Насколько технологична российская медицина, как силой мысли управлять протезом, и когда мы встроим в глаз дополненную реальность? О настоящем и будущем бионики мы поговорили с людьми, применяющими технологии на стыке медицины и робототехники: Ильей Чехом, первопроходцем в кибер-протезировании рук, и Андреем Демчинским, куратором проекта по проведению первых в России операций по установке бионических имплантов глаз.

Илья Чех, инженер-робототехник, основатель компании «Моторика», лидера в сфере ручного протезирования в России

Андрей Демчинский, офтальмолог, руководитель медицинских проектов в АНО «Лаборатория «Сенсор-Тех», ведущий разделов в журнале «Новое в офтальмологии»


О современных протезах


Илья Чех

«Моторика» изготавливает два вида протезов: тяговые и собственно бионические. Первый управляется мышечной силой самого человека — чтобы протез работал, должен сохраниться лучезапястный или локтевой сустав. Также мы используем бионические протезы — они считывают электрические импульсы мышцы при определенных жестах на более высоком уровне. То есть человек представляет, что выполняет жест и сокращаются мышцы, специальные датчики это улавливают и передают сигнал на двигатель.

Протез создается так: в случае с тяговым протезом мы сначала проектируем индивидуальную конструкцию, исходя из специфики травмы, дизайна, который выбирает человек. Затем отправляем проект в промышленную 3D-печать. Там подготавливаются детали, которые мы затем красим, собираем и доводим до образца. Мы не печатаем кисть целиком, хотя у нас есть кейсы, когда мы печатали целую фалангу пальца, чтобы человек мог сгибать-разгибать палец, брать тонкие предметы. Финальный этап создания — это протезирование, когда изготовленный полуфабрикат надевается на индивидуальную гильзу. Бионический протез создается почти так же, но модели выпускаются серийно. С ним проще, так как основная кастомизация касается дополнительного функционала: PayPass-модулей, встроенных GPS-модулей и т.д. Оба вида протеза подвижные, их можно снять, чтобы, например, лечь в фМРТ-аппарат или поставить девайс на подзарядку, как телефон. Даже разъем такой же.

Андрей Демчинский

В 2017 году наша лаборатория совместно с Благотворительным фондом поддержки слепоглухих «Со-единение» и при поддержке Фонда «Искусство, наука и спорт» впервые в России установили «бионический глаз», как любят писать в СМИ (всего в России было проведено только 2 таких операции — прим. «Футуриста»). Вообще называть так Argus II некорректно, так как бионический имплантат внутри глаза не работает без внешних устройств: очков с камерой и видеопроцессора (коробочки на поясе). Камера получает картинку, в видеопроцессоре она усредняется до 60 точек (условно — пикселей), и по беспроводной связи изображение отправляется в электронный бандаж вокруг глаза. От него отходит миниатюрный кабель до центральной зоны сетчатки, где располагается решетка с электродами. Их, как и «пикселей», 60.

Сегодня коммерчески доступны три вида ретинальных протезов: американский Argus II, французская Prima, где картинка проецируется на очки с помощью инфракрасного излучения, и немецкий AMS (работает без очков). С ними люди видят необычно: только силуэты и вспышки. Все, что видим мы с вами — это огромное количество маленьких фосфенов (электрических сигналов, полученных от фоторецепторов и считываемых мозгом). На импланте расположены довольно крупные электроды, и при общей стимуляции задействуется не один фоторецептор, а целый массив клеток. То есть мозг получает от сетчатки довольно крупные куски информации, и потому глазу доступны только силуэты. Увеличить количество электродов небезопасно — по данным исследователей, велика вероятность токсических электрохимических реакций.

Имплант Argus II

Еще одна причина, по которой нельзя улучшить картинку — частота кадра. Здесь она примерно 6-7 герц (у обычного человека — 24 и больше). Как раз поэтому людям кажется, что картинка мерцает. Чтобы повысить частоту, нужно больше энергии, а если перейти энергетический порог, погибнут клетки под электродами. С ними нужно быть очень осторожными. Включая имплант в первый раз, мы всегда проводим фиттинг — настройку: сначала на каждый электрод дается минимальная энергия, а затем повышается, пока человек не начнет что-то чувствовать. Так каждому из 60-ти электродов задаются разные значения, и формируется индивидуальная карта безопасности.

Из-за ряда подобных условий технология ограничена. И помогает она при одном, очень неприятном генетическом заболевании — пигментном ретините (хотя сегодня уже есть попытки их использования при других заболеваниях). У человека с такой болезнью, начиная с юности, постепенно сужается обзорная картинка. Периферия двигается все ближе и ближе к центру, а годам к 50-60 окошко часто окончательно схлопывается и человек слепнет. Есть фармацевтическое лечение в виде генной терапии, но один укол препарата стоит 25 миллионов рублей.

Ретинальный протез — оптимальный вариант — стоит плюс-минус 10 миллионов (вместе с операцией, оборудованием и всем необходимым). Для частного больного цена значительная, а для государственной программы — приемлемая. Наша цель — сделать это устройство частью доступной высокотехнологичной медицинской помощи.


О разработках и экспериментах


Андрей Демчинский

Параллельно с ретинальными разрабатываются и более перспективные импланты — кортикальные, для которых вообще не нужен глаз. Потому что глаз — это просто рецептор. Все, что мы видим, формируется и обрабатывается в коре головного мозга. В кортикальном протезе кора стимулируется напрямую, а по фосфенам картинка получается та же, что и у человека с ретинальным имплантом. Такие протезы подходят для лечения всех болезней и травм, за исключением случаев, когда человек вообще не имел визуального опыта.

У технологии есть свои сложности. Нервный сигнал от глаза идет не прямо, а переплетается с другими на пути к мозгу, поэтому сложно установить имплант с прямой стимуляцией и получить правильную картинку. Но мы возлагаем большие надежды на нейропластичность (умение мозга на нейронном уровне изменяться под воздействием внешней среды — прим. «Футуриста»). Человек удивительно адаптируется. Всем известен эксперимент психолога Джорджа Стрэттона, который носил инвертоскоп (очки с призмами, переворачивающими картинку с ног на голову). Через некоторое время его мозг сам перевернул картинку. Когда Стрэттон снял очки, мир был вверх тормашками, и ему потребовалось время, чтобы привыкнуть и вернуть картинку на место.

Современный инвертоскоп

Компания Second Sight, создавшая Argus II, в этом году первой получила разрешение на клинические испытания кортикальных протезов и уже ждет результаты по апробации. Еще около пяти зарубежных компаний ведут разработки. В России к этому процессу подключается «Сенсор-Тех» совместно с Институтом Высшей нервной деятельности. Кроме того, между нашей лабораторией и компанией Second Sight был подписан меморандум о научном сотрудничестве, так что мы одними из первых узнаем, работает ли эта идея.

Илья Чех

В виде экспериментов в мировой практике существуют протезы, полностью управляемые мозгом через нейроинтерфейс. Самые простые интерфейсы, которые можно приобрести в интернет-магазине, работают за счет концентрации человека. Они считывают поток альфа-волн и передают триггер на выполнение действия. Концентрация в таком случае может быть на чем угодно. Более продвинутые интерфейсы (такая шапочка с массой электродов) и вовсе распознают локальные возмущения сенсорно-моторной коры, которая отвечает за движения. Пока нейроинтерфейсы слабо развиты, они считывают комплексные движения рук и ног, не позволяют зафиксировать мелкие жесты вроде движения пальцами, не обеспечивают стабильность сигнала.

Есть и другое интересное направление исследований. «Моторика» сейчас активно изучает, как электроды, широта и частота сигнала влияют на ощущения. По сути, любые сенсорные сигналы — это электрические импульсы, передаваемые нервной системе. Одна наших из задач — понять, какой импульс какое ощущение вызывает. Так мы сможем продвинуться в области тактильного — с нынешними девайсами человек не ощущает прикосновений. Есть кое-какие «функции-костыли» (например, человек может чувствовать вибрацию касания), но они абсолютно бесполезны. Также мы решим и другие интересные кейсы — к примеру, поймем, как человек отличает, коснулись ли ему плеча или конца пальца, когда к одной и той же мышце у него мозг подсоединен одновременно и естественным путем, и через датчик.


О трендах


Андрей Демчинский

На поверхности плавает идея печати на 3D-принтере. Почему бы не взять и не напечатать глаз из стволовых клеток, а потом установить рабочую систему? Самая большая проблема этой фантастической идеи в том, чтобы правильно совместить пучок с нервами, идущий от глаза, и пучок, идущий в мозг.

Тем не менее, в этой сфере ведутся работы. К примеру, американские ученые вырастили сетчатку глаза из стволовых клеток, японцам удалось получить и другие элементы, включая хрусталик. Российские исследователи вырастили сетчатку из клеток кожи. Есть работы, направленные на восстановление нервных связей, на изучение хемотаксиса. Все это — серьезные фундаментальные наработки в направлении цельного протезирования.

Мир постепенно движется в сторону более гибкой и адаптивной структуры, особенно хорошо это видно в области интерфейсов. Пока в разработках используют внешние носители, как в случае с очками Google Glass. Российские разработчики WayRay уже разрабатывают контактные линзы с дополненной реальностью.

Илья Чех

В какой-то момент ученые столкнулись с проблемой: все, что можно считать с поверхности кожи неинвазивно, дает ограниченную и неточную информацию. Так возник один из глобальных трендов современной бионики — инвазивные исследования.

Это довольно серьезная научная область, куда можно погрузиться на несколько лет, но все равно не достичь практического результата. В мире уже есть ряд компаний, начавших вживлять сотрудникам чипы по обоюдному согласию, но официально и в массовом масштабе операций пока не делается. Разве что этим займется ваш знакомый татуировщик, как сейчас чаще всего и происходит в мире. В Москве, например, есть относительно крупное движение боди-хакеров, которые вживляют себе камеры, светодиоды и простенькие чипы. Одна из наших задач — это выработка норматива, чтобы операциями занимались профессионалы, а не энтузиасты в подворотне. Для этого мы сотрудничаем с компаниями, занимающимися оценкой кибербезопасности, и профильными министерствами.

Впрочем, не только для этого — другая наша глобальная цель связана с удаленным мониторингом. Сейчас мы запускаем совместный проект с «Билайн» и стараемся создать базу для реабилитации, чтобы врач мог дистанционно отслеживать техническое состояние изделия и эффективность процесса в целом, а человек на реабилитации использовал опыт того, кто уже ее прошел.

Работает это так: в протез вживляется электронная плата (несколько датчиков и модуль для передачи данных), которая подключается к двигателям и внутренним сенсорам системы и передает информацию. Она работает постоянно, за исключением моментов выезда за границу. Чтобы не включался роуминг, данные не передаются, а временно записываются на внутренний носитель. На территории России данные передаются бесплатно.


Об аугментации


Андрей Демчинский

Улучшение уже имеющихся возможностей — это замечательно, я бы и сам установил платежный чип, жесткий диск с увеличенной памятью или какой-нибудь ускоритель работы мозга.

Аугментация в офтальмологии возможна, но ограничена. К примеру, не получится засунуть условные нанопалочки между уже существующими фоторецепторами или как-то еще изменить здоровую сетчатку. Только через импланты. Также не выйдет улучшить нам разрешение видимой картинки. Почему люди с врожденной дальнозоркостью видят больше деталей? У них глаз чаще всего по размерам чуть меньше, и фоторецепторы расположены плотнее. У близоруких наоборот — слишком больше расстояние между клеткми, поэтому какую линзу не ставь, повышенную плотность не получишь, можно только зумировать.

Есть забавные эксперименты по увеличению светового спектра, но непонятно, зачем они нужны? Сейчас мы видим цвета в диапазоне от синего до красного. Считается, что ультрафиолет нам недоступен, так как он поглощается роговицей и хрусталиком. Инфракрасным зрением эволюция нас тоже не наградила — было бы ужасно неудобно смотреть, так как данный спектр находится в тепловом диапазоне. А вокруг нас слишком много его источников: люди, животные, батареи. Мозг устроен логично и мудро, примочки вроде дополнительного тепловизерского зрения ему не нужны и даже могут повредить. Разве что, встроить устройство с переключателем режимов? Как фильтры в Instagram.

Илья Чех

У «Моторики» есть апробированный набор доп.функций для протезов — можно встроить бинокль или бластер для снежков. Если ребенок сам что-то предлагает, мы с удовольствием пробуем. Однажды у нас попросили сделать насадку со смычком для игры на скрипке — довольно сложный, как выяснилось, девайс. Гораздо проще было сделать универсальный пульт управления машинкой, когда ребенок дирижировал игрушкой за счет движения в пространстве всей рукой. Понаблюдав за такими «прокаченными» руками, к нам часто обращаются друзья детей с протезами — хотят перчатки с «суперспособностями».

Мы именно к этому и стремимся — к созданию совершенных изделий, более функциональных, сильных и надежных, чем обыкновенные руки-ноги. Пока мы не ведем разработки в сфере агментации, но в будущем — вполне возможно. Скорее всего, уже через 20 лет такие девайсы будут массово доступны.


О бионике в России


Андрей Демчинский

Инновации в российской медицине — больная тема. Поколение, которое росло и развивалось с этими технологиями, воспринимает их как самоочевидное: бери и делай. Для старшего (и преобладающего в науке) поколения это — сложности (по крайней мере, в офтальмологии). В некоторых направлениях работают драйвовые люди старой гвардии, которые не боятся пробовать и рисковать. В своей области, окончив профильные институты, общаясь с крупными специалистами, я пока не встретил ни одного человека старшего поколения, рвущегося к новым технологиям. Выглядит это примерно так: «Я недавно съездил на конгресс, и там обсуждают вот такую тему, давай посмотрим, что у них получится. Если тема зайдет, попробуем сами». Такой подход мог быть оправдан несколько лет назад, но сегодня так нельзя. В век скоростей, информационных технологий и открытой информации гипотезы, научные направления и подходы к лечению меняются на раз-два, и мы постоянно опаздываем. Надо сокращать эту дистанцию.

Любая инновация — это путь в неизвестность. Пять лет назад, когда я предлагал использовать цифровую медицину для моделирования процессов, на меня смотрели как на болвана: «слишком сложно». Но сегодня это работает и становится популярным, в направление вкладывают огромные деньги. Некоторые профессора уже берутся за это дело, чтобы занять нишу. Но не чтобы разобраться.

За рубежом ситуация обратная. К примеру, для ведущих кампусов мира вроде Кембриджа и Гарварда очень важны эксперименты и публикации в новых областях, они не боятся быть первыми, не боятся получать отрицательные результаты. В российской офтальмологической научной среде я не встречал такого стремления к новому. Очень хотелось бы встретить больше энтузиастов, которые на драйве занимались бы инновациями в области бионики — пока это направление в офтальмологии серьезно двигает лаборатория «Сенсор-Тех». Мы изучаем и оцениваем проблему, собираем команду, привлекая к работе различные клиники, ищем инвестиции, контролируем процесс и продвигаем проекты вроде «первого бионического глаза». Но операция с Argus II — единичный случай, который нашумел. Такие проекты можно и нужно реализовывать чаще.

В России бионика активно развивается в области нейроинтерфейсов, протезирования рук и ног. В 2017 году мы участвовали в Нейротлоне — соревновании киберспорстменов (людей с ограниченными возможностями, использующих ассистивные технологии). Там соревновались люди с экзоскелетами, BCI (нейрочаты, позволяющие печатать силой мысли — прим «Футуриста»), были представлены машины с нейроуправлением. Наглядно можно увидеть, на каком уровне уже работают технологии. В офтальмологии пока грустно. По крайней мере, для меня. Генетические исследования отлично развиваются, технологические инновации — не особо.

Илья Чех

В России бионика пока развита хуже, чем за рубежом. Серьезно сказывается недостаток финансирования и отсутствие рынка — никто вам не даст кредит на развитие бионического бизнеса. Пока активно работает только система грантов и венчурного инвестирования. В научной сфере дела обстоят чуть лучше — есть команды, разрабатывающие инвазивные электроды, но на системном уровне это не поддерживается. Нужные институты у нас есть, но нет госзаказа на развитие бионики. Пока это история не про бизнес, хотя некоторые условия для него в России гораздо лучше — например, в стоимость рабочей силы значительно ниже, чем за рубежом, а разработать и вывести на рынок протез гораздо проще. Нет сложной и дорогостоящей системы документации и сертификации. На патенты в России в принципе не обращают серьезного внимания.

Нужные институты у нас есть, но нет госзаказа на развитие бионики. Пока это история не про бизнес, хотя некоторые условия для него в России гораздо лучше

Именно поэтому отдельные фокусные направления все же развиваются, и довольно быстро. По крайней мере, наше. Мы каждые несколько месяцев создаем новую модификацию протеза, к концу года выпустим детские высокофункциональные бионические протезы с индивидуальной подвижностью каждого пальца — для международного рынка вещь достаточно уникальная. Направление активно подхватывают в мире, так как все понимают, что бионика — это будущее медицины. И нужно успеть занять нишу на этом рынке.

Фото: motorica

Источник

Оцените статью, пожалуйста!
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0