir protinio darbo metu visada padažnėja ŠR, poilsio metu – atvirkščiai. ŠR yra vienas iš svarbiausių biosignalų sporto medicinoje, reabilitacijoje, ergonomikoje. Jis lengvai matuojamas, interpretuojamas ir gali būti panaudotas biomechatroninių sistemų kūryboje. Vienas iš galimų variantų – fizinio krūvio dozavimas arba apribojimas (15 pav.). Panašios sistemos gali būti naudojamos reabilituojant pacientą treniravimo metodu. Be to, atminties blokas gali surinkti visos paros ŠR duomenis, kurių analizė leis spręsti apie organizmo atstatomąsias funkcijas [69]. Ergonominiu aspektu ši sistema turi būti naudojama stebint žmogaus organizmo būklę ekstremaliose darbo sąlygose: kosmose [52], jūros dugne [30], aviacijoje [15], sporte [38] ir kitur. Taip pat panašios sistemos gali būti kuriamos stebint kraujotakos, ypač periferinės, reakcijas. Žmogaus kūno termoreguliacija yra labai sudėtinga, nes evoliucijos raidos metu jam reikėjo prisitaikyti prie įvairių aplinkos faktorių. Šilumos gamyba ir jos balansavimas ties 36,6ºC yra priklausomas nuo bendro medžiagų apykaitos greičio, kuris yra labai skirtingas, nuo aplinkos faktorių (temperatūros, drėgmės ir oro greičio) ir nuo kiekvieno asmens reguliacinių autonominės nervų sistemos ypatybių. Esant nepalankiai aplinkai arba šilumos gamybos trūkumui, organizmas reaguoja dviem būdais: padidina šilumos gamybą arba įjungia periferinių kraujagyslių spastines reakcijas, taip sumažinda26 15 pav. Sistema, reguliuojanti fizinį krūvį per grįžtamąjį ryšį mas šilumos atidavimą išorei. Dėl pastarojo mechanizmo daugelis žmonių patiria galūnių atšalimą ir nemalonų šalčio jausmą, kuris gali net pereiti į skausmą. Šis nusiskundimas yra gana dažnas ir daugelis žmonių nesugeba išsiaiškinti jo prigimties. Ne paslaptis, kad šios problemos neišsprendžia ir gydytojai, išskyrus Reno ligos pasireiškimo atvejus. Šaltų rankų ir kojų sindromas keičia gyvenimo kokybę. Šiuo metu nėra jokių diagnostinių priemonių bei mokslinių darbų, suteikiančių rekomendacijas. Manome, kad atsiradus miniatiūrinio dydžio temperatūros sensoriams, kurių tikslumas siekia 0,02ºC, galima sukurti periferinių galūnių monitoravimo sistemą [49]. Ji leistų stebėti temperatūros pokyčius, kurie keičiantis aplinkos temperatūrai priklauso nuo kraujotakos ir organizmo metabolizmo lygio. Manome, kad tokių sistemų panaudojimas leistų išplėsti kurortologijos, ypač organizmo meteoreakcijų, studijas. Organizmo energijos balansas paros metu labai priklauso nuo melatonino koncentracijos dinamikos. Šis rodiklis turi tiesinę priklausomybę bazinės kūno temperatūros pokyčiams. Minėta matavimo sistema gali būti panaudota paros temperatūros registravimui. Šie duomenys reikalingi reguliuoti bioritmologiją, chronoterapiją ir fizinį aktyvumą. Aukščiau minėtos sistemos nėra visiškai biomechatroninės, tam reikalingi tiriamojo žmogaus fizinių judesių matavimai. 27 Atlikto darbo ir poveikio metrologija Treniruotės metu beveik visais atvejais susiduriama su klausimu: kiek atlikau darbo, ar įvykdžiau užduotį, ar proporcingai dirbo tam tikros raumenų grupės. Susiduriama su metrologijos trūkumais. Vienkartinių jėgos matavimo įrenginių netrūksta, bet ne šis parametras yra esminis reabilitacijoje, ergonomikoje ir sporto medicinoje. Laikas pradėti energetinių, atliekamų krūvių ir atlikto darbo matavimus. Gydytojas turi išrašyti receptą, kuriame būtų nurodyta, kokiai raumenų grupei per parą reikia atlikti darbo kiekį kilovatvalandėmis arba kitais vienetais. Šiems tikslams pasiekti turi atsirasti įvairios ir paprastos mechatroninės sistemos. Jų pagalba vyktu fizinių procedūrų kasdieninis dozavimas, pacientų prisiimtų įsipareigojimų stebėjimas, galima būtų objektyviai vertinti motorinių funkcijų dinamiką, adekvačiai vertinti aprūpinančių organizmą sistemų (širdies ritmo, temperatūros ir kt.) pokyčius, treniruojantys asmenys įgytų motyvaciją siekti geresnių rezultatų. Šiandien tai atlikti įmanoma tik su veloergometrais ir valdomais takeliais. Kiti praktikoje naudojami instrumentai neturi atliekamo darbo kiekio matavimo priedų. Daugelio fizioterapinių priemonių konkretus poveikis sunkiai pastebimas. Jos nėra biomechatroninės sistemos dėl to, kad nėra stebimi biosignalų pokyčiai, nėra grįžtamojo ryšio, nevaldoma poveikio vieta, nematuojami aprūpinančių sistemų parametrai. Poveikio mechanizmas dažniausiai vertinamas pagal klinikinių tyrimų rezultatus, kuriuos lemia daugelis kitų faktorių. Biomechatroninės sistemos palengvintų išspręsti šią problemą. 28 7. SENSORINIŲ SISTEMŲ JAUTRUMO DIDINIMAS Žmogaus sensorinės sistemos biomechatronikoje užima svarbią vietą. Be grįžtamojo ryšio ir jo įvertinimo per šių sistemų jutimo organus vargu ar būtų veiksmingos biomechatroninės sistemos. Motorinių funkcijų atlikimui labai reikšminga yra propriorecepcija. Tik dėka jos užsimerkęs žmogus gali atlikti tikslius judesius. Sukurti klausos aparatai padėti ausų patologijai padidino žmonių galimybes. Šiuo metu implantuojami klausos aparatai, kurių efektyvumas pasiekė aukštą lygį. Paskelbta daugiau nei 2000 mokslinių straipsnių, iš jų vien tik per 2009 metus – 110 [7]. Šioje srityje galimos dviejų rūšių sistemos: a) kalbančiojo žmogaus garso perdavimo, sklidimo ir pasiekimo didinimas ir kokybės gerinimas; b) garsą priimančio žmogaus recepcijos pagerinimas arba jos transformavimas (pvz., vizualizavimas). Nederėtų vengti kaulinio laidumo. Visa tai imituojantis pavyzdys yra garso perdavimas kitais ryšio kanalais, pvz., kai mikrofonas įtvirtinamas batų kulnyse. Žmogaus kūno pusiausvyros palaikymas irgi yra sudėtingas procesas. Yra nemažai ligų, kurios pažeidžia šią funkciją. Tyrimai, panaudojus padėties matricas, leidžia įvertinti šiuos sutrikimus. Kūno masės centro judėjimo atramos plokštumoje registravimas (stabilograma) pateikia žmogaus pusiausvyros palaikymo lygį. Gaunamų dvimačių kreivių analizei naudojami įvairūs metodai [39]. Žmonės, turintys šią negalią, naudoja paprastą priemonę – lazdą, taip į pusiausvyros paieškos sistemą įtraukdami rankų recepciją ir raumenis. Net paprastame pasivaikščiojime pradėta naudotis dviem lazdomis. Manome, kad šiuolaikiniai jutikliai leidžia sukurti biomechatroninę 29 sistemą, padedančią asmeniui surasti ir palaikyti kūno padėtį bei pusiausvyrą. Didelės pastangos skiriamos žmogaus akies judesių valdymui. Dauguma paskutiniu metu atliktų darbų, tiriant žmogaus švelnių sekamųjų ir sakadinių akių judesių sistemas, paremti analizuojant regos motorinės sistemos reakciją į reguliarius taikinio šuolius ir jų trajektorijas. Tokie laboratoriniai tyrimai neatitinka realių žmogaus veiklos sąlygų. Operatoriaus regos motorinė sistema, sąveikaujant su įrenginiais ir perduodant valdymo komandas, privalo surasti reikiamus daiktus arba sekti judančius objektus, kurių padėtis nėra žinoma, o trajektorijos nėra nuspėjamos. Nagrinėjant šią problemą, Šiaulių universitete buvo panaudotos informacijos teorijos nuostatos. Regos motorinės sistemos informacijos praleidžiamoji geba apskaičiuojama kaip ribinis informacijos kiekis, perduodamas kanalu per laiko vienetą. Atlikus eksperimentus su tiriamaisiais buvo nustatyta, kad žmogaus regos motorinės sistemos informacijos praleidžiamoji geba taikinio sekimo metu yra maždaug 8 bitai per sekundę, o šuolių metu – 23 bitai per sekundę [43]. Akių judesių valdymas aktualus sekant natų tekstą ir tuo pačiu metu atliekant muziką. Tyrimai parodė, kad akių judesių analizė leidžia nustatyti dėsningumus tarp skambančios muzikos, ją žyminčio ir tiriamųjų sinchroniškai sekamo natų teksto bei žiūros taško trajektorijos natų tekste. Tiriamųjų žvilgsnio atsilikimo arba aplenkimo laikų vidurkiai svyruoja nuo –0,41 iki +0,89 sekundės ir aprėpia tik ribotą natų skaičių. Vidutinis garso aplenkimo vidurkis visiems tiriamiesiems siekė 0,27 sekundes [44]. Periferinio matymo vystymas gali būti naudingas skaitymo metu. Gebėjimas matyti plačiau ir apimti vis didesnį teksto kiekį nei esame įpratę gali iš esmės pakeisti skaitymo procesą. Akys, norėdamos perskaityti teksto eilutę, turi stabtelti ir fiksuoti tekstą keletą kartų. Kuo platesnis periferinis matymas, tuo mažiau stabtelėjimų akims reikia atlikti. Įprastinio skaitymo metu akių judesiams tenka apie 90 proc. laiko. Dalį laiko prireikia artikuliacijai, vidiniam žodžių tarimui ir anticipacijai – gebėjimui atspėti arba skaityti į priekį. Be to, skaitymo greitis su periferiniu matymu yra lėtesnis nei su centriniu [46]. 30 16 pav. Žmonių kūnų diskriminacija bendrame vaizde palengvina paiešką Greičiau skaitoma tuomet, kai yra didesnės raidės ir platesni tarpai tarp jų [87]. Greitas skaitymas yra pakankamai naujas mokslas, susidedantis iš įvairių neuromokslų, anatomijos žinių, kalbotyros, informatikos ir kitų dalykų, pradėtas dėstyti prieš 50 metų. Vidutinis skaitymo greitis siekia nuo 200 iki 300 žodžių per minutę. Po apmokymo kursų greitis padidėja nuo 1000 iki 3000 žodžių per minutę. Šiuo klausimu yra išleisti geri vadovėliai [41]. Mokymo procesas priklauso nuo kalbos. Lietuvių kalboje žodžių reikšmę generuoja galūnės. Anglų kalboje prasmės supratimas priklauso nuo žodžių sekos sakinyje, todėl greito skaitymo metodikos šioms kalboms skiriasi. Apmokymui yra sukurtos programos (AceReader, Speed Reader ir kitos), gaminami įvairūs prietaisai. Autoriai mano, kad pritaikius grįžtamąjį ryšį šis apmokymo procesas pagreitėtų. Missouri universitete tyrėjai sukūrė programinę įrangą, kuri atlieka žmonių arba reikiamų objektų paiešką vaizdo įrašuose. Šių tyrimų tikslas – kompiuteriais pagerinti vaizdo turinį ir objektų identifikavimą. Žmogaus aptikimo programinė įranga galėtų būti taikoma 31 padedant vairuoti. Pavyzdžiui, programinės įrangos galėtų sustabdyti automobilį iš karto, kai ji aptinka kelyje pėsčiąjį. Tokios programos padidins regėjimo galimybes atpažinant arba ieškant reikiamo objekto vaizdo panoramoje (16 pav.). Panašūs darbai sparčiai vystomi [86], [25]. Regos lauko dydžio apribojimai veikia žmogaus elgesį ir gali pabloginti įvairių užduočių naudą. Tačiau ryšys tarp žmonėms keliamų sudėtingoje aplinkoje užduočių ir regos lauko dydžio šiuo metu nėra labai žinomi. Šios problemos nagrinėjimas leistų suformuluoti ribojančius reikalavimus kuriamiems prietaisams, pavyzdžiui, naktinio matymo akiniams ir ant galvos montuojamoms mokymo ir pramogų sistemoms [75]. Ši problema aktyviai nagrinėjama JAV armijoje, kur iki 2014–ųjų metų jau numatyta pagaminti ‚,Head Mounted Displays“ 45000 prietaisų kareiviams [67]. Regėjimo srityje žengiami pirmieji dirbtinės akies sukūrimo ir implantavimo žingsniai [47] [2]. Kad atkurtų regimąjį suvokimą, prietaisai turi būti su didele skiriamąja geba, turėti tūkstančius elektrodų, skubiai atlikti vaizdo apdorojimą ir gana greitai paversti juos į elektrinę stimulo struktūrą, kuri gali būti tinkamai interpretuojama smegenyse [4]. Vokietijos mokslininkai, pasinaudodami mikroelektronikos, neurofizikos, informatikos inžinerijos, kompiuterijos, medžiagų mokslų ir medicinos pasiekimais, per dvylika metų sukūrė regimąjį protezinį prietaisą pacientams, kurie apako dėl tinklainės ligų. 2007 m. rugsėjį jų pastangos buvo apdovanotos: klinikinėse studijose su šešiais pacientais jie sugebėjo parodyti ne tik tai, kad visiškai implantuotas regėjimo protezas yra techniškai įmanomas, bet ir įrodė jo funkcionalumą – pacientai galėjo suprasti regimuosius vaizdus. Dirbtinis lęšio implantas dabar galės išsaugoti regėjimą milijonams žmonių. Mokslininkai sukūrė naują dirbtinio į akį implantuojamo lęšio tipą, kuris suteikia pacientams puikų regėjimą. Pagamintas iš unikalios prisitaikančios prie šviesos medžiagos, lęšis gali pakeisti formą veikiamas lazerio spindulių [13]. Už šios medžiagos metodo sukūrimą Robert H. Grubbs ir du jo kolegos 2005 metais gavo Nobelio premiją. Šis lęšis gali būti koreguojamas pagal kiekvieno paciento 32 poreikius – nesvarbu, ar jis kenčia nuo kataraktos, trumparegystės ar astigmatizmo. Didysis prisitaikančio prie šviesos lęšio išskirtinumas, kad po implantacijos galima koreguoti jo stiprumą kompiuteriu. Šie lęšiai yra pagaminti Calhoun Vision, Inc. (JAV) kompanijos ir plačiai naudojami. (http://www.alfa.lt/straipsnis/10303253/?Nauja.operacija.leis.visiems.susigrazinti.gera.regejima=2009–12–11_08–00). Naktinio matymo prietaisai, stereomatymo išplėtimas, lazerių panaudojimas, regėjimo objektų apšvietimas kitu dažniu (ultravioletiniais, infraraudonaisiais ir kitais spinduliais) padidino ir ateityje padidins žmogaus regėjimo galimybes. 8. BIOMECHATRONINIŲ SU GRĮŽTAMUOJU RYŠIU SISTEMŲ ANALIZĖ Medicinoje gydymo procese egzistuoja neišvengiami grįžtamieji ryšiai (GR). Visi poveikio faktoriai transliuojami paties paciento, o mediko tikslas yra išgauti reikiamą organizmo būklę. Iš kitos pusės, dabartiniu metu kuriami įvairūs prietaisai, kurių pagrindą sudaro biologinis GR. Jie yra rekomenduojami gydymui, norint pasiekti įvairias būsenas. Biogrįžtamasis ryšys rytų medicinoje žinomas kelis tūkstančių metų. Jis buvo ugdomas kūno ir dvasinių būsenų savireguliavimu įvairiose mokyklose. Šiuolaikiniai biogrįžtamojo ryšio tyrimai tęsiasi apie 50 metų. Rezultatai parodė, jog žmonės gali kontroliuoti tam tikras nuo valios nepriklausomas autonominės nervų sistemos funkcijas, t. y. širdies ritmo dažnį, kraujo spaudimą, seilių išsiskyrimą, šlapimo formavimąsi, prakaito liaukų ir medžiagų apykaitos aktyvumą, ir kt. Šiandien biogrįžtamasis ryšys taikomas klinikose, laboratorijose, darbovietėse ir ten, kur susiduriama su streso valdymo problemomis. 33 17 pav. Biogrįžtamojo ryšio schema Biogrįžtamasis ryšys – tai grupė procedūrų, kurios naudoja elektronines, elektromechanines ir kitas priemones, kad padėtų tiksliai išmatuoti žmogaus fiziologinius signalus ir juos pateiktų paprasta, padedančia reguliuoti tuos ar kitus fiziologinius parametrus forma. Paprasčiausiai, biogrįžtamasis ryšys gali būti apibrėžiamas kaip procesas, kurio pagalba žmogus išmoksta kontroliuoti savo fiziologinius procesus, pasinaudodamas įvairiomis biogrįžtamojo ryšio aparato programomis. Esmę sudaro paties tiriamojo registruojamas biosignalas. Jis yra procesoriaus apdorojamas, tuomet su atitinkama programa suformuotas signalas siunčiamas tiesiogiai arba per tinklą tiriamajam vienai ar kitai sensorinei sistemai (17 pav.). Vienu metu gali būti registruojama informacija iš 8–10 daviklių. Poligrafiniai signalai apdorojami kompiuteriniu būdu specialiomis programomis. Programa leidžia vaizdžiai, išsamiai ir tiksliai pateikti daug informacijos apie tiriamojo pasirinktos sistemos būklę bei vidaus organų nervinę reguliaciją. Kadangi biomedicininės sistemos beveik visada yra su GR, šį aspektą pateiksime plačiau ir gana formalizuotai, kad tai būtų pritaikyta esamai įvairovei. 34 Grįžtamasis ryšys kaip tikslo siekimo instrumentas Dažniausiai grįžtamasis ryšys (GR) yra pavaizduojamas labai paprastai. Manoma, kad bet kuris uždaras reguliavimo kontūras jau yra GR. Tai abipusis posistemių apjungimo ryšys, kuris sujungia išėjimą su įėjimu. Jo poveikis realizuojamas per papildomas operacijas (sumavimas, diferencijavimas ir t.t.) ir gali būti teigiamas arba neigiamas. GR tikslas – valdymas, kuris leidžia esamą išėjimą pakeisti į norimą. Pasinaudodami S. Optnerio apibrėžimais, pateiksime GR struktūrines dalis [57]. Operacinis požiūris tikslingai pakeičia GR struktūrą ir išskiria ją kaip posistemę. Pagrindinė jos paskirtis yra sistemos einamojo proceso keitimas kūrėjui reikiama kryptimi. Vykdant sistemos valdymą, asmuo, sprendžiantis problemą, konstruoja šią posistemę panaudodamas tam reikiamas formas, modelius. GR posistemę sudaro trys modeliai: 1. Išėjimo modelis; 2. Skirtumų nustatymo ir įvertinimo modelis; 3. Poveikio modelis. 18 pav. Kriterijaus ir poveikio įjungimas į grįžtamojo ryšio posistemę 35 GR posistemės schema pavaizduota 19 pav. Sistemos išėjimas palyginamas su kriterijumi ir, jei jie nelygūs, veiksmas nukreipiamas į poveikio modelį. Jei jie lygūs, tikslas yra pasiektas. Tikslas turi ryšį su kriterijais ir proceso metu asmuo, sprendžiantis problemą, gali juos įtakoti arba koreguoti [68]. Išėjimo modelis Išėjimo modelis turi būti adekvatus laukiamam rezultatui. Išėjimas, patekęs į GR posistemę, gali turėti kiekybinę ir kokybinę formą. Kiekybinis išėjimas turi didelį privalumą. Labai lengva stebėti ekrane savo širdies dažnį. Jis gali tapti kriterijumi (standartu) arba būti lyginamas su juo. Kriterijai nurodo, koks turi būti sistemos išėjimas. Pvz.: atliekant fizinį krūvį širdies ritmo dažnis turi nuolat būti 100k/ min. Laukiamas rezultatas savaime suvaržo sistemos išėjimą. Tikslu apibrėžtas reikiamas rezultatas apriboja sistemos funkciją. Tai atliekama priverstiniais ryšiais. Tik tokiu būdu tikslas tampa valdomas ir, pasinaudojant kriterijumi, išmatuojamas. Kriterijus suteikia pastovumą, kurio atžvilgiu galima daryti išvadą, ar problema yra išspręsta. Pasirinkti kriterijai ne visada pasiekiami. Tam yra du būdai: • Didelė ir sudėtinga problema turi būti apibrėžta tokiais pat plačiais kriterijais; • Sudėtingą problemą reikia suskirstyti į mažas grupes ir surasti siauresnius kriterijus kiekvienai grupei. Tokiais atvejais problema sprendžiama etapais ir iš pradžių priimami sprendimai, nusakantys ir apibūdinantys patį procesą. Kokybinį standartą sudaro pripažintas principas arba taisyklė. Kriterijus pasirenka asmuo, sprendžiantis problemą. Skirtumo nustatymo ir įvertinimo modelis Pagrindinis klausimas – ar atitinka sistemos išėjimas kriterijams. Į šį modelį patenka du įėjimai: 1. Kriterijus iš išėjimo modelio; 2. Proceso rezultatas iš išėjimo. 36 Išėjimas iš skirtumo nustatymo ir įvertinimo modelio turi pasiekti poveikio modelį. Pirmame etape yra vykdoma skirtumo nustatymo operacija. Kai problema yra kiekybinė ar kokybinė, skirtumas nustatomas pagal mastą ir rūšį. Šios operacijos rezultatas yra dydis, kuris išmatuoja skirtumo laipsnį ir rūšį. Jis turi būti įtikinamas ir suprantamas, kad būtų galima padaryti objektyvią išvadą. Rastas skirtumas signalizuoja, jog sistema veikia netaisyklingai ir daro klaidų. Panašias operacijas atlieka kiekvienas žmogus, identifikuodamas bet kurią problemą. Stebėdamas esamą sistemą, jis dažnai randa neatitikimą su įsivaizduojama arba norima, ir šį skirtumą įvardija kaip problemą (20 pav.). Problemos gylį lemia šio skirtumo dydis. Dažnai kiekvienas lengvai apibūdina gylį, įvardindamas tai kaip lengvą arba sunkią problemą. Pateikta schema leidžia suprasti atliekamų operacijų eigą, kai asmuo pradeda kurti ar analizuoti sistemą. Antrame etape yra atliekama skirtumo tarp išėjimo ir kriterijaus įvertinimo operacija – tai informacijos analizės procesas. Šio proceso tikslas yra suprasti paslėptoje informacijoje prasmę ir išmanyti turinio logiškumą. Trečiame etape vyksta sprendimo sudarymas, kurį lemia trys įėjimai: pirmo, antro etapų išėjimai ir kriterijus. Rezultatas – kompromisas tarp esamos ir laukiamos sistemos būklės, nes reikia minimalizuoti skirtumą tarp šių būsenų. Sprendimo paruošimo procedūroje turi būti perrinktos visos alternatyvos, kurios leis pakeisti arba išsaugoti sistemos būklę. Poveikio modelis Poveikio modelis realizuoja paruoštą sprendimą. Tai kryptingai suformuoti nuoseklūs veiksmai, kurie paveikia sistemos įėjimą arba patį procesą. Sprendime gali būti pakeistos beveik visos posistemės tuo atveju, jei tapo aišku, kad sistema funkcionuoja klaidingai. Procesorinės sistemos gali tik keisdamos parametrų dydžius adaptuotai rasti sprendimus, bet negali perkonstruoti arba nustatyti naujus ryšius tarp sistemos objektų ir, tuo labiau, pritraukti į sistemos sudėtį naujus objektus. Tokius sprendimo variantus priima tik žmogus. 37 19 pav. Problemos suformavimo struktūrinė schema 38 Naujų ryšių sudarymas arba naujų objektų įtraukimas į sistemos struktūrą yra kokybinė operacija, kurios metu sistemoje atsiranda nauja posistemė, tuomet iš esmės pakinta sistemos išėjimas. Kol sistemoje neatsiranda šių esminių pakitimų, sunku tikėtis nuolatinio ir nekintančio rezultato. Akivaizdžiai ir dažnai tai matome gydant medikamentais arba kitais stimulais įvairias ligas. Kol organizme yra tam tikra vaisto koncentracija arba vyksta fizinis ar psichologinis poveikis, tol stebima kita organizmo būklė. Pasibaigus poveikiui jo būsena dažnai grįžta į buvusią pusiausvyrą (Le Šatelje ir Brauno principas). Tokiais atvejais, jei įmanoma, reikalaujama kokybinių operacijų. Kol poveikio modelio išėjimas tampa sistemos įėjimu, jis turi atlikti keleta GR iteracijų. Kiekviena kilpa yra grįžtamasis ryšys, kontroliuojantis atskirus poveikio proceso parametrus. Jie reikalingi tam, kad būtų įmanoma įvertinti ir sudaryti poveikio schemą. Įvertinimas reikalingas nustatyti, kokiu būdu bus vykdomas poveikis. Ruošiant ir tikrinant poveikio parametrus reikia įvertinti poveikio sekas, tikrinti kitus parametrus: 1. Poveikio vietos ir laiko pasirinkimą; 2. Poveikio formos nustatymą; 3. Poveikio vienareikšmiškumo, prasmės ir naudingumo nustatymą; 4. Informacijos vertinimą; 5. Poveikį ribotame laiko intervale. Visi šie išvardinti parametrai yra sistemos prievartiniai ryšiai ir gali veikti nepriklausomai vienas nuo kito. Kiekvieno jų svarba yra specifinė ir priklauso nuo sprendžiamos problemos. Poveikio vietos ir laiko pasirinkimas. Poveikio vietos ir laiko pasirinkimas priklauso nuo veikiančios sistemos būklės. Jei sutrikimai yra atsitiktiniai ir reti, įsikišimas reikalingas toje sistemos vietoje, kur duomenys pasireiškia prieštaringai. Analizė leis nustatyti trūkumų priežastis. Trūkumų gali būti daug ir įvairiose sistemos objektuose, todėl poveikio vieta gali būti: įėjimas arba išėjimas, artimai susiję su trūkumais; GR posistemės ir sistemos procesas. 39 Laikas pasirenkamas, kai trūkumai yra susieti su periodiškumu arba priklauso nuo laiko struktūros veikiančioje sistemoje. Tais atvejais reikia nustatyti sistemos veiklos laiko diagramą ir jos struktūroje surasti poveikio operacijas. Iš tiesų, pats poveikis yra tiesiogiai susietas su prievarta ir apribojimais. Dėl to susidaro charakteringi sunkumai dirbant su pacientais. Prievarta yra veiksmas, kuris daro spaudimą ir verčia vykdytoją atlikti reikiamus veiksmus. Žmonės dėl daugelio priežasčių ne visada teisingai reaguoja į pasikeitusią situaciją ir jų reakcijos būna labai įvairios. Tokiais atvejais dėmesys turi būti nukreiptas į susitarimus su jais ir tarp jų, pvz., aptariant procedūras kolektyvinėje psichoterapijoje. Poveikio formos nustatymas. Poveikio formos pasirinkimas priklauso nuo naudojamų procedūrų ir gali kisti labai plačiame diapazone, nuo migloto iki vienareikšmiško. Sprendžiant kokybinę problemą, poveikis vykdomas susitarimo su žmonėmis metu, nes tokiais atvejais valdyti procesą per GR be žmonių, susitarimų su jais ir įtakos jiems neįmanoma. Jis gali įgauti tokias formas: 1. Ryšių tarp posistemių pakeitimą; 2. Informacijos pateikimo periodo pakeitimą; 3. Sumažinus įėjimo ar išėjimo tūrius, sutrumpėja informacijos apdorojimo laikas; 4. Procedūrų, įrengimų ir priemonių pakeitimą. Ryšių sudarymas ar panaikinimas tarp atskirų sistemos dalių gali iš esmės pakeisti jos išėjimą norima linkme ir sukelti sistemoje įvairius pakeitimus: nuo visiškai taisyklingos veiklos iki visiško chaoso. Tikslo pasiekimas tiesiogiai yra susietas su ryšių pertvarkymu sistemoje ir laiko struktūros formavimu sistemos funkcionavime. Yra svarbu ne tik pasiekti tikslą, bet ir kokiu momentu tai turi įvykti. Sistema – tai daugybinių ryšių aibė, kurių suorganizuota veikla leidžia pasiekti apibrėžtą tikslą. 40 Poveikio vienareikšmiškumo, prasmės ir naudingumo nustatymas. GR tarp asmenų greičiau vyksta, jei pasirinkimas vykdomas forma „taip – ne“ arba kitais kodiniais žodžiais. Nežinomi žodžiai, migloti pasakymai arba neteisingai naudojami žodžiai apsunkina GR, nes pareikalauja perteklinio įėjimo, per kurį reikia paaiškinti tikrąją prasmę. Tam reikia papildomo laiko. Kita vertus, GR turinys, kurį suformuoja žmonės, dažnai yra perteklinis, prieštaringas arba nepakankamas. Tokiais atvejais tikrai sunku pasiekti tikslą. Informacijos vertinimas. Poveikio modelio formavime didelę reikšmę turi informacijos perdavimo greičio kitimo, jo kokybės arba kiekio įtakos sistemos funkcionavimui nustatymas. Žinia gaunama iš duomenų analizės, todėl informacijos perdavimo greitis priklauso nuo kiekvieno etapo: duomenų išgavimo; jų analizės būdo; pateikimo formos. Daug paprasčiau, jei duomenys yra kiekybiniai, su kuriais yra patogu dirbti, tam labai padeda kompiuterinės programos. Kokybiniai duomenys išreiškiami terminais ir jų prasmė gali būti nevienareikšmė. Sugebėjimas padeda kokybinę informaciją rikiuoti reikiama tvarka. Priešingu atveju, bus reikalingas atitinkamas susitarimas tarp sistemos tyrėjų. Tuo metu padeda duomenų suprantamumas, išaiškinimo įtikinamumas ir pateikiamos išvados. Poveikis ribotame laiko intervale. Poveikio laiko struktūros formavimas gali pakeisti sistemos funkcionavimą. Yra svarbu ne tik pasiekti tikslą, bet ir kokiu momentu tai turi įvykti. „Pagrindinai, bet kuriame empiriniame eksperimente glūdi fiksavimas to, kas ir kokiais laiko momentais darosi“ [3]. Poveikiui atlikti reikia numatyti pakankamą laiko intervalą. Priešingai, susidaro laiko deficitas, todėl poveikį atlikti tampa fiziškai neįmanoma. Be to, laiko deficitas sukelia tyrėjui streso būseną, kuri gali tapti klaidos priežastimi. Specifinis poveikis gali turėti didelę įvairovę ir įgauti ne tik atsitiktinį, bet ir užprogramuotą charakterį. Atsitiktinis yra sunkiai prognozuojamas. Priešingai, programuotas poveikis yra gerai sinchronizuotas ir suderintas programos adminis41 tratoriaus. Išoriniai įvykiai, esantys už sistemos ribų, gali būti specifinio poveikio priežastimi ir didinti riziką, kurios matas ne visada išreiškiamas kiekybiniais rodikliais. Rizika ir neapibrėžtumas gali pasireikšti visuose tikslo siekimo etapuose. Situacijos neapibrėžtumas yra stimulas, sukeliantis žmoguje stiprią psichofiziologinę reakciją, net nerimą. Tampa sunkiau valdyti sisteminį procesą. Be to, rizika didėja, kai naudojama daugiau prielaidų, nes patenkama į spėliojimų sritį. Išorinė paieškos posistemė Išorinė paieškos posistemė tai GR posistemė, kuri veikia per sistemos įėjimą, įtraukdama naujus objektus iš išorės, parinkdama senų objektų eiliškumą arba suformuodama tarp jų naujus ryšius. Pagrindinė jos funkcija – paveikti išorinius įvykius reikiama linkme, kurie paveiks sensorinę sistemą. Formuojant poveikį gali atsirasti būtinybė atlikti naujų stimulų paiešką ir tam panaudoti naujus aplinkos faktorius, pakeisti jų savybes arba įtraukti į poveikį naujus stimulus bei ryšius. Nemažą vaidmenį gali turėti naujų stimulų atsiradimo tiksli prognozė. Kadangi prognozė laike dažniausiai būna išankstinė, atsiranda laiko rezervas, per kurį įmanoma surasti tikslui pasiekti riekiamus būdus. Aplenkimas laike svarbiausias šios posistemės pranašumas. Susidaro galimybė laiku parinkti reikiamas alternatyvas. Suformuotas poveikis įtakoja sistemą tik per įėjimą. Vidinė paieškos posistemė Vidinė paieškos posistemė – tai GR posistemė, kurios veiksmai yra nukreipti į procesoriaus veiklą, siekiant pakeisti patį procesą. Šis procesas yra susietas su paieška. Tai sąmoningai vykdomas nukreiptas į vidinius sistemos parametrus poveikis. Sąmoningai vykdoma funkcija apibrėžiama kaip savaiminė ir atliekama su ketinimu. Žmoguje toks poveikis yra susietas su valios aktu. Jis yra nukreiptas į maksimaliai įmanomą organizmo valdomų funkcijų bei norų pakeitimą. Veikimas vyksta vidinės valios jėga, keičiant psichinius procesus bei 42 jų būseną arba atliekant įvairius judesius ir pozos pakeitimus. Jų įvairovė priklauso nuo asmens pasiruošimo ir jo turimų žinių. Didelį vaidmenį atlieka jo vidaus sistemos poreikiai kaip vidiniai stimulai, kurie yra išreiškiami atitinkamais norais, pvz., alkis, troškulys ir kiti. Jie atsiranda tuomet, kai organizme tarp priešingų posistemių susiformuoja įvairūs funkciniai disbalansai, kitaip tariant, tarp jų tam tikrame laiko intervale prarandama pusiausvyra. Tokiu būdu atsiradęs noras veikia kaip vidinis stimulas arba net kriterijus, kurio pagrindu yra analizuojami vykstantys išoriniai įvykiai. Šie vidiniai stimulai, susidarius tam tikroms aplinkybėms, tampa vidinės paieškos sistemos veikimo objektais. Subalansuotoje sistemoje įėjimo ir išėjimo dydžiai yra surišti per GR. Jei šis ryšys yra nepakankamas, atsiranda duomenų, kurie reikalingi sistemos valdymui, trūkumas ir tikslas gali būti nepasiektas. Jei GR yra per didelis, padidėja išlaidos, atsiranda informacijos perteklius, tuomet veikla gali sutrikti. Subalansuota sistema turi savo ribas arba slenkstį, kurį peržengus arba nepasiekus, jos būsena gali tapti kritiška. Tokių pavyzdžių yra daug biologijoje ir medicinoje. Vienas iš svarbių momentų sistemos valdyme yra šio slenksčio arba diapazono ribų identifikavimas ir poveikio vykdymo pasirinkimas tame laiko intervale, kol dar sistema yra ne kritiniame diapazone. Medicinoje joks gydymo procesas nevyksta be grįžtamojo ryšio. Jis dar aktualesnis tampa biomechatronikoje, kai kuriamos sistemos sąveikauja su organizmu tik per GR. Siūlome formalų algoritmą, padedantį tyrėjui sugeneruoti norimą GR sistemą. Formuojant biogrįžtamojo ryšio instrumentą ir apibrėžiant problemą reikia nuosekliai nurodyti sistemos objektus ir jų savybes, jos sprendimo būdus, identifikuoti visus sistemos parametrus ir GR posistemę. Kiekvienu atveju turi būti pateikiami visų elementų apibrėžimai, kurie apribotų sistemos kūrėjo veiksmus [57], [68]. Atsižvelgiant į kiekvieną iš minėtųjų, vyksta palaipsninė konkrečios sistemos sintezė. Algoritmas gali būti realizuotas įvairiomis formomis: popieriuje nubraižytose lentelėse pildant atsakymus į klausimus; atliekant tą patį kompiuteryje; užpildant suformuotas grafines blokines schemas. 43 Sisteminis požiūris turi tapti instrumentu sprendžiant bet kokią problemą. Tikslas turi ryšį su kriterijais ir proceso metu asmuo, sprendžiantis problemą, gali įtakoti arba koreguoti pasirinktus kriterijus [68]. Pasinaudodami sistemų elementų apibrėžimais ir jų pateikimo seka, siūlome algoritmą, leidžiantį suformuoti reikiamą instrumentą. Jis neišvengiamai turi padėti pasiekti užsibrėžtą tikslą ir gali būti naudojamas kūrybos procese, aptariant kiekvieną sistemos elementą. Lentelėje pateiksime pavyzdį, kaip suformuojama konkreti sistema, kuri leis sumažinti kaktos raumenų (skalpo) įsitempimą. Suformavus konkrečios sistemos struktūrą šis formalus instrumentas leis sukurti prietaisą ir stebėti jo funkcionavimą. Be to, šios lentelės pildymas gali būti naudojamas kaip pedagoginis instrumentas, tik reikia suformuoti tikslą. 1 lentelė. Problemos sprendimo tipai Objektai ir savybės Tikslas Sprendimai, apibūdinantys procesą Sprendimai, nusakantys galutinį rezultatą Įėjimas Apibrėžimai Siekiamas rezultatas. Konkreti kuriama sistema Kaktos raumenų įsitempimo sumažinimas. Valdomo proceso monitoravimas, Įsitempimo lygio palaikymas. sekimas. Maksimalus nustatyto tikslo siekimas. Įsitempimo panaikinimas. Procesas Įėjimas yra stimulas, kuris sužadina Kaktos raumenų įsitempimo esamą sistemą. Įėjimo funkcija yra laipsnį adekvačiai atspindi elektromiograma (EMG). EMG atitinkamos jėgos sužadinimas, kuris aprūpina sistemos procesą yra įėjimas. Gali būti stebima ekrane, transliuojama į garsą, medžiaga, duomenimis, informacija, energija. vibraciją ir kitas formas. Informacijos apdorojimas – Procesas – tai sistemos funkcija, analizuojama EMG, skaičiai daranti dabartinį rezultatą. ekrane, garsas, kiti jutimai, Žmogus, kaip procesorius, suvokiamas su savo fiziologiniais, bendra savijauta, kaktos raumenų tonusas, kvėpavimas psichofiziniais ir psichologiniais parametrais. Jis yra paveiktas ir uždavinio suvokimas. Siekiamas signalo suvokimas ir jo paties pasiruošimo ir esamų adaptacijos mechanizmų. nusiraminimas. 44 Išėjimas Išėjimas yra sistemos proceso rezultatas. Valdymas per Grįžtamojo ryšio tikslas yra grįžtamąjį ryšį. valdymas, kuris per grįžtamąjį ryšį pakeičia esamą išėjimo būklę į norimą. Apribojimai Juos lemia tikslas ir priverstiniai ryšiai. Priverstiniai ryšiai nusako sistemos ribas. Per apribojimus ir priverstinius ryšius sistema įgauna organizuotumą. Laukiamas rezultatas suvaržo sistemos išėjimą ir apriboja sistemos funkciją. Problema apribojama kriterijais. Išėjimo modelis Išėjimo modelis yra adekvatus laukiamam rezultatui. Išėjimas gali visiškai ar dalinai patekti į grįžtamojo ryšio posistemę. Jis gali turėti kiekybinę ir kokybinę formą. Skirtumų tarp išėjimo ir kriterijaus nustatymas Visais atvejais skirtumas nustatomas pagal mastą ir rūšį. Masto arba laipsnio skirtumas yra susietas su funkcine forma (ką daryti). Sprendimai priklauso nuo naudojamų priemonių (objektų). Skirtumų tarp išėjimo ir kriterijaus įvertinimas Skirtumai pagal rūšį turi operacinę formą (kaip daryti) ir sprendžiami būdais, kuriais keičiami sistemos dalių sujungimai (ryšiai). Tai informacijos analizės procesas. Šio proceso tikslas yra suprasti paslėptoje informacijoje prasmę ir išmanyti turinio logiškumą. Iteratyviniu būdu ir etapais atliekamas palyginimas tarp kriterijaus ir to, kas suprasta. EMG signalo išnykimas arba pasikeitimas. Valdymas vyksta tik keičiant alternatyvas, kurios tikrinamos per grįžtamąjį ryšį. Jų gali būti mažai arba daug. Sudaroma konkreti sistema iš reikiamos aparatūros, jai parenkami kriterijai. Suformuojamos visos grandys, parametrai ir išėjimo dydžiai. Sistema gali būti kompiuterizuota. Nustatoma siekiamos EMG lygio riba. Numatoma, kad raumenų įsitempimo lygis valdys skambančią muziką – kuo didesnis įsitempimas, tuo garsiau skambės. Reikia nustatyti šių kitimų diapazoną (apribojimą). Pasiektas rezultatas lyginamas su nustatytu kriterijumi (EMG lygiu, kuris gali būti kintamas). Jei jis yra minimalus, tikslas yra pasiektas ir būklė palaikoma panašiai. Jei kintamas – tai stimuliuojamas suformuotas poveikio modelis. EMG transliuojama per kitą signalą (vibraciją, skausmą, garsą), manipuliuojama kvėpavimu arba kt. Analizuojami gauti signalai (garsai, vaizdai). Jei reikia visai užblokuoti EMG, tai analizuojama, ar ji yra, ar ne. Vertinamas skirtumas. Jei reikia palaikyti įtempimą ties užduotu lygiu – vertinamas skirtumas tarp jo ir esamo lygio. 45 Sprendimo sudarymas Sprendimo paruošimo procedūroje Kaktos raumenų turi būti perrinktos alternatyvos, atpalaidavimas: EMG lygio kurios leis pakeisti arba išsaugoti kitimas (žemiau – aukščiau). sistemos būklę. Sprendimas Jei reikia palaikyti įtempimą ruošiamas formuojant klausimus ir ties užduotu lygiu – vertinamas atsakant į juos reikšmėmis: „taip“ lygio priartėjimas prie užduoto. arba „ne“. Pagal tai sprendžiama – mažinti raumenų įtempimą ar didinti. Poveikio modelis realizuoja Sistemoje turi būti išskirtos Poveikio posistemės, per kurias vyks modelis paruoštą sprendimą. Tai poveikis ir alternatyvų suformuota konkreti tikslo pasiekimo strategija. Ją apibrėžia išbandymas. Numatomas paveikiamų sistemos parametrų kriterijaus pakeitimas (EMG rinkinys ir pasirinkti ryšiai tarp jų. lygio, garso ir kt.) Poveikio vietos Poveikiui pasirenkama išorinė ir/ Pasirenkame: ar veiksime pasirinkimas arba vidinė posistemė. Uždavinys palaikydami vidinę ramybę – identifikuoti posistemę, kurią savo valios aktu, ar veiksime reikės išanalizuoti, siekiant per savo jutimo organus, nustatyti sistemos trūkumus, surasti keisdami signalų modalumus jų priežastis ir pasirinkti poveikio arba jų dydžius. vietą. Poveikio laiko Laiko pasirinkimas atliekamas, Priklauso nuo uždavinių. Jei pasirinkimas kai tampa aišku, kad trūkumai reikia relaksuoti raumenis protinio darbo metu – tai yra susieti su periodiškumu ir priklauso nuo laiko ir jo struktūros vienas atvejis, jei užmiegant vairavimo metu – kitas. veikiančioje sistemoje. Poveikio formos Poveikis gali įgauti tokias formas: 1. Garsas pakeičiamas vaizdu. nustatymas 1. Ryšių pakeitimas. 2. Informacija apie EMG lygį 2. Informacijos pateikimo periodo gali būti pateikiama pastoviai pakeitimas. arba su įvairiais periodais. 3. Sumažinus įėjimo ar išėjimo 3. Jei EMG transliuojama per tūrius sutrumpėja informacijos muziką, tai pailgėja reagavimo apdorojimo laikas. uždelsimo periodas. 4. Procedūrų pakeitimas. 4. Pajungiamos kvėpavimo procedūros. Poveikio pras- Priklauso nuo abstrakcijos Iteracijomis stebimas rezultato mės, vienalaipsnio, modelio adekvatumo, pasiekimo laipsnis. Jei tikslas reikšmingumo poveikio efektyvumo ir uždavinio pasiekiamas per nustatytą laiką, ir naudingumo supratimo. suformuotas poveikis tampa nustatymas prasmingu ir naudingu, o priemonės vienareikšmėmis. Informacijos Informacijos kiekio, kokybės ir jo Neaktualu. perdavimas perdavimo greičio kitimo įtakos sistemos darbui nustatymas. 46 Poveikis Subalansuotoje sistemoje įėjimas Neaktualu, jei įtempimą reikia ribotame laiko ir išėjimas yra surišti per grįžtamąjį pašalinti. Svarbu, kai įtempimo intervale ryšį. Sistemos būklė turi savo laipsnį reikia palaikyti ties ribas arba slenkstį, kurį reikia užduotu kritiniu lygiu. identifikuoti, ir poveikio vykdymą pasirinkti tame laiko intervale, kol dar sistema yra nekritiniame diapazone. Išorinė paieškos Posistemė, kuri veikia per aplinkos Mažėjant raumenų įsitempimui, garsėja muzika arba atvirkščiai. posistemė faktorius, juos keisdama arba įtraukdama kaip naujus stimulus. Ji Vengiant užmigti prie vairo, įtakoja sistemą per įėjimą. Veikimas sukeliamas skausmas ar kitas dirgiklis (garsas, kvapas, gali vykti per visas sensorines pajungiamas kramtymas). sistemas, pasirenkant stimulus, vietą, laiką, formą, intensyvumą, turinį ir trukmę. Veikimas gali vykti pakeičiant Vidinė paieškos Posistemės veiksmai yra susieti psichinę būseną ir papildomai posistemė su sąmoningu organizmo (procesoriaus) funkcijų pakeitimu. atliekant įvairius kūno dalių judesius, kvėpavimo dažnį, gylį Sąmoningai vykdoma funkcija ir t.t.. apibrėžiama kaip savaiminė ir atliekama su ketinimu. Veikimas Visa tai numatyti instrukcijoje. vyksta valios jėga, keičiant psichinę būseną. Papildomai galimi įvairūs judesiai ir pozos keitimai. Alternatyvų Pasirenkant stimulus, jų veikimo Įvertinus poligrafiniu būdu rinkinys vietą, laiką, formą, intensyvumą, EMG koherentinį ryšį su kitais turinį ir trukmę, sudaromas papildomai registruojamais alternatyvų sąrašas. Galimas procesais, pasirenkama susietų su sistemos konfigūracija poveikiui kita fiziologinė parametrų įjungimas į procesą. sistema. Poveikio įtaka Poveikis gali būti įprastinis ir Poveikis gali būti labai sistemos darbui specifinis. Įprastinis poveikis yra supaprastintas, pvz., tik tas, kuris nesukelia sistemoje pagal garso lygį. Galimos trūkumų. Specifinis poveikis kitos labai įvairios stimulų turi didelę įvairovę ir gali įgauti modifikacijos, net procesorinės atsitiktinį arba užprogramuotą ir sinchronizuotos su kitomis pobūdį. Atsitiktinis poveikis sunkiai fiziologinėmis sistemomis (pvz. prognozuojamas. Programinis yra dėmesio sukoncentravimui su gerai suderintas, sinchronizuotas akies judesiais). ir mažinantis situacijos neapibrėžtumą. Šiuo metu apie biogrįžtamąjį ryšį paskelbta virš 6400 rimtų mokslinių straipsnių. Jų analizei reiktų skirti atskirą apžvalgą. 47 Kyla klausimas – ar visas sistemas su biogrįžtamuoju ryšiu galima priskirti prie biomechatroninių sistemų? Schema, pavaizduota 18 paveiksle, teikia mums teigiamą atsakymą, nes pagrindiniai sistemos elementai yra tie patys visuose instrumentuose, kurie yra naudojami biogrįžtamajam ryšiui. Viskas priklauso nuo generuojamo arba perduodamo tiriamajam signalo modalumo. Jei signalas yra mechaninės kilmės (judesiai, garsas, vibracija, poza), tokias sistemas galima įvardinti biomechatroninėmis. Signalas gali būti kitos kilmės – optinis, vaizdinis, elektrinis, kvapai, skonis, skausmas, šiluma, šaltis. Šie signalai gali būti kuriamų biomechatroninių sistemų elementais, kurie palengvins pasiekti numatytą tikslą. Tokiais atvejais atsakymą į šį klausimą palikim spręsti sistemų kūrėjams. Nemaža pažanga padaryta registruojant galvos smegenų bioelektrinį aktyvumą, siekiant valdyti įvairius įrenginius. Kompiuterio pelės valdymui buvo panaudoti dviejų ritmų diapazonai: 8–12 Hz (mu) arba 18–26 Hz (beta)] nuo kairio arba dešinio sensomotorinės smegenų žievės pusrutulio [51]. Tolimesni tyrimai patvirtino, kad galima sukurti smegenų–kompiuterio sąsają įvairiems uždaviniams vykdyti [50]. Ypač aktualu tokią sąsają panaudoti reabilitacijos srityje [83]. Paskutiniai tyrimai rodo, jog galima sukurti smegenų ir mašinos sąsają. Vienas iš tikslų – sukurti implantuojamus lusto dydžio įtaisus, galinčius kontroliuoti galūnes. Sanchez ir jo kolegos sukūrė panašią sistemą ir išbandė ją su trimis žiurkėmis [17]. Gauti rezultatai suteikė vilčių. Iš Bostono universiteto neurologas Frank’as Guenther’is kartu su Harvardo universiteto ir Masačūsetso technologijų instituto mokslininkais, implantavę specialius elektrodus į “uždaryto viduje sindromo” paveikto žmogaus smegenis, pademonstravo sistemą neuronų signalams perduoti belaidžiu būdu į kalbos sintezatorių. Ivyko minties konvertavimas į kalbą, kurios procesas užtruko apie 50 milisekundžių – tiek pat laiko savo mintis reikšdamas žodžiais užtrunka ir neparalyžiuotas neurologiškai sveikas žmogus. (http://www.technologijos.lt/n/technologijos/elektronika/straipsnis?name=straipsnis– 10635&t=/129/240&l=2) Šiemet JAV Nacionalinis Sveikatos Institutas ir keleta kitų gavo 2,5 milijonų dolerių dotaciją drauge sukurti ,,neuroprosthetic“ lustą, 48 skirtą implantuoti į smegenis. Jie šiuo metu atlieka studijas su žiurkėmis, stengiasi sukurti prietaiso prototipą per ateinančius ketverius metus, kad galėtų išbandyti su žmonėms. Pradinis tikslas – visa tai panaudoti, pavyzdžiui, paralyžiaus ar epilepsijos gydymui (http:// www.sciencedaily.com/releases/2007/07/070724145124.htm). 9. BIOSIGNALAI Visi nuo žmogaus organizmo matuojami signalai gali būti panaudojami kuriant biomechatronines sistemas. Biosignalus geriau klasifikuoti pagal jų fizinę prigimtį. Tyrimuose labai paplitę bioelektriniai signalai. Jie yra tiesiogiai matuojami nuo atitinkamo organo, kuris generuoja elektromagnetinį lauką. Biosignalų įvairovė labai plati (1 lentelė). Dėl kompiuterinių technologijų pažangos seni tyrimo metodai iš esmės pasikeitė ir sudurtinių žodžių dalis ,,grafija“ prarado savo prasmę. Tikslingiau būtų vartoti ,,metrija“, pvz., elektrokardiometrija, nes iš tikrųjų vyksta pagrindinių rodiklių matavimai, o grafinis vaizdas tapo tik pagalbiniu. 1 lentelė. Šiuo metu naudojami neinvaziniai tyrimo metodai Pavadinimas Bioelektriniai 1 Elektrokardiografija 2 Šaltinis Širdis Išvestiniai rodikliai RR intervalas, ST depresija, Q–T intervalas ir kt. 3 4 5 6 Elektroencefalografija Galvos smegenys Alfa ir kitų ritmų aktyvumas, epileptiforminiai kompleksai, sukelti potencialai Elektrookulografija Akys Akių judesiai Elektromiografija Raumenys Integruotas bioelektrinis aktyvumas Elektroneurografija Nervai Nerviniai impulsai Odos potencialas Oda Fazinis amplitudės dydis 49 Judesių registra- Kryptis ir dydis vimas 2 Pulsinė banga Arterijos, venos Ankstyvos ir vėlyvos sistolinių bangų amplitudės Jautrumo matrica Amplitudė ir kryptis 3 Kūno padėtis 4 Kraujo spaudimas Arterijos Sistolinis ir diastolinis dydžiai 5 Oro spaudimas nosyje Nosies ertmė Amplitudė, periodas 6 Stemplės spaudimas Stemplė Amplitudė 7 Pneumografija Oro srautas Greitis, dažnis 8 Jėgos matavimas Raumenys Jėga, greitis 9 Akselerometrija Judesio pagreitis Kryptis ir pagreitis 10 Atstumas, padėties GPS Atstumas, greitis koordinatės 11 Stabilografija Jėgos platformą Kūno masės centro judėjimo atramos plokštumoje registravimas 12 Dinamografija Jėgos platformą Atramos reakcijos jėgos kitimą laike 13 Goniometrija Sąnarių judesiai Kampo pokyčių, kampinių greičių ir pagreičių matavimas Optiniai 1 Fotopletizmografija Kapiliarai Lygio dinamika ir pulsinės bangos amplitudė 2 Spalvų dinamika Oda RGB formatas Kapiliarai O2 koncentracija 3 Pulsinė oksimetrija (O2) Kapiliarai CO2 koncentracija 4 Kapnografija (CO2) Elektrinė varža 1 Pneumotachografija Judantis laidiDažnis, periodas ninkas 2 Odos galvaninė varža Oda Pokyčio amplitudė 3 Elektropletizmografija Audiniai Varžos pokyčių dydis, pulsinės bangos amplitudė 4 Indukcinė pletizmo- Audiniai Pulsinės bangos amplitudė grafija Elektronistagmografija Elektroglottografija Elektromiotonusometrija Biomagnetiniai 1 Smegenų, širdies, plaučių Mechaniniai 1 Aktometrija 7 8 9 Akys Gerklė Raumenys Kryptis ir dažnis Kalbos atpažinimas Galūnių raumenų tonuso matavimas Galvos smegenys, Magnetinio lauko kitimo sekos širdis, plaučiai 50 Ausies būgnelis Oda Termistorius nosyje 4 Aplinkos ir odos tem- Oras ir oda peratūra Bioakustiniai 1 Kalba Orinis ir kaulinis 2 Trachėjinis garsas Trachėja 3 Fonokardiografija Širdis 4 Sanarių garsai Sanario judesiai 5 Raumenų garsai Raumenys 6 Kraujagyslių garsai Arterijos 7 Žarnyno garsai Žarnynas Sudėtiniai 1 Žvilgsnio kryptis Akys 2 Vokų padėtis Vokai 3 Pupilometrija Vyzdžio skersmuo 4 Pulsinės bangos sklidi- Dvi pulsinės mo greitis bangos Oras 5 Iškvėpiamas CO2 6 Prakaito gamyba Oda 7 Skalpo įtempimas Galva 8 Kontaktinių lęšių me- Akis todas 9 Ultragarsas Kraujagyslės, organai Videomatavimai 1 Judesių videometrija Kūnas 2 Veido spalvų dinamika Oda 3 Venų vaizdas Oda 4 Temperatūros pasis- Oda kirstymas 5 Videookulografija Akis 6 Ultragarsiniai Įvairūs organai Temperatūriniai 1 Kūno temperatūra 2 Odos temperatūra 3 Pneumotachografija Temperatūros dydis Temperatūros dydis Dažnis, periodas Temperatūrų dydžiai, reagavimo amplitudės Dažnis, dydis Dažnis, dydis Ritmas, dydis Dažnių spektras Dažnių spektras Dažnių spektras Dažnių spektras Koordinatės Plyšio dydis, dažnis, forma Skersmens dydis, koordinatės Greitis CO2 koncentracija Tūris, intensyvumas Varža Žvilgsnio kryptis Kraujo tekmė Vaizdas RGB, vaizdas, dinamika Vaizdas, gylis Vaizdas Koordinatės Vaizdas Žmogaus išvystoma jėga šuolių metu registruojama jėgos platforma (elektroninėmis svarstyklėmis), kuri tiksliai užrašo atramos reakcijos jėgos kitimą laike – dinamogramą. Šioje lentelėje pateikiami 51 neinvaziniai tyrimo metodai. Jie gana standartiniai ir plačiai naudojami tiek praktikoje, tiek ir moksle. Galimi nauji tyrimo metodai, ypač panaudojus kelių metodų kombinaciją, pvz., elektropletizmografinis mechaniniu būdu užspaudžiamos kūno vietos tyrimas, arba magneto judesiai, sukelti kitų organų judesiais. Panašių variacijų gali būti labai daug ir jų nauda mokslo tiriamajame darbe gali būti neįkainojama. Formuojant biomechatroninės sistemos mechaninės dalies valdymą kyla rimta problema – ne tik tyrimo metodo pasirinkimas, bet ir reikiamo galutinio rodiklio suformavimas iš registruojamo proceso arba vaizdo. Jis turi būti pakankamai tikslingas pagrindinio uždavinio sprendimo atžvilgiu, turėti mažą triukšmų lygį ir būti visiškai valdomu. Šioje srityje nuveikta labai daug. Procesų analizės ir prasmingų rodiklių suformavimo paruošimui naudojami įvairūs matematiniai metodai, algoritmai, programiniai paketai ir specialios programos. Vienas iš patogiausių – LabVIEW programinis paketas (http:// www.ni.com). Kyla kitas klausimas, ar visi gaunami iš pateiktų metodų rodikliai naudojami adekvačiai? Mokslo istorijoje yra ryškus pavyzdys. Atsiradęs reografinis tyrimo metodas nuo 1940 metų buvo labai paplitęs hemodinamikos tyrimuose dėl akivaizdžiai matomos ir registruojamos pulsinės bangos. Tačiau nebuvo sukurta tyrimo metrologija, neaiški liko biofizikinė metodo interpretacija ir metodas beveik visiškai išnyko. Kiekvienas rodiklis arba požymis turi savo diagnostines galimybes (ribas), specifiką ir jautrumą. Reikia neužmiršti, kad pasitaiko spekuliacijų. Šias ribas reikia tiksliai žinoti biomechatroninių sistemų kūrėjams. 52 9. JUTIKLIAI (SENSORIAI) Biomechatroninių sistemų kūrėjas pirmiausiai susiduria su signalo prigimtimi ir jutiklio pasirinkimu. Šiuo metu, kada atrandami vis nauji reiškiniai ir medžiagos, pasirinkimas sukelia problemą, nes eksponentiškai auga domėjimasis jais, augantis jų kiekis ir įvairovė sudaro nemažai sunkumų. Jie diegiami pradedant nuo buitinių mašinų ir baigiant kosminiais aparatais. Valdymas be jų yra neįmanomas. Mikro– ir nanoelektronikos pasiekimai stebina visą pasaulį. Prietaisai tampa mažų matmenų. Ieškoma mažesnių ir jautresnių jutiklių, nes jie sunkiai suderinami su mažomis integralinėmis schemomis. Jų kainos tampa vis mažesnės. Jutikliai gali būti dviejų rūšių: pasyvūs, kurie tiesiogiai kuria elektrinį signalą esant poveikiui, ir aktyvūs, kurie savo veikimui reikalauja išorinės energijos. Pasirenkant jutiklį, būtina aiškiai žinoti signalo prigimtį, jo fizines savybes bei charakteristikas. Dirbant su biologiniais objektais žinoma, kad visų signalų dydžiai yra maži ir, juos stiprinant, kartu auga triukšmo lygis. Bendras jutiklių naudojimo principas transformuoti įvairių signalų energiją į elektrinę formą. Kūrėjui reikia proporcingo poveikiui elektrinio potencialo, kuris nukreipiamas tolimesniam apdorojimui. Galima ir kitokia transformacija. Gyvame organizme jos yra įvairios: biocheminė energija virsta mechanine, šilumine, elektromagnetine ir kitomis formomis. (20 pav.) Galimas ir atvirkštinis keitimas, pvz., šviesos kvantas sukelia biocheminius pakitimus ląstelėse. Jutikliai keičia vieną energijos rūšį į kitą. Pagrindinės energijos yra: optinė, mechaninė, gravitacinė, šiluminė, cheminė, magnetinė ir elektrinė. Dominuojantis yra visų rūšių keitimas į elektrą. Jis gali 53 20 pav. Energijų transformacijos gyvame organizme būti tiesioginis (pvz. spaudžiant pjezoelementą) arba ne (termistoriaus varža). Jutiklių veikimo mechanizmą lengvai galima suprasti žinant fizikinius reiškinius ir dėsnius, kurie yra juose panaudojami. (21 pav.). Egzistuojanti anglų ir amerikiečių matų sistema mums sukelia sunkumus, ieškant reikiamo jutiklio, o metrinė sistema tokius sunkumus sukelia jiems. Pasirenkant reikia išnagrinėti visas jo savybes: kokį fizikinį reiškinį jis matuoja, kokios jo charakteristikos, iš kokios medžiagos jis pagamintas, koks naudojamas keitimo mechanizmas ir kokioje srityje jis gali būti taikomas. Šiuo metu yra labai didelė jutiklių įvairovė. Juos gaminančių firmų labai daug. Išleistos turiningos monografijos [18,22,80]. Rekomenduojamas KTU doc. V. Minialgos lietuvių kalba parašytas vadovėlis „Fizikiniai jutiklių pagrindai“. Jutiklių klasifikacijų taip pat daug, jos kinta nuo labai paprastų iki sudėtingų. Kiekvieną jutiklį būtina charakterizuoti pagal šiuos požy54 21 pav. Energijų transformacijos mius: apibrėžti perdavimo funkciją, matavimo ruožą, išėjimo signalo mastą, tikslumą, kalibravimo paklaidą, histerezę, netiesiškumą, įsotinimą, pasikartojamumą, nejautrumo juostą, išėjimo impedansą, sužadinimą ir laikinas (dinamines) charakteristikas. Trumpai pateiksim jutiklių klasifikaciją pagal jų paskirtį • • • • • • • • • • • Temperatūros. Spaudimo. Drėgmės. Magnetinio lauko. Padėties ir judesių. Lygio, atstumo ir poslinkio. Ištisinio stovio ir navigacija. Jėgos, įtempimo ir prisilietimo. Akustiniai. Radiacijos detektoriai. Lygio matavimai. • • • • • • • • • • • Tėkmės. Dujų srauto. Dujų. Jonų skysčiuose. Šviesos detektoriai. Optiniai fizikinių dydžių jutikliai. Protingi jutikliai. Tinklo jutikliai ir sąsajos. Greičio ir pagreičio. Cheminiai Biosensoriai Nors kiekvieno jutiklio paskirtis aiški, tikslo pasiekimas galimas įvairiais keliais ir naudojant įvairius jutiklius. Įvairumą parodo schema, kur matosi persipynęs ryšių tinklas tarp įvairių jutiklių (22 pav.). 55 22 pav. Jutiklių tarpusavio ryšiai 56 11. MIKROELEKTROMECHANINĖS SISTEMOS Šiuo metu yra stebimos dvi stipriai tobulėjančios tendencijos: virtualizacija ir miniatiūrizacija. Atsirandančiuose naujuose prietaisuose vis daugiau funkcijų perkeliama procesoriui. Daugelis veiksmų atliekama programiniu būdu, platėja valdiklių asortimentas, jų funkcijų įvairovė leidžia plačiai mąstyti konstruktoriams ir vystyti fantazijas, kuriant naujus prietaisus. Informatikos specialistams keliami nauji reikalavimai ir sprendimai. Firmos Texas Instruments, Analog Device ir kt. kasdien praneša apie naujas aukštos integracijos mikroschemas, kurios gali būti panaudotos biomechatronikoje. Biomechatronikos vystymui gali pasitarnauti šiuo metu sparčiai vystomos mikroelektromechaninių (MEMS) arba mikroelektronikos sistemų technologijos. MEMS yra vadinama mikromašinų (Japonijoje) arba mikrosistemų technologija MST (Europoje). MEMS yra sudaryta iš komponentų nuo 1 iki 100 mikronų dydžio, t.y. nuo 100nm iki 1000nm (1 mikrometro), (nanotechnologijos – iki 100nm). Jų sandara paprasta, susidedanti iš centrinio mikroprocesoriaus ir keleto komponentų, kurie sąveikauja su mikrojutikliais ir mikropavaromis; tarp jų rasime optinius kryžminius atšakiklius, perjungiklius, valdomus filtrus bei lazerius, kanalų bei stiprinimo ekvalaizerius, dinaminius dispersijos kontrolės prietaisus ir programuojamuosius optinius pridėjimo ir numetimo įrenginius. MEMS lustai – klasikinių silicio elektroninių lustų ir mikroskopinių mechaninių įrenginių, pagamintų iš to paties silicio, junginys. MEMS technologija gali būti įgyvendinta naudojant įvairias medžiagas ir gamybos būdus. Jų gamybai plačiai naudojamos silicio medžiagos. Silicis turi daug privalumų ir yra beveik ideali medžiaga 57 MEMS technologijoms. Pagrindiniai naudojami metodai yra medžiagų sluoksnių nusėdimas ant silicio pagrindo, struktūros suteikimas fotolitografijos pagalba. Plačiai naudojami įvairūs polimerai ir metalai: auksas, nikelis, aliuminis, varis, chromas, titanas, volframas, platina ir sidabras. Kalifornijos Technologijų instituto mokslininkai kuria MEMS robotizuotą zondą, kuris galės savo elektrodais prisijungti prie norimų žmogaus smegenų neuronų. Sudėtinga prognozuoti, kam tai bus pritaikyta visai netolimoje ateityje. Projekto vadovo M. Wolfo teigimu, idėja turi didelį potencialą eksperimentinių elektrofiziologijos technologijų srityje. Programa robotizuotam zondui leis aptikti reikiamus neuronus [82]. Šis mokslininkų išradimas yra pirmaujantis smegenų ir mašinos sąsajos srityje. Tel Avivo universiteto ląstelių tyrimo ir imunologijos specialistai sukūrė ir pradėjo bandyti nanorobotą – nuotoliniu būdu valdomą nanodalelę. Po injekcijos įleista į kraujotakos sistemą, ji keliauja kraujagyslėmis ir ieško tam tikro tipo ląstelių, kad galėtų jas paveikti savo gabenamais vaistais. Pasak tyrėjų, grupei vadovaujančio Tel Avivo universiteto daktaro Dano Peero, šio medicininės paskirties miniroboto, pagaminto iš biologinių medžiagų, paskirtis bus kova su kraujo, kasos, krūties ir smegenų vėžiu [60]. Panašų sukūrė Monasho universiteto (Australija) mokslininkai. Jis taip pat miniatiūrinis, yra dviejų žmogaus plaukų skersmens dydžio. MEMS technologijos vystomos ir Lietuvoje. KTU sukurta originali MEMS keitiklių gamybos technologija, kurioje taikomas paviršiaus mikromontažas, leidžiantis gaminti didelių funkcinių ir taikymo galimybių mikrovykdiklius bei mikrojutiklius. Ši technologija leidžia pagaminti mikrosistemų komponentus, kurių matmenys gali būti nuo kelių vienetų iki kelių šimtų mikrometrų. Sukurta paviršiaus mikromontažo technologija gali būti pritaikyta mikrovykdiklių, mikrojutiklių, kurie gali būti diegiami telekomunikacijų, automobilių, medicinos, matavimų ir kt. aparatūroje, gamybai. Taip pat jie gali būti integruojami į vienalustes sistemas [58]. Tie patys autoriai sukūrė mikromechaninį elektrostatinį jungiklį (LR patentas LT2003036). Šių technologijų vystymui yra geras studijų pagrindas [6]. 58 Dinaminiams kom-ponentams geriau tinka koncepcija, vadinama difrakcinėmis MEMS arba D–MEMS. D–MEMS komponentuose buvo pasinaudota banginėmis šviesos savybėmis – jos interferencija ir difrakcija. Svarbiausios šios koncepcijos idėjos gimė dešimtojo dešimtmečio pradžioje Stanfordo universitete, kur buvo sukurti vadinamieji moduliatoriai su deformuojamomis gardelėmis. MEMS apima mechaninį atsaką į pateiktą elektrinį signalą arba elektrinį atsaką į mechaninę deformaciją. Pagrindinis MEMS privalumas yra miniatiūrizacija, įvairovė, gausybė ir galimybė tiesiogiai integruoti mechanizmus į mikroelektroniką. Didelis skaičius mechanizmų gali būti greitai pagaminti, taip sumažinant vieneto kainą. Mikroelektromechaninės sistemos panaudojamos kaip nanomašinų projektavimo bazė. Šių sistemų vystymas ir gamyba sparčiai didėja (23 pav.). Moderniausių mašinų projektavimas gali būti pasiektas analizuojant evoliuciškai išsivysčiusių biologinių sistemų sudėtingus pavyzdžius ir šablonus. Bionanovarikliai keičia cheminę energiją į elektros energiją, o elektrinę energiją į mechaninę energiją, biomimetinės mašinos yra žmogaus pagaminti judėjimo mechanizmai, kurių veikimas paremtas biologiniais principais. 23 pav. MEMS gamyba 59 Nanoelektromechaninės sistemos (NEMS) dar tik kuriamos, daugelis yra koncepcinės, daugelis egzistuoja kaip kompiuteriniai modeliai, egzistuojantys nanovarikliai – bakterijų žiuželiai, varomi ne elektrostatinės jėgos, o adenozino trifosfato, kuris verčia molekules keisti savo formą. Biologinių nanomašinų analizė suteiks supratimą, kaip reikia patobulinti mechaninių nanomašinų konstrukcijas. Vienaląstis mikroorganizmas iš blakstienuotųjų infuzorijų gali per milisekundes sutrumpinti savo ilgį iki 25% nuo pradinio. Apie tokias unikalias galimybes šiuolaikinių mikroelektromecahninių įrenginių (MEMS) gamintojai gali tik pasvajoti. Mechaninių įrenginių miniatiūrizacija pasiekė tokį lygį, kad jie artėja prie mikroorganizmų dydžio. Mikroorganizmų integravimas su MEMS – viena iš įdomiausių jų plėtros krypčių. JAV Vašingtono universiteto mokslininkai atrinko mikroorganizmus, kurie, mokslininkų manymu, gali būti panaudoti medžiagų sintezei, tikslių struktūrinių blokų formavimui ir integravimui į valdomas sistemas. Dabar MEMS gamybai naudojami sintezės metodai reikalauja aukštų temperatūrų, vakuumo ar plazmos. Panaudojus mikroorganizmus, reakcijos vyks kambario temperatūroje, vandens tirpale. Genetinė mikroorganizmo modifikacija leis suteikti jam galimybę reaguoti į kelias medžiagas, o kiekvienai iš jos bus skirtas atskiras receptorius, kuris leis juos naudoti kaip sensorius. Mikroorganizmus galima naudoti norint cheminę energiją paversti į mechaninę arba jie galėtų tapti mikrobiologiniais kuro elementais. 60 9. ŠVIETIMAS Jaunimui gali kilti klausimas – kur Lietuvoje galima gauti žinių norint tapti bioinžinieriumi. Šios srities bakalaurus ruošia tik Klaipėdos universiteto Sveikatos mokslo fakulteto Medicinos technologijų (buvusi Biofizikos) katedra. 2010 metais bus trečioji laida. Priimama iki 20 studentų. Katedros studijų techninį pagrindą sudaro įsigyta iš kompanijos National Instruments (JAV) šiuolaikinė laboratorija (www.ni.com). Prie personalinio kompiuterio yra pajungta laboratorinė specializuotų prietaisų stotis NI ELVIS. Ji leidžia įvesti įvairius signalus iš duomenų surinkimo įrenginių. Specializuotų prietaisų charakteristikos ir galimybės labai plačios. Tai šiuolaikinės krypties instrumentas, kuriame kartu yra naudojamos informacinės ir elektroninės technologijos. Jos sudėtyje yra montažinė plokštė (2800 lizdų), skirta studentams ar dėstytojams sudaryti elektrines grandines ir įrengimus, daviklių ir valdomų sistemų montažui. Yra 8 61 diferenciniai įėjimai su 16 bitų analogine įvestimi, didžiausias matavimų registravimo greitis iki 1,25MS/s vienam kanalui (MS/s – milijonas reikšmių per sekundę), 1,00MS/s keliems kanalams (visumoje), įvesties signalo ribos. ±10V, ±5 , ±2V, ±1V, ±0,5V, ±0,2V, ±0,1V; sinfazinio signalo silpnėjimo koeficientas (sinfazinio triukšmo slopinimo koeficientas) 90 dB; įvesties impedansas įjungtam >10 GoM; galimas duomenų perdavimas per USB; analoginiai trigeriai; 2 kanalų 16 bitų bangos generatorius, 24 kanalų skaitmeniniai įėjimai/ išėjimai; 32 bitų iki 1 MHz du bendros paskirties skaitikliai / laikmačiai; iki 1 MHz dažnio generatorius; skaitmeninis multimetras; įtampos, srovės, varžos, talpos, indukcijos, diodų matavimai; funkcinis generatorius; 2 kanalų oscilloskopas; dinaminis signalų analizatorius; amplitudinės–dažninės ir fazinės–dažninės analizatorius; srovės–įtampos analizatorius; impedanso analizatorius; teigiamos įtampos +15V, +5V, nuo 0 iki +12V ir neigiamos įtampos nuo 0 iki –12V, –15V maitinimo šaltiniai. 62 Visos šios funkcijos gali būti valdomos programiniu būdu, panaudojant programinio paketo LabVIEW virtualius instrumentus. Ši stotis naudojama atlikti bioinžinerijos, fiziologijos, programavimo laboratorinius darbus bei vykdant kursinius ir bakalaurinius darbus. Vernier firmos sensorių rinkinys leis patiems Studentai mokomi laboratorinėje praktikoje naudotis programinėmis priemonėmis, kurios skirtos matavimo informacijos surinkimo, pertvarkymo ir apdorojimo užduotims spręsti. Tinkamiausiu galima laikyti kompanijos National Instruments programinį paketą LabVIEW, nes rinkoje atsirandantys prietaisai beveik visada komplektuojami programine įranga, sukurta šios kalbos aplinkoje. studentams pradėti kurti medicinos instrumentus. Programinė įranga kuriama vizualiomis priemonėmis, o tai nereikalauja iš kuriančiojo smulkių programavimo žinių, bet pareikalauja platesnio požiūrio į esamus pasaulyje sudarytus analizės metodus, nes firma pateikia apie 10 tūkst. veikiančių virtualių patikrintų modulių. Studentai supažindinami su NI Multisim programiniu paketu, kuris leidžia virtualiai kurti elektronines schemas, gaunant per internetą žinias apie elektroninius elementus iš reikiamų firmų, vizualizuoti sukurtos schemos veikimą, tikrinti parametrus, atlikti skaičiavimus. Montažinė plokštė yra kompiuterio ekrane. Studentai supažindinami su vaizdų analizės metodais. Tam yra naudojamas NI Vision programinis paketas, kuris leidžia realiame laike apdoroti vaizdo kadrus, gaunamus iš skaitmeninės spalvotos aukštos skiriamos gebos firmos ‚Basler‘ kameros. Tai įgalina kurti robotų technikoje machine–vision‘ sistemas, analizuoti kūno paviršiaus 63 spalvų pokyčius esant įvairiem dirgikliams ir kūno formos dinamiką. Esamas programiniu būdu valdomas 8 ašių aukšto atlikimo žingsninis/servo judesių kontroleris leis susipažinti su mechaninių judesių valdymo ypatumais. Keturių kanalų dinaminio signalų surinkimo ir generavimo modulis su garso ir vibracijos analizės priemonėmis leis tirti garsus ir vibracijas. Iki 6 GHz tikro triukšmo energijos programuojamas matuoklis leis tirti aplinkoje elektromagnetinių bangų poveikį žmogaus organizmui. Naktinio matymo fotokamera su impulsiniu lazeriniu pašvietimu įgalins giliau pažvelgti į organizmą. Laboratorijoje studentai išmokomi naudotis medicinine diagnostine aparatūra: elektrokardiografu, poligrafu, elektroencefalografu, kraujotakos matavimo, kvėpavimo, klausos, akies optiniais prietaisais ir kitais. Studentai panaudodami šias šiuolaikines priemones bando kurti naujesnius organizmo tyrimo metodus. Jų darbai pranešimose yra pristatomi kasmet universitete organizuojamoje konferencijoje „Virtualūs instrumentai biomedicinoje“. Asmuo įgijęs medicinos technologo (bioinžineriaus) kvalifikaciją, turi: – gebėti rinkti ir apdoroti informaciją apie organizmo fiziologinių sistemų būseną, vertinti procesus bei jų sąveikas, vykstančias fizi64 ologinėse sistemose, taikyti tradicinių fizikos, chemijos, biologijos bei kitų fundamentaliųjų mokslų žinias kuriant, tobulinant bei aptarnaujant šiuolaikinę medicininę ir kitokią aparatūrą, įdiegti šiuolaikines informacines technologijas, naudoti bei aptarnauti jas klinikinėje praktikoje. – žinoti matematinio modeliavimo, analizės metodus (bioelektriniai reiškiniai, biomedicininiai jutikliai, biomedicininių signalų tyrimai, biometrija, fiziologinių sistemų modeliavimas, simuliacija ir kontrolė, medicininę informatiką (biomatematika, kompiuterinė technika ir programinė įranga, telemedicina), biomechanikos uždavinius (žmogaus kūno mechanika, biomedžiagos, protezavimas ir dirbtiniai organai, vaizdo gavimo būdai ir technika, 3D technologijos), medicininius instrumentus (medicinos elektroniniai instrumentai, medicininiai įrankiai ir įrenginiai, baziniai klinikiniai matavimai, transportavimo būdai ir biomimetinės sistemos, reabilitacinė funkcijų inžinerija), ergonomikoje taikomus metodus (žmogaus inžinerija, buities bioinžinerija (miego, vairavimo, funkcijų sekimo ir t.t.), asmens sveikatos sistemos: diagnostika ir monitoravimas, ambulatorinė technika (fiziologinių parametrų bei poveikio monitoravimas), nejonizuotų elektromagnetinių laukų biologinis poveikis) bei taikomosios inžinerijos problemas (klinikinė inžinerija, chirurgijos inžinerija, intervencinis ligų gydymas, radiacinė (branduolinė) technika, atstatymo technologijos, alternatyvi ir atsirandanti technika (hiperbarinė deguonies terapija, giluminė šilumos terapija, medicinos robotai, nanotechnika ir kt.), medicininių gydymo ir diagnostikos instrumentų dizainas, apsaugos bioinžinerija (natūrali ir priverstinė (bioterorizmas)), etiniai sprendimai susiję su medicininių technologijų naudojimu). – mokėti dirbti savarankiškai bei kolektyviai, atsakingai, planuoti ir organizuoti savo darbą, pritaikyti įgytas žinias praktikoje bei sekti bazėse naujausias žinias biofizikoje. Norintiems siekti šios kvalifikacijos reikia turėti vidurinį išsilavinimą. Neformaliuoju ar savaiminiu būdu išugdyti gebėjimai dirbti bioinžinieriu nėra pripažįstama. 65 66 Įgiję šią kvalifikaciją asmenys gali dirbti medicinos diagnostikos centruose, ligoninėse, reabilitacijos skyriuose, medicinos metrologijos centruose, medicinos aparatūros kūrimo ir platinimo firmose, gamybinėse įmonėse, mokslo institutuose, įvairiose laboratorijose, aplinkosaugos srityje, švietimo ir sveikatos apsaugos sistemose. Baigę bakalauro mokslus, studijas galima tęsti Klaipėdos universiteto Jūros technikos fakulteto Informatikos inžinerijos katedroje ir įsigyti Biomedicininių informacinių sistemų inžinieriaus magistro laipsnį. Jų pagrindinis mokslinio tyrimo objektas – realaus laiko integruotos ne techninės, o biomedicininės informacinės sistemos, skirtos įvairios prigimties informacijai rinkti, perduoti, valdyti, kontroliuoti ir vizualizuoti, panaudojant valdiklius, skaitmeninius AVS ar kitus informacijos apdorojimo įtaisus. Magistrantai išmoks projektuoti ir diegti specializuotas ir integruotas bioinžinerines kompiuterizuotas sistemas ir jų programinę įrangą, kurti vartotojo grafines sąsajas ir integruoti jas į realias kompiuterines sistemas, veikiančias internete. Panašios studijos ir mokslinis darbas vyksta ir kitose Lietuvos universitetuose. Kauno technologijos universitetas Fundamentaliųjų mokslų fakultete Medicininės fizikos magistras http://www.fizika.ktu.lt/ Biomedicininės inžinerijos magistras http://uais.cr.ktu.lt/ plsql/mod_dest/stp_report.stp_model_html?p_stp_grp_ id=256082&p_year=2006&lang=LT Ultragarsinės biomedicininės inžinerijos mokslo laboratorija http://temp.ktu.edu/lt/apie_struktura/ fakultetai/telek/apie_fak.asp# Biomedicininės elektronikos mokslo grupė Dirbtinių neuroninių tinklų ir vaizdų analizės mokslo grupė http://www.ktu.lt/lt/apie_struktura/fakultetai/elektr/taike_ elektr_kat/mokslas.asp Klaipėdos universitetas Biomechatronika KU Mechatronikos mokslo institutas http://www.ku.lt/mmi/11lt_apie.php 67 Šiaulių universitetas Technologijos fakulteto elektronikos inžinerijos bakalauras, specializavimosi sritis medicininė elektronika, http://www. su.lt/bylos/fakultetai/technologijos/ek/VB_Elektronikos_ inzinerija.pdf Biomedicininės inžinerijos mokslinis centras, http://www. su.lt/article/archive/4 Vilniaus universitetas Biofizikos bakalauras: http://www.biofizika.gf.vu.lt/ Biofotonikos grupė: http://www.biofotonika.ff.vu.lt/ Vytauto Didžiojo universitetas Aplinkosaugos organizavimo magistras http://www.vdu.lt/ studijos/magistro_programos2004/gmf/aplinkosaugos%20 organizavimas.pdf Vilniaus Gedimino technikos universitetas Bioinžinerijos bakalauras ir magistras http://medeine. vgtu.lt/programos/programa.jsp?fak=10&prog=6549921&si d=D&rus=U Biomechanikos bakalauras ir magistras http://www.bmk. me.vgtu.lt/lt/ Ergonomika gamyboje http://medeine.vtu.lt/programos/ programa.jsp?fak=2&prog=7549936&sid=D&rus=U 68 13. IŠVADOS Nuo paprasto ramento iki šiuolaikinės bioninės rankos padaryta didelė pažanga. Biomechatronikos prietaisai bus naudingi daugelyje atvejų: jie galės: asmenims su specialiais poreikiais pagerinti nusilpusią motorinę funkciją, vis geriau pamėgdžiodami normalią biologinę funkciją; būti naudojami, norint apmokyti asmenis su nusilpusia motorine funkcija (fizinis terapijos naudojimas); prisitaikyti prie kiekvieno asmens, nereikalaudami trečiosios šalies; padidinti ir išplėsti normalių asmenų įvairių funkcijų atlikimą; padėti adekvačiai pagal organizmo galimybes suvaldyti atliekamus krūvius. Didėjant įvairių mikrosensorių, elektroninių aukšto integralumo miniatiūrinių mikroschemų skaičiui, mažas jų poreikis energijai sudaro dideles galimybes mokslinei kūrybai ir verslui. Reikalingos įvairių specialistų sinerginės pastangos vystyti biomechatroniką kaip lanksčią humanistinę technologiją tam, kad palengvintų sveikatos priežiūros darbą ir paliktų erdvės žmogaus pasididžiavimui ir kūrybiškumui. Reikalingi mokslo organizacijų technologiniai proveržiai šios technologijos sukūrimui ir plačiam jos panaudojimui. 69 14. LITERATŪRA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] Akin, T. N. K. B. R. M., “An Implantable Multichannel Digital Neural Recording System For A Micromachined Sieve Electrode,” Solid–State Sensors and Actuators, 1995 and Eurosensors IX.. Transducers ‘95. The 8th International Conference on, pp. 51–54, June 1995. Alteheld, N., Roessler, G., and Walter, P., Towards the bionic eye––the retina implant: surgical, opthalmological and histopathological perspectives Acta Neurochir Suppl, vol. 97, pp. 487–93, 2007. Ashby W.R., The Set Theory of Mechanism and Homeostasis General Systems, vol. 9, pp. 83–97, 1964. Asher, A., Segal, W. A., Baccus, S. A., Yaroslavsky, L. P., and Palanker, D. V., Image processing for a high–resolution optoelectronic retinal prosthesis IEEE Trans Biomed Eng, vol. 54, pp. 993–1004, Jun, 2007. D.M. Auslander and C.J. Kempf. Mechatronics: Mechanical System Interfacing, NJ: Prentice–Hall, Upper Saddle River, 1995. Balevičius S., Bareiša E., Karpus V., Ramanavičius A., Suţiedėlis A., and Šimkevičius Č. Nanotechnologijų ir elektronikos aukšciausios kvalifikacijos specialistu ruošimas ir kvalifikacijos kėlimas Lietuvoje, Vilnius:2007. Battmer, R. D., Linz, B., and Lenarz, T., A review of device failure in more than 23 years of clinical experience of a cochlear implant program with more than 3,400 implantees Otol Neurotol, vol. 30, pp. 455–63, Jun, 2009. Berger, D. S., Li, J. K., and Noordergraaf, A., Differential effects of wave reflections and peripheral resistance on aortic blood pressure: a model–based study Am J Physiol, vol. 266, pp. H1626–42, Apr, 1994. Bishop Robert H. The Mechatronics Handbook, New York, Englewood Cliffs: CRC, 2002. W. Bolton. Mechatronics: Electrical Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering, Harlow, England: Addison–Wesley Longman, 1999. Bushko, R. G., Defining the future of health technology: biomechatronics Stud Health Technol Inform, vol. 80, pp. 3–18, 2002. Carew, E. O. and Pedley, T. J., An active membrane model for peristaltic pumping: Part I––Periodic activation waves in an infinite tube J Biomech Eng, vol. 119, pp. 66–76, Feb, 1997. Chayet, A., Sandstedt, C., Chang, S., Rhee, P., Tsuchiyama, B., Grubbs, R., and Schwartz, D., Correction of myopia after cataract surgery with a light– adjustable lens Ophthalmology, vol. 116, pp. 1432–5, Aug, 2009. Chien, S., Chen, P. C. Y., and Fung Y.C. An introductory text to bioengineering, 2008. 70 [15] Connors, M. M., Harrison, A. A., and Summit, J., Crew systems: integrating human and technical subsystems for the exploration of space Behav Sci, vol. 39, pp. 183–212, Jul, 1994. [16] De Nooij, R., Kallenberg, L. A., and Hermens, H. J., Evaluating the effect of electrode location on surface EMG amplitude of the m. erector spinae p. longissimus dorsi J Electromyogr Kinesiol, vol. 19, pp. e257–66, Aug, 2009. [17] DiGiovanna, J., Mahmoudi, B., Fortes, J., Principe, J. C., and Sanchez, J. C., Coadaptive brain–machine interface via reinforcement learning IEEE Trans Biomed Eng, vol. 56, pp. 54–64, Jan, 2009. [18] Dorf R. C. Sensors, nanoscience, biomedical engineering and instruments, NW: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006. [19] Drinnan, M. J., Allen, J., and Murray, A., Relation between heart rate and pulse transit time during paced respiration Physiol Meas, vol. 22, pp. 425– 32, Aug, 2001. [20] Fleischer, C., Wege, A., Kondak, K., and Hommel, G., Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots Biomed Tech (Berl), vol. 51, pp. 314–9, 2006. [21] Foo, J. Y. and Lim, C. S., Pulse transit time as an indirect marker for variations in cardiovascular related reactivity Technol Health Care, vol. 14, pp. 97–108, 2006. [22] Fraden J. Handbook of modern sensors : physics, designs, and applications, New York Berlin Heidelber: Springer–Verlag , 2004. [23] Griškevičius Julius, Motion stability analysis of the nonlinear dynamic system “man wheelchair vehicle” under action of impulsive loads 2005. Vilnius Gediminas Technical University. [24] Hackel Matthias . Humanoid Robots Human–Like Machines, Vienna: I–Tech Education and Publishing, 2007. [25] Han Tony X., Ning Huazhong , and Huang Thomas S. “Fusion by Optimal Dynamic Mixtures of Proposal Distributions,” Second IEEE Workshop on CVPR for Human Communicative Behavior Analysis (CVPR4HB 2009), Miami, pp. 66–73, 2009. [26] Herr, H. and Popovic, M., Angular momentum in human walking J Exp Biol, vol. 211, pp. 467–81, Feb, 2008. [27] Huo, X. and Ghovanloo, M., Using unconstrained tongue motion as an alternative control mechanism for wheeled mobility IEEE Trans Biomed Eng, vol. 56, pp. 1719–26, Jun, 2009. [28] Jo, S., A neurobiological model of the recovery strategies from perturbed walking Biosystems, vol. 90, pp. 750–68, Nov, 2007–Dec 31, 2007. [29] Johansson, J. L., Sherrill, D. M., Riley, P. O., Bonato, P., and Herr, H., A clinical comparison of variable–damping and mechanically passive prosthetic knee devices Am J Phys Med Rehabil, vol. 84, pp. 563–75, Aug, 2005. [30] Jung, K. and Stolle, W., Behavior of heart rate and incidence of arrhythmia in swimming and diving Biotelem Patient Monit, vol. 8, pp. 228–39, 1981. [31] Kallenberg, L. A. and Hermens, H. J., Behaviour of a surface EMG based measure for motor control: motor unit action potential rate in relation to force and muscle fatigue J Electromyogr Kinesiol, vol. 18, pp. 780–8, Oct, 2008. 71 [32] Kallenberg, L. A. and Hermens, H. J., Motor unit properties of biceps brachii in chronic stroke patients assessed with high–density surface EMG Muscle Nerve, vol. 39, pp. 177–85, Feb, 2009. [33] Kalvaitis, G. and Stankus A., “Audiniř elektrinës varţos kitimas dinamiđkai didinant spaudimŕ ţastikaulio dalyje ,” Virtualűs instrumentai biomedicinoje 2008. Respublikinës mokslinës – praktinës konferencijos praneđimř medţiaga, Klaipeda. [34] Kazerooni H., “The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton Project,” Proceedings of the 9th International Symposium for Experimental Robotics, Singapore, pp. 1–11, 2004. [35] Keytel, L. R., Goedecke, J. H., Noakes, T. D., Hiiloskorpi, H., Laukkanen, R., van der Merwe, L., and Lambert, E. V., Prediction of energy expenditure from heart rate monitoring during submaximal exercise J Sports Sci, vol. 23, pp. 289–97, Mar, 2005. [36] Klass, M., Baudry, S., and Duchateau, J., Voluntary activation during maximal contraction with advancing age: a brief review Eur J Appl Physiol, vol. 100, pp. 543–51, Jul, 2007. [37] Klugman, C. M., From cyborg fiction to medical reality Lit Med, vol. 20, pp. 39–54, Spring, 2001. [38] Korsakas S. , Marozas V., Vainoras A., Lukoševičius A., Ruseckas R., Miškinis V., Juodėnas G., Janušauskas A., Šiupinskass L., and Poderys J., “Sportininko fiziologinių parametrų registravimo ir teleperdavimo aparatinė ir programinė įranga,” Biomedicininė inžinerija. Tarptautinės konferencijos pranešmų medžiaga // Kauno technologijos universitetas, pp. 79–82, 2004. [39] Kručinskienė R., “Diskrečiųjų elementų metodo panaudojimo galimybės žmogaus stovėsenai modeliuoti.,” Informacinës technologijos 2005, Kaunas, pp. 170–178, 2005. [40] Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., and Dewald, J. P., Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation Proc Natl Acad Sci U S A, vol. 104, pp. 20061–6, Dec 11, 2007. [41] Anonymous, ed. Kump P. Anonymouspp. 320 pages1999. Prentice Hall Press. 073520019X. [42] Kyura, N. and Oho, H., Mechatronics an industrial perspective IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 1, pp. 10151996. [43] Laurutis V. Channel Information Capacity of the Sensorimotor System of the Eye Electronics and Electrical Engineering., vol. 85, pp. 85–88, 2008. [44] Laurutis V., U. R. Z. R., Partitūrų skaitymo įgudžių tyrimas taikant regos krypties registravimo metodą Kűrybos erdvės, vol. pp. 20–30, 2008. [45] Leclercq, C., Mabo, C., and Daubert, J. C., Cardiac resynchronization therapy: which device to implant? Arch Cardiovasc Dis, vol. 101, pp. 55– 60, Jan, 2008. [46] Legge, G. E., Mansfield, J. S., and Chung, S. T., Psychophysics of reading. XX. Linking letter recognition to reading speed in central and peripheral vision Vision Res, vol. 41, pp. 725–43, Mar, 2001. [47] Lucci, L. M., Hofling–Lima, A. L., Erwenne, C. M., and Toledo Cassano, E. M., Artificial eye amplitudes and characteristics in enucleated socket with 72 [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] porous polyethylene spherical and quad–motility implant Arq Bras Oftalmol, vol. 70, pp. 831–8, Sep, 2007–Oct 31, 2007. Matthys, K. S., Alastruey, J., Peiro, J., Khir, A. W., Segers, P., Verdonck, P. R., Parker, K. H., and Sherwin, S. J., Pulse wave propagation in a model human arterial network: assessment of 1–D numerical simulations against in vitro measurements J Biomech, vol. 40, pp. 3476–86, 2007. Matutis T., Ševčenko A., Stankus A., and Ramašauskas O., “Piršto kraujotakos tyrimas registruojant infraraudonųjų bangų srautą,” Tarptautinė mokslinė– praktinė konferencija “Virtualūs instrumentai biomedicinoje – 2009”, Klaipėdos universitetas, pp. 141–145, 2009. McFarland, D. J., Krusienski, D. J., Sarnacki, W. A., and Wolpaw, J. R., Emulation of computer mouse control with a noninvasive brain–computer interface J Neural Eng, vol. 5, pp. 101–10, Jun, 2008. McFarland, D. J. and Wolpaw, J. R., Sensorimotor rhythm–based brain–computer interface (BCI): feature selection by regression improves performance IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, vol. 13, pp. 372–9, Sep, 2005. Moore, A. D. Jr, Lee, S. M., Greenisen, M. C., and Bishop, P., Validity of a heart rate monitor during work in the laboratory and on the Space Shuttle Am Ind Hyg Assoc J, vol. 58, pp. 299–301, Apr, 1997. Mori, T., Mechatronics 1969. Yasakawa Internal Trademark Application Memo 21.131.01. Nagel J, “ Educational Programs for the Enhancement of Human Resources and the Augmentation of Technical Advancement in the Field of Medical Engineering in Europe,” NEDO Forum Fukuoka and Special Meeting Tokyo, pp. 1–6, 2002. Nagel, J. H., Slaaf, D. W., and Barbenel, J., Medical and Biological Engineering and Science in the European Higher Education Area – Working Toward Harmonization of Biomedical Programs for Mobility in Education and Employment Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE, vol. 26, pp. 18–25, 2007. Naschitz, J. E., Bezobchuk, S., Mussafia–Priselac, R., Sundick, S., Dreyfuss, D., Khorshidi, I., Karidis, A., Manor, H., Nagar, M., Peck, E. R., Peck, S., Storch, S., Rosner, I., and Gaitini, L., Pulse transit time by R–wave–gated infrared photoplethysmography: review of the literature and personal experience J Clin Monit Comput , vol. 18, pp. 333–42, Dec, 2004. S.L. Optner. Systems analysis for business and industrial problem solving, N.J., Prentice–Hall : Englewood Cliffs, 1965. Ostaševičius, V., Grigaliūnas, V., Tamulevičius, S., and Daukševičius R., inventors. Mikroelektromechaninio jungiklio gamybos bűdas. Lithuania. no. 5208, May 12, 2003. H01P 1/10. Pedley, T. J., Nonlinear pulse wave reflection at an arterial stenosis J Biomech Eng, vol. 105, pp. 353–9, Nov, 1983. Peer, D., Karp, J. M., Hong, S., Farokhzad, O. C., Margalit, R., and Langer, R., Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy Nat Nanotechnol, vol. 2, pp. 751–60, Dec, 2007. Peters B. , Falkmer T. , Bekiaris E. , Sommer S. , Stankus A. , and Varoneckas G., CONSENSUS networking for assessment of fitness to drive for drivers 73 [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] with disabilities in the European Union Sveikatos mokslai, vol. 14, pp. 19–23, Sep 30, 2004. Ramanauskienė I., Brazaitis M., Skurvydas A., Obcarskas L., Pečiukaitienė A., Buryta R., and Cieszczyk P., “Šildymo poveikis keturgalvio šlaunies raumens atliekamam darbui esant maksimaliam dinaminiam raumens susitraukimui,” Biomedicinin ė inžinerija. Tarptautinės konferencijos pranešmų medžiaga // Kauno technologijos universitetas, Kaunas, pp. 66–70, 2004. Rychlik M, “Application of MOCAP systems in medical diadnostic and ergonomic analysis of body movements of disabled persons,” 13th International Conference Biomedical Engineering, pp. 194–199, 2009. D. Shetty and R.A. Kolk. Mechatronic System Design, Boston, MA: PWS Publishing Company, 1997. Smith J., We have the technology to rebuild ourselves NewScientist, vol. 23, pp. 36–39, 2009. Smith, R. P., Argod, J., Pepin, J. L., and Levy, P. A., Pulse transit time: an appraisal of potential clinical applications Thorax, vol. 54, pp. 452–7, May, 1999. Sottilare Robert, Marshall Laurie D., Martin Ricardo, and Morgan Justin, Injecting Realistic Human Models into the Optical Display of A Future Land Warrior System for Embedded Training Purposes The Journal of Defense Modeling and Simulation: Applications, Methodology, Technology, vol. 4, pp. 97–126, 2007. Stankus A., Grįžtamasis ryšys kaip tikslo siekimo instrumentas: esmė ir struktūra Biomedicininė inžinerija. Tarptautinės konferencijos pranešimų medžiaga //Kauno technologijos universitetas, vol. pp. 4145 Oct 27, 2005– Oct 28, 2005. Stankus A., [Nonlinear Model of Equilibrium Dynamics of Heart Rate] Technologijos mokslo darbai Vakarř Lietuvoje, vol. 6, pp. 368–380, 2008. Stankus A. and Alonderis A. An analysis of the relationships between carotid artery pulsation and heart rate variability; Heart Rate Variability and Cardiovascular Pathology Heart Rate Variability and Cardiovascular Pathology, Palanga, vol. pp. 111–133, 1999. Stankus A. and Alonderis A. Pulsinė miego arterijos banga – sisteminės kraujotakos atspindys Lithuanian journal of cardiology, vol. 6, no. 4, pp. 751–755, 1999. Stankus A. and Alonderis A. Širdies ritmo reakcija ir miego arterijos pulsinės bangos formos kitimas nitroglicerino poveikyje Lithuanian journal of cardiology, vol. 6, no. 4, pp. 789–793, 1999. Stankus A. and Alonderis A. Nauji kraujotakos matavimo elektropletizmografiniu būdu aspektai Biomedicininė inžinerija, Tarptautinės konferencijos pranešimų medžiaga, Kauno technologijos universitetas, vol. pp. 173–177, Oct 19, 2000–Oct 20, 2000. Tochikubo, O., Ri, S., and Kura, N., Effects of pulse–synchronized massage with air cuffs on peripheral blood flow and autonomic nervous system Circ J, vol. 70, pp. 1159–63, Sep, 2006. Toet, A., Jansen, S. E., and Delleman, N. J., Effects of field–of–view restriction on manoeuvring in a 3–D environment Ergonomics, vol. 51, pp. 385–94, Mar, 2008. 74 [76] van Gelder, B. M., Meijer, A., and Bracke, F. A., Timing of the left ventricular electrogram and acute hemodynamic changes during implant of cardiac resynchronization therapy devices Pacing Clin Electrophysiol, vol. 32 Suppl 1, pp. S94–7, Mar, 2009. [77] Veltink, P. H., Slycke, P., Hemssems, J., Buschman, R., Bultstra, G., and Hermens, H., Three dimensional inertial sensing of foot movements for automatic tuning of a two–channel implantable drop–foot stimulator Med Eng Phys, vol. 25, pp. 21–8, Jan, 2003. [78] Wang J, Huo X, and Ghovanloo, M., “Tracking tongue movements for environment control using particle swarm optimization,” Circuits and Systems, 2008. ISCAS 2008. IEEE International Symposium on, pp. 1982– 1985, 2008. [79] Wang, J. J. and Parker, K. H., Wave propagation in a model of the arterial circulation J Biomech, vol. 37, pp. 457–70, Apr, 2004. [80] Webster. J. G. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, CRC Press LLC, 1999. [81] Wege, A. and Zimmermann, A., “ Electromyography Sensor Based Control for a Hand Exoskeleton,” IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2007), Sanya, China, 2007. [82] Wolf, M. T. and Burdick, J. W., A Bayesian clustering method for tracking neural signals over successive intervals IEEE Trans Biomed Eng, vol. 56, pp. 2649–59, Nov, 2009. [83] Wolpaw, J. R., McFarland, D. J., and Vaughan, T. M., Brain–computer interface research at the Wadsworth Center IEEE Trans Rehabil Eng, vol. 8, pp. 222–6, Jun, 2000. [84] Yacoub M. and Nerem R., Bioengineering the heart Phil. Trans. R. Soc. B, vol. 362, pp. 253–1518, Aug 29, 2007. [85] Yoda, M., El–Banayosy, A., Tenderich, G., Koerfer, R., and Minami, K., The CardioWest total artificial heart for chronic heart transplant rejection Circ J, vol. 73, pp. 1167–8, Jun, 2009. [86] Yu–Chia Chung, Han X. Tony, and Zhihai He, “Building Recognition Using Sketch–Based Representations and Spectral Graph Matching,” EEE International Conference on Computer Vision (ICCV 2009), Kyoto. [87] Yu, D., Cheung, S. H., Legge, G. E., and Chung, S. T., Effect of letter spacing on visual span and reading speed J Vis, vol. 7, pp. 2.1–102007. 75 Klaipėdos universiteto leidykla Albinas Stankus, Rimantas Didžiokas BIOMECHATRONIKA Sistemų analizė ir sintezė Klaipėda, 2010 SL 1335. 2010 05 07. Apimtis 4,75 sąl. sp. l. Tiražas 90 egz. Klaipėdos universiteto leidykla, Herkaus Manto g. 84, LT-92294 Klaipėda Tel. (8 46) 398 891, el. paštas: [email protected] Dauginta Klaipėdos universiteto leidykloje, Herkaus Manto g. 84, LT-92294 Klaipėda