Искусственный интеллект не только умеет сочинять песни, рисовать картины и писать программные коды, но и дает медицинские консультации, в том числе оценивая вероятность рака с врачебной точностью. Рассказываем о самых важных разработках глобального медтеха — как работает удаленный мониторинг, «ГЛОНАСС Забота» и нейросеть BioGPT, в чем принцип действия нейрочипов при борьбе с депрессией, почему первых роботов-хирургов лишили самостоятельности, что такое «умные» таблетки и зачем они нужны, как компания Илона Маска побудила обезьяну играть в пинг-понг силой мысли, в чем заключается инновационный метод редактирования генома и чего в будущем ожидать от российских разработчиков медтехнологий.

Удаленная медицина

Телемедицина, или удаленная медицина — это дистанционное предоставление медицинских услуг: консультаций и врачебных приемов для составления схемы лечения, выписки и назначения анализов.

У телемедицины большая история. В 1879 году в статье журнала Lancet анонимный автор предположил, что телефонная связь может быть полезна врачам. В качестве примера автор рассказал о случае в Соединенных Штатах, когда врач из-за позднего времени удаленно консультировал женщину с заболевшим ребенком. Послушав, как ребенок кашляет, врач заверил, что срочный прием не требуется.

С 1920 года начали использовать радио для консультаций людей в изоляции: экипажей кораблей или жителей деревень. Для этого их обеспечивали беспроводной радиосвязью, письменными инструкциями по оказанию первой помощи и аптечками. Консультации проводили центры добровольцев, чуть позже взятые под контроль государствами. Эксперты из центров могли назначать лекарства и удаленно помогать с наложением повязок, введением инъекций.

В 1925 году научный журнал Science and Invention публикует статью о «теледактиле» — изобретении будущего, работающем на основе теле- и радиосвязи. С его помощью врач мог бы дистанционно общаться с пациентом и даже осматривать с помощью двух рычагов, повторяющих движения рук. Обложка оказалась пророческой — сейчас видеоконсультации и даже удаленные операции не кажутся чем-то необычным.

В 2019 году такую операцию провели в китайском госпитале PLAGH на мозге пациента с болезнью Паркинсона. Врач работал на расстоянии 3000 километров от пациента, используя две роботизированные руки и 5G-интернет.

Современная телемедицина включает не только консультации, но и сервисы для записи на прием, консилиумы и обучение врачей, удаленный мониторинг здоровья пациента. Такой мониторинг помогает передавать показатели здоровья (кровяное давление, уровень сахара и т. д.) напрямую врачу с помощью специальных датчиков. Его часто применяют при уходе за пожилыми и маломобильными людьми или для наблюдения за пациентами с хроническими болезнями.

В 2022 году в России анонсировали разработку единой платформы «ГЛОНАСС Забота», которая должна дать возможность людям из деревень и поселков получать удаленные консультации и сдавать анализы на дому мобильным лабораториям, которые отвозят биоматериалы в ближайшие клиники. Спутниковая навигация поможет проложить лучший маршрут в удаленные регионы.

Интернет медицинских вещей

Интернет вещей связан с телемедициной: консультации и удаленный мониторинг происходят с помощью устройств, которые подключаются к интернету и передают данные врачу. Устройства сферы медицинских вещей используют дома самостоятельно или под наблюдением врача.

Домашние умные гаджеты, собирающие и анализирующие информацию, используют давно: глюкометры помогают измерить уровень сахара в крови, фитнес-браслеты следят за давлением, напоминают о вечерней пробежке, подсчитывают индивидуальную норму калорий. Некоторые ученые уверяют, что эти устройства могут помочь обнаружить заболевания на ранней стадии — в одном из исследований Apple watch реагируют на изменения в сердцебиении, которые могут быть симптомом коронавируса, еще до того, как болезнь подтвердится анализами.

Профессиональный мониторинг может помочь в случаях хронических заболеваний, при оказании помощи пожилым людям или тем, кому нужен присмотр после тяжелой болезни.

Данные о здоровье и местоположении могут передаваться онлайн врачу или близким родственникам, поэтому в случае критических показателей, приступа или падения родственники и врач сразу узнают об этом.

Например, пластырь ADAMM для астматиков измеряет частоту дыхания, сердечный ритм, интенсивность кашля и температуру. Он может предупредить об астматическом приступе и предложить рекомендации в приложении для смартфона.

Еще одно применение интернета вещей — использование устройств для доставки лекарств. Пациентам, которые часто забывают вовремя принять лекарство, могут дать «умные таблетки» — они состоят из датчика и самого лекарства. Датчик сделан из съедобных элементов, например серебра, золота или кремния. Когда пациент проглатывает таблетку, она активируется в кислой среде желудка и посылает данные в специальный патч на теле, который в свою очередь отправляет их в телефон пациента или лечащего врача. Таблетка проходит через ЖКТ и выводится из организма естественным путем. Если пропустить дозу ежедневных лекарств, то на смартфоне появится уведомление. Умные таблетки также дают обратную связь о том, как организм реагирует на лекарство.

Другие капсулы используют в диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта. Они заменяют традиционную эндоскопию. При капсульной эндоскопии используется камера внутри оболочки размером с таблетку. Пока капсула проходит через пищеварительный тракт, камера делает тысячи снимков, которые передаются на записывающее устройство на ремне вокруг талии. Капсульная эндоскопия помогает врачам обследовать тонкий кишечник, доступ к которому затруднен при обычном обследовании. Такая методика применяется, если обычная эндоскопия и узи не выявили отклонений, но пациента беспокоят боли неясного происхождения.

Прогнозируется, что к 2026 году мировой рынок телемедицины вырастет с 68,36 до 218,49 млрд долларов. Сумма всех подключенных к интернету устройств к 2025 году составит 30,9 млрд единиц, из которых 200 млн — медицинские устройства.

Искусственный интеллект

Искусственный интеллект в медицине помогает в обработке больших массивов медицинских данных, анализирует их и выдает результат, улучшающий обслуживание и лечение.

Первым применением ИИ в медицине можно считать создание MYCIN — системы, ассистирующей врача. Она была разработана в Стэнфордском университете в 1970 году и включала в себя базу знаний, данные пациентов, консультационную программу, а также программу, обновляющую базы данных. Система MYCIN могла проанализировать симптомы заболевших, распознавать бактерии по внешнему виду и рекомендовать лечение с рассчитанными дозировками. Она не получила широкого применения из-за низкой мощности первых компьютеров и долгих сеансов работы, но стала базой для последующих исследований.

Сейчас используют несколько видов ИИ: распознающие и генерирующие текст и речь (NLP); использующие компьютерное зрение (CV) — метод анализа, классификаций и поиска изображений; анализирующие, собирающие и прогнозирующие данные (Data Science).

К NLP-технологиям относятся чат-боты, общающиеся с пациентами. Так, на платформе Babylon Health можно получить не только удаленную консультацию у живого врача, но и поговорить с искусственным интеллектом. Платформу используют 20 миллионов человек по всему миру, но в компании предупреждают, что их компьютерный ассистент сообщает лишь о возможном диагнозе и после консультации рекомендуется посещение настоящего врача.

Языковая модель BioGPT от Microsoft превзошла другие медицинские ИИ. Ее самая обширная версия BioGPT-Large выдает результаты (ответы на биомедицинские вопросы) с точностью до 81%, в то время как точность человека составляет 78%.

Современные разработки на базе ИИ с компьютерным зрением анализируют снимки МРТ, УЗИ, кардиограммы и результаты компьютерной томографии. В некоторых случаях ИИ оценивал вероятность рака легких по флюорографии с точностью 82–93%, не уступая врачам.

Еще одни исследования показали, что ИИ на основе нейросети может быть таким же эффективным в обнаружении признаков рака молочной железы, как и врачи-рентгенологи.

Умные CV-устройства часто используют в больницах. Там они помогают следить за гигиеной, настраивать нужную температуру в холодильниках для хранения вакцин и лекарств. Инфракрасные датчики и компьютерное зрение собирают данные о количестве донорской крови и свободных местах в режиме реального времени — это помогает сотрудникам скорой помощи быстро понять, в какую больницу везти пациента, если в ближайшей нет ресурсов.

Некоторые стартапы разрабатывают лекарства, основываясь на анализе данных от ИИ. Поиск веществ для состава — один из самых долгих и дорогих этапов разработки лекарств. ИИ может помочь снизить затраты на разработку двумя способами: созданием более эффективных составов и поиском новых полезных комбинаций.

Искусственный интеллект часто применяется в концепции интернета вещей, создавая те самые гаджеты, реагирующие на приступ эпилепсии и анализирующие пульс. В то время как, например, кардиомонитор отслеживает показатели, ИИ анализирует их и выявляет возможные болезни.

В 2023 году на российском рынке может появиться нейросеть, диагностирующая депрессию и тревожность. Ее разрабатывают в рамках проекта iCognito, который накопил большую базу текстовых сообщений, стенограммы психотерапевтов и чаты кризисных линий.

Согласно Markets And Markets, объем глобального рынка искусственного интеллекта в сфере здравоохранения вырастет с 4,9 млрд долларов в 2020 году до 45,2 млрд долларов к 2026 году.

Роботы

Существует несколько поколений медицинских роботов. К первому поколению относятся промышленные роботы, которых помимо производства стали использовать в медицине, — это произошло в 1985 году, когда в медицинском центре Калифорнии хирурги провели биопсию мозга 52-летнего мужчины с помощью аппарата PUMA 200. Робот был использован из-за точности, с которой он фиксировал медицинскую иглу.

Первой моделью, которая активно использовалась в операциях, стал ROBODOC. Его усовершенствовали из промышленного программируемого станка 1989 года и запрограммировали, чтобы он самостоятельно делал полости в тазобедренных и коленных суставах под протез. С тех пор робот выполнил более 28 тысяч ортопедических операций по всему миру.

Путь к полной самостоятельности роботов мог вызвать этические и юридические вопросы, поэтому второе поколение получило меньшую автономность. Индустрия состояла из роботизированных хирургических устройств: операцией руководил хирург, пользуясь улучшенными роботизированными «руками».

Роботизированные устройства позволяют с высокой точностью делать надрезы любых размеров, видеть увеличенные детали в трехмерном изображении, делая операцию менее инвазивной. Одно из самых популярных устройств такого типа — система da Vinci. За 20 лет существования она стала стандартом для разработок следующих поколений.

Третье поколение включает в себя роботов-хирургов, роботизированные протезы и экзоскелеты, а также роботов-помощников. Роботы-хирурги используются в малоинвазивных операциях на мягкие ткани и ортопедических операциях — заменах суставов.‌

Компании создают системы, включающие искусственный интеллект, в том числе чтобы ассистировать врачей. В нейрохирургии используется Modus V — автоматизированная роборука и цифровой микроскоп. Рука сама перемещается в область, в которой работает хирург, и проецирует на экран увеличенное изображение в высоком разрешении.

Ассистент стоматолога Yomi может самостоятельно установить зубные импланты, распечатанные на 3D-принтере, а также контролировать точность работы врача, направляя его движения.

Бионические протезы рук, ног или глаз. Протезы для конечностей могут работать с помощью метода мышечной реиннервации — нервы из ампутированной конечности переносят на другую крупную мышцу. Когда человек хочет пошевелить утраченной конечностью, мозг отправляет сигнал участку мышцы, к которой присоединили нерв. Сигнал фиксируют сенсорные датчики, вживленные в мышцу. Они передают импульс по проводам в процессор внутри роботизированной руки. Так совершается движение.

Экзоскелеты в свою очередь не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. Их часто применяют в реабилитации, помогая людям с двигательными нарушениями. Российская компания «ЭкзоАтлет» производит экзоскелеты для клиник, в которых помогают пациентам с травмами спинного мозга, рассеянным склерозом, последствиями ДЦП и инсульта. Реабилитация в экзоскелете должна помочь привыкнуть к нагрузкам, увеличить силу мышц, повысить устойчивость при ходьбе.

Экзоскелеты помогают ходить пациентам с травмами спинного мозга, с рассеянным склерозом, последствиями ДЦП и инсульта

Другой вид роботов — роботы-помощники поддерживают чистоту в больницах. Например робот Xenex используется для дезинфекции больничных палат — от бактерий он избавляется с помощью ультрафиолетовых лучей. Autonomous Mobile Robots помогают в больницах с тяжелой работой: перемещают больничные койки, медицинские устройства, развозят лекарства. AMR могут самостоятельно перемещаться к пациентам в палаты, чтобы врач провел осмотр удаленно. Некоторые роботы отслеживают расходные материалы в больницах и даже регистрируют заказы на покупку.

Автономный RoomieBot помогает специалистам еще до регистрации пациентов — распределяет их по врачам и палатам, учитывая их историю болезни, а также измеряя температуру, уровень кислорода в крови.

Социальные роботы похожи на сервисных, но больше направлены на взаимодействие, а не обслуживание. Эти роботы созданы для снятия стресса, создание комфорта и благоприятной психологической обстановки. Часто они похожи на животных — кошек, собак или детенышей тюленя как, например, робот PARO. Их используют для пожилых пациентов с деменцией и людей с тревожностью.

Социальные роботы помогают пациентам успокоиться и чувствовать себя комфортно

В последние несколько лет усиливается тренд на микроробототехнику — применение микророботов для доставки полезных веществ в определенное место в человеческом теле, например прямо к неоперабельной раковой опухоли.

Редактирование генома

Две ученые-исследовательницы Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна в 2020 году получили Нобелевскую премию по химии «за разработку метода редактирования генома». Они использовали CRISPR-Cas9 — систему адаптивного иммунитета некоторых бактерий.

В основе системы CRISPR-Cas9 лежит защитный механизм, обнаруженный у бактерий. Иммунная система бактерии, столкнувшись с вирусом-паразитом, перенимала часть его ДНК, сохраняя в своем геноме — CRISPR-массивах. Эти массивы могут передаваться по наследству и постоянно пополняться. При встрече следующих поколений бактерий с подобным вирусом, ее Cas-белки распознают и разрезают ДНК вируса, уничтожая его, защищая клетку от инфекции.

Ученые предполагают, что с помощью CRISPR-Cas9 можно, как ножницами, «вырезать» из человеческого генома мутации, ответственные за целый ряд заболеваний, например муковисцидоз, серповидноклеточную анемию, болезнь Хантингтона, мутации BRCA-1 и 2, связанные с раком молочной железы и яичников.

Еще в 2018 году китайский ученый объявил о рождении первых в мире девочек-близнецов, чей геном был отредактирован на этапе зародышей, с помощью CRISPR-Cas9. Нана и Луна (такие псевдонимы дали девочкам), по словам ученого, получили устойчивость к ВИЧ. Этот эксперимент вызвал множество вопросов, так как он не был опубликован ни в одном научном издании и не мог быть подтвержден никем, кроме самого ученого.

В 2020 году провели 115 клинических исследований по редактированию генома человека с помощью CRISPR-Cas9. Первая терапия проведена на пациенте с редким заболеванием — амаврозом Лебера (тип 10). Болезнь вызывает слепоту у детей и в настоящее время не лечится. Курс терапии состоял из однократной инъекции в один глаз. Из 34 пациентов благоприятный результат был у 12 взрослых и двоих детей.

CRISPR-Cas9 позволяет работать с огромным количеством генных заболеваний, не тратя на разработку лекарства большое количество времени (например, разработка «Золгенсма» заняла более 23 лет)‌. Как отмечает Алехандро Чавес, доцент Колумбийского университета, разработавший несколько новых инструментов CRISPR: «Раньше лишь горстка лабораторий в мире могла производить надлежащие инструменты для редактирования генов. Теперь даже старшеклассник может внести изменения в сложный геном с помощью CRISPR».

Некоторые ученые выступают с критикой CRISPR-Cas9, аргументируя это тем, что технология плохо изучена и может повести себя непредсказуемо: разрушать случайные части генома, которые, например, подавляют рост опухолей в организме, что приведет к раку.

Чтобы избежать этого, ученые улучшили способность Cas9 резать намеченную цель, что частично решило проблему — улучшенный фермент при испытаниях допускал одну ошибку из восьми попыток, а обычный — семь.

Тем не менее редактирование эмбриональных клеток может привести к тому, что однажды будут рождаться совершенно новые люди, например без генетических болезней вообще. Эксперты считают возможное рождение модифицированных детей небезопасным опытом — неизвестно, как организм поведет себя в будущем. Также многие сходятся в том, что это неэтично, и опасаются, что услуга генных изменений не будет общедоступной, а значит, возникнет новый тип неравенства.

Нейрочипы

Предыстория нейрочипов началась в 1780 году, когда ученые обнаружили реакцию тканей на электрический импульс: лапки мертвой лягушки сокращались от удара током. После этих опытов ученые начали изучать мозг животных: стимулируемые током разные участки мозга провоцировали сокращения мышц. В 1963 году доктор Хосе Мануэль Родригес Дельгадо вживил электроды в мозг быков, пытаясь контролировать их агрессию и телодвижения. Регулируя подачу электричества, Дельгадо мог остановить бегущего на него быка в паре шагов от себя.

Доктор Хосе Дельгадо с помощью вживленных в мозг быка электродов контролирует телодвижениям животного

Предшественники современных нейрочипов создавались для сенсорного замещения. Примерно в 1961 году были разработаны имплантаты для восстановления слуха — Уильям Хаус создал аппарат с подключением электрода к ушной улитке человека. Устройство было прототипом кохлеарного импланта, часть которого остается снаружи, улавливая звуки, а другая, с электродами, вживляется в ушную улитку. Электроды выполняют функцию волосковых клеток — передают импульсы в слуховой нерв, который посылает информацию в мозг. Симуляция звука, которую воспринимают носители кохлеарных имплантов, отличается от естественного слуха, к имплантам нужно привыкнуть. Сначала голоса могут казаться «электронными», некоторые носители импланта приводят в пример речь Стивена Хокинга, а кто-то вспоминает кряканье Дональда Дака.

Первый нейроимплант, который можно вживлять в мозг на длительное время, создал ученый Филипп Кеннеди в 1989 году. Вдохновившись экспериментами с мозгом быков, Кеннеди провел ряд экспериментов на мышах и запатентовал «нейротрофический электрод». В составе имплантов были седалищные нервы испытуемых — так их не отторгал организм.

Сила мысли. Чтобы понять, как имплант может помочь человеку, в 1996 году Кеннеди поставил эксперимент на Джонни Рэе, у которого после инсульта развился синдром «запертого человека». После вживления импланта Рэю нужно было представлять движение курсора мыши, чтобы нейроны, отвечающие за движение руки, становились активными и вырабатывали электрический импульс. Имплант работал по принципу ЭЭГ — усиливал импульсы, передавая их в цифровом виде на компьютер, который связывал паттерны активности нейронов с воображаемым движением.

Силой мысли Рэй двигал курсор, выбирая буквы и слова, чтобы общаться. До этого его единственной коммуникацией было моргание — два раза если «да», один раз, если «нет».

Современные разработки нейрочипов передают информацию не только между мозгом и компьютером, но и любым устройством — смартфоном, экзоскелетом, протезом, бытовыми приборами, создавая нейроинтерфейс. Так, устройство BrainGate помогло парализованному ниже шеи Мэттью Нейглу в 2004 году включать телевизор, переключать каналы, проверять электронную почту и управлять роботизированной рукой. BrainGate имплантировалось в моторную кору мозга и подключалось к внешним устройствам, работая по тому же принципу, что и нейроимплант Кеннеди.

Парализованный ниже шеи Мэттью Нейгл благодаря нейроинтерфейсу может взаимодействовать с компьютером и управлять роботизированной рукой

​За последние 10 лет разработки нейрочипов значительно продвинулись. Одно из устройств последнего поколения — 38-миллиметровый чип Stentrode от компании Synchron. Он создан для парализованных и потерявших конечности людей, чтобы сделать их жизнь полноценной: помочь общаться и управлять протезами.

Stentrode устанавливается без операции, в яремную вену. Когда катетер убирают, устройство раскрывается и начинает срастаться с краями сосуда, имплантация занимает несколько минут. Затем провод из нейрочипа соединяют с вычислительным устройством, вживленным под кожу в области грудной клетки. Stentrode считывает сигналы мозга, а вычислительное устройство отправляет их компьютеру или смартфону по Bluetooth.

 

Synchron и университет Мельбурна с 2016 по 2020 год уже провели ряд экспериментов по вживлению чипа в Австралии. Добровольцы из эксперимента могли переписываться в WhatsApp и делать онлайн-покупки «силой мысли», без использования дополнительных устройств.

Разработки нейротехнологий проходят и в России. Летом 2022 года закончились испытания на животных чипов от компании «Сенсор-Тех». Ожидается, что они помогут восстановить зрение, слух и устранить неврологические нарушения.

Для незрячих подготовили систему, состоящую из внутреннего импланта и обруча с внешними камерами спереди и микрокомпьютером на затылке. Разработчики объясняют принцип устройства тем, что человек видит не глазами, а мозгом, поэтому роль сетчатки глаза может выполнить видеокамера, а микрокомпьютер с нейросетью анализируют видео, передавая подсказки о том, что изображено перед пользователем. Чип будет стимулировать кору слабым током, чтобы вызвать вспышки, складывающиеся в образы того, что записали камеры.

Разработчики надеются, что устройство поможет увидеть мир даже полностью слепым пациентам, в том числе и без глаз.

Импланты разрабатывают для борьбы с различными болезнями. Австралийская компания Epiminder делает пациентам небольшое углубление в кости черепа под устройство, которое следит за активностью мозга и предупреждает о приступе эпилепсии; болезнь Паркинсона лечат DBS-терапией — имплантацией нейрочипа, посылающего электрические импульсы в мозг. Это высвобождает дофамин, отвечающий за двигательную активность, после чего у больных исчезает тремор и бессвязная речь. По схожему принципу будет работать чип, который разрабатывает компания Inner Cosmos для борьбы с депрессией — магнитная стимуляции нейронов вызывает высвобождение нейромедиаторов и улучшает настроение. А спинальные импланты от компании Onward Medical помогают ходить парализованным людям.

Сложностью в таких разработках является иммунный ответ на вживляемые материалы. Со временем организм может начать отторгать инородное тело, формируя вокруг него капсулу ткани, из-за чего сигнал, который посылают нейроны, считывается имплантом все хуже или вообще пропадает.

Многие из нейрочипов находятся в стадии разработки или испытаний, но их создатели надеются, что через 10–15 лет чипы можно будет установить любому, кто только захочет. О стоимости имплантов говорят расплывчато. Создатель компании Synchron, например, утверждает, что один чип будет стоить «примерно как автомобиль», но не уточняет, какой именно.

Источник: discours.co