پزشکی بالینی

ويلچر الکتريکي هوشمند، با قابليت جهت يابي چند سويه ‏

به منظور فراهم کردن امکان حرکت مستقل براي معلولين و سالمندان، ويلچر الکتريکي جديدي ساخته شده است که توانايي رديابي موانع در محيط متحرک اطراف را با دقت بيشتري فراهم مي کند. کاربري که از اين سيستم گيرنده - فرستنده چند جهته استفاده مي کند، در برخورد با موانع و خطرات احتمالي از ايمني کافي برخوردار خواهد بود.‏
هدف از طراحي چنين ويلچري، ارتقاي توانايي معلولين و سالمندان در کسب استقلال حرکتي با استفاده از يک ويلچر الکتريکي هوشمند است. از زمان اختراع اولين ويلچر تا کنون، تغييرات بسيار کمي در طراحي اين دستگاه ها صورت گرفته است. يکي از مهم ترين تغييرات، اختراع ويلچرهاي الکتريکي بود که بدون شک تاثير بسيار زيادي بر حرکت معلولان داشت. با اين وجود، موانع محيطي در بسياري از معابر و ساختمان ها، براي اين دستگاه ها مشکل ساز هستند.

به طور کلي، ويلچر وسيله اي است که براي کمک فيزيکي به افرادي به کار مي رود که در حالت عادي قادر به راه رفتن مستقل نيستند. از سوي ديگر، از آنجا که افراد سالمند يا معلول غالباً قادر به تصميم گيري صحيح حرکتي نيستند، بايد از اين جنبه نيز علاوه بر راه رفتن مورد حمايت قرار گيرند. حتي در فردي که از لحاظ حرکتي و تصميم گيري در سلامتي کامل است، احتمال عدم توانايي در حفاظت از خود به هنگام مواجهه با موانع طبيعي وجود دارد. از آنجا که ويلچر الکتريکي مي تواند مسير خود را به سرعت تغيير دهد، يک دور کامل چرخيده يا در جهت مخالف حرکت کند، احتمال تصادف و تغيير سطح و خطرات اينچنيني در کمين کاربران اين دستگاه ها است.
هم اکنون در صنعت خودروسازي، دستگاه هوشمندي که قادر به تشخيص خطرات بالقوه و پيش بيني صدمات احتمالي بوده و در هنگام لزوم به صورت اتوماتيک ترمز کند، ساخته شده و مورد استفاده است. همان طور که پيش تر اشاره شد، چنين عملکردهايي در يک ويلچر الکتريکي از اهميت فوق العاده اي برخوردار است. علي رغم اينکه بازار فروش اين ويلچر در مقايسه با صنعت خودروسازي، مقياس بسيار کوچکتري دارد، اهميت آن در زندگي افراد به مراتب بيشتر است. برخلاف اتومبيل، يک ويلچر الکتريکي در محيط هاي گوناگون، از جمله در بين ازدحام مردم استفاده مي شود. بنابراين تکنولوژي در اين وسيله مورد نياز است که درک دقيق تري از محيط پيرامون ايجاد کند و اين اساس طراحي ويلچر الکتريکي هوشمند با قابليت دريافت و ارسال امواج در جهات مختلف است. چنين سيستمي به اختصار ‏SOS‏ ، (مخفف‎(Stero Omnidirectional System ‎‏ ناميده مي شود. سيستم ‏SOS‏ امکان به دست آوردن تصاوير رنگي با رزولوشن بالا را فراهم کرده و ديتا را به صورت ‏real time‏ (بلادرنگ) در تمامي جهات جمع آوري مي کند.‏
مزاياي عمده اين سيستم عبارتند از: 1. امکان رديابي خطرات بالقوه در يک محيط متحرک 2. امکان شناسايي موقعيت کاربر و نحوه حرکت فعلي ويلچر 3. امکان استخراج تصاوير رنگي در جهات مختلف از فواصل دور با استفاده از شبکه بي سيم.
در ويلچرهاي الکتريکي فعلي، براي جلوگيري از برخورد با موانع، ويلچر به سنسورهاي مادون قرمز، ردياب هاي ليزري و سنسورهاي اولتراسوند مجهز مي شود. اما به علت اينکه در اين روش‌ها، موانع تنها از طريق تغيير شدت موج مادون قرمز ياامواج اولتراسوند بازگشتي رديابي مي‌شوند، مشکلاتي بدين شرح براي اين ويلچرها به وجود مي آيد: 1. ناحيه رديابي محدود‏
‏ مي شود 2. برخي از اشياء در موقعيت هاي خاص و با جنس ويژه به سختي رديابي مي شوند 3. تفکيک اشياء رديابي شده از يکديگر مشکل است.‏
با استفاده از سيستم ‏SOS، امکان دريافت تصاوير رنگي از تمام جهات و به صورت ‏real time‏ و با جزئيات کامل فراهم مي شود. به اين ترتيب نه تنها مي توان از برخورد با اشياء جلوگيري کرد، بلکه امکان تصميم گيري درباره يک شيء به وسيله مانيتورينگ از راه درو مهيا مي شود.‏

در ادامه به توضيح ويژگي هاي اين ويلچر الکتريکي هوشمند، با قابليت جهت يابي در جهات مختلف مي پردازيم.‏

ساختار سيستم
   نماي کلي
در شکل شماره 1، نماي ظاهري نمونه اوليه از اين دستگاه را مشاهده مي کنيد.  سيستم ‏SOS‏ در بالاي سر کاربر نصب مي شود. مزيت هاي اين محل نصب عبارتند از: 1. محيط اطراف ويلچر در رنج وسيعي قابل مشاهده است. 2. برخاستن و نشستن بيمار بر ويلچر به راحتي و بدون مزاحمت صورت مي گيرد. 3 . اين فاصله (در حدود 150 سانتي متر از سطح زمين)، به اندازه کافي خالي از موانع است، چراکه در محدوده طبيعي قد انسان قرار مي گيرد. از آنجا که محيط زندگي اطراف ما به گونه اي طراحي شده است که انسان عادي قادر به تشخيص خطرات بالقوه باشد، قرار گرفتن سيستم ‏SOS‏ در سطحي نزديک به چشم انسان براي تشخيص خطرت احتمالي در محيط‌هاي پر تحرک، منطقي به نظر مي رسد.
بلوک دياگرام سيستم در شکل 2 نشان داده شده است. سيستم ‏SOS‏ و ويلچر الکتريکي توسط يک کامپيوتر کوچک کنترل مي شوند.  اين کامپيوتر به پشت صندلي متصل مي شود. منبع تغذيه ويلچر و کامپيوتر، باتري است و بدون نياز به کابل تغذيه خارجي تا سه ساعت کار مي کند. تصاوير رنگي چند جهته در مدل اوليه توسط سيستم ‏LAN‏ بي سيم و از راه دور به دست مي آيند. ولي در صورت استفاده از خطوط تلفن سيار پر سرعت يا تجهيزات مشابه، مي توان از راه دور ويلچر را مانيتور و پشتيباني کرد.‏
سيستم گيرنده - فرستنده همه سويه استريوفونيک‏‎ ‎‏ ‏‎(SOS)‎
سيستم ‏SOS‏ (که در شکل شماره 3 نشان داده شده است)، در واقع دوربيني ابتکاري است که توسط مخترعان ژاپني اختراع شده است. ابعاد آن به اندازه يک توپ کوچک با قطر 6/11 سانتي متر و وزن 615 گرم است. اين دوربين مي تواند تصاوير رنگي را به صورت ‏real time‏ و بدون هيچ نقطه کور ‏‎(blind spot)‎‏ تهيه کند.  شکل کلي اين دوربين شبيه به يک جسم دوازده وجهي است که در هر وجه آن يک دوربين استريوفونيک سه چشمي نصب شده است (مجموعاً 36 دوربين).  ‏
براي اطمينان از دقت ديتاي به دست آمده، فواصل اين دوربين ها به دقت تنظيم مي شود. براي تشخيص اشياء واقع در محدوده 3 تا 4 متر، دوربين ها در فاصله 50 ميلي متري از يکديگر قرار مي گيرند. سه دوربين چشمي در هر واحد در يک صفحه ‏T‏ شکل‏‎ ‎‏ واقع شده اند و محور ديد آنها به موازات يکديگر است (شکل4). ‏
کاليبراسيون استريوفونيک براي هر دوربين، توزيع غير هم محوردوربين ها و شدت لنز هرکدام توسط نرم افزار کنترل مي شود. براي انجام کالبيراسيون بايد يک الگوي شناخته شده به طور همزمان به همه دوربين ها اعمال شود.  براي اين امر از يک الگوي مکعبي (شکل 5) استفاده مي شود. به اين ترتيب که ‏SOS‏ در داخل اين مکعب قرار داده شده و درب آن بسته مي شود. ديواره هاي مکعب از جنس رزين نيمه شفاف بوده و نور را از خود عبور مي دهد. واحدهاي حافظه و کنترل بر روي يک ‏PCI‏ نصب مي شوند.

توليد تصاويري با کيفيت، سرعت و دامنه ديد بالا
به منظور رديابي بلادرنگ خطرات احتمالي ، نرخ تصاوير ‏‎(frame rate)‎‏ بايد تا حد لزوم بالا بوده و تصاوير از کيفيت کافي برخوردار باشند. سيستم ‏SOS‏ تصاوير 12 رنگ ‏VGA‏ را با نرخ 15 فريم در ثانيه تهيه مي کند. به اين ترتيب با در اختيار داشتن کامپيوتري با  سي پي يو 6/3 گيگاهرتز ، تصاويري به ابعاد 512 در 256 پيکسل در طي 10 ميلي ثانيه  به دست خواهد آمد.
‏
رديابي خطرت بالقوه در محيط هاي متحرک
براي پشتيباني از ايمني در حرکت، خطرات احتمالي در حين حرکت رديابي شده و پيش از تصادم، دستگاه ترمز مي کند. خطرات بالقوه عبارتند از: 1. برخورد با حاشيه پياده رو، ديوار، ميز، يا ساير اشياء. 2. تغيير سطح يا پله 3. وجود طناب يا ميله در هوا.
از آنجا که سيستم ‏SOS‏ قادر به استخراج ديتا از جهات مختلف و به صورت ‏real time‏ است، موانع به سرعت تشخيص داده مي شوند. يک مانع مي تواند بر اساس جهت حرکت، در عملکرد ويلچر تداخل ايجاد کند. ويلچر الکتريکي در صورت تشخيص هر نوع مانع، از سرعت خود کاسته و در صورتيکه هرگونه شيئي در بازه توقف آن (که از پيش تعريف شده) قرار بگيرد، از حرکت بازمي ايستد.
تشخيص تغيير موقعيت کاربر روي صندلي
کاربران ويلچرهاي الکترونيکي معمولاً مشکلات ديگري نيز بجز عدم در توانايي راه رفتن دارند. به عنوان مثال، اين احتمال که تعادل کاربر به هم خورده و از روي ويلچر در حال حرکت بر زمين بيافتد، دور از ذهن نيست. از آنجا که اصولاً در فاصله بين سر کاربر تا سيستم ‏SOS‏ مانع ديگري قرار ندارد، سيستم مي تواند حرکت هر نوع شيئي را، از جمله تغيير موقعيت کاربر بر روي صندلي، بلافاصله درک کند. در واقع با اندازه گيري تعداد نقاط سه بعدي در يک فضاي مشخص، در صورتي که تعداد اين نقاط از حد معيني بيشتر شود، ويلچر  متوقف مي شود.  در صورت شدن کاربر، دراز کردن دست براي برداشتن يک شيء يا فشردن دکمه آسانسور نيز دستگاه متوقف مي شود.  اگر اين وضعيت به مدت 5 ثانيه يا بيشتر ادامه داشته باشد، ويلچر با سرعت بسيار کمي شروع به حرکت خواهد کرد و مجدداً پيش از برخورد با موانع ترمز مي کند. با توجه به اينکه استفاده از اهرم کنترل ‏‎(Joystick)‎‏ نيازمند آموزش هاي طولاني مدت است، اين قابليت کمک بسياري به کاربر مي کند.
نتيجه گيري
ويلچر هوشمند معرفي شده در اين مقاله، مجهز به سيستم ‏SOS‏ است که امکان استخراح تصاوير را از جهات مختلف و به صورت ‏real time‏ فراهم مي کند. اين سيستم قابليت بيشتري نسبت به ساير ويلچرهاي الکترونيکي در هنگام برخورد با موانع و تغيير موقعيت کاربر (افتادن از روي صندلي يا برداشتن اشياء) دارد.
‏
منابع

1. An Omnidirectional Stereo Vision-Based SmartWheelchair,
Yutaka Satoh and Katsuhiko Sakaue
Information Technology Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan

2. Mechanical and Kinematics Design Methodology of a New Wheelchair with Additional Capabilities
R. Morales, A. Gonz?lez and V. Feliu
School of Industrial Engineering, University of Castilla-La Mancha, Ciudad Real, Spain
  شکل 1- نماي ظاهري نمونه اوليه ويلچر
  شکل 2- بلوک ديگرام دستگاه
  شکل 3- سيستم ‏SOS
  شکل 4- دوربين سه چشمي
  شکل 5- الگوي مکعبي براي انجام کاليبراسيون

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۸۴