В медицине используются умные девайсы, алгоритмы на основе искусственного интеллекта, больничные роботы — и это далеко не полный список технологий, способных изменить подход к диагностике и лечению в ближайшем будущем. Ниже представлен топ-10 медицинских инноваций, привлекательных для специалистов и пациентов.
1. Искусственный интеллект
Искусственный интеллект (ИИ) — это имитирование компьютером логики и мыслительных процессов человека для решения различных задач. Машинное обучение (ML) — одна из ветвей ИИ — включает процессы, с помощью которых компьютер получает и распознаёт данные. Затем машина делает предсказания на основе выявленных зависимостей.
ИИ — помощник учёных и врачей в разных областях медицины:
- управление электронными медицинскими данными;
- диагностика заболеваний;
- планирование медикаментозного и хирургического лечения;
- персонализированная медицинская помощь;
- мониторинг здоровья;
- разработка лекарств;
- проведение виртуальных консультаций.
ИИ снижает нагрузку на систему здравоохранения. Распространённые заболевания — рак, диабетическая ретинопатия, болезнь Альцгеймера, COVID-19 — выявляются раньше. Больше пациентов получают своевременную помощь и реже сталкиваются с тяжёлыми осложнениями5.
ИИ-решения помогают врачам на первичном приёме, при проведении лабораторной и инструментальной диагностики.
ИИ интегрируется в медицинское оборудование: в составе MDDC Cardio ускоряет обработку результатов ЭКГ, а в Цифровом ФАПе помогает сотрудникам фельдшерско-акушерских пунктов на первом этапе диспансеризации.
Алгоритмы ИИ автоматизируют рутинные процессы и снижают нагрузку на медицинский персонал. Диагноз обязательно верифицирует врач, при необходимости это может сделать подключённый консультант MDDC. Наиболее сложные случаи разбирают специалисты экспертного центра мониторинга.
2. Медицинская робототехника
Может ли робот выполнять медицинские операции? Этим вопросом учёные задавались с 1970-х годов. Первые медицинские роботы в хирургии появились как космические и военные проекты. Они совершенствовались и постепенно внедрялись в операционные. Роботы помогают проводить сложные хирургические вмешательства6.
Взаимодействие человека и робота — принцип, который реализован в хирургической роботизированной системе:
- Хирург с помощью тактильного интерфейса управляет конечностью робота. Он наблюдает за ходом операции через монитор и оптические каналы. На экране отображается операционная область с внутренними органами пациента и инструменты. На изображение может накладываться виртуальная трёхмерная модель, которая служит ориентиром для хирурга. Её создают заранее, при подготовке к операции.
- Роботизированная конечность с инструментом распознаёт движения рук хирурга и повторяет их.
Для чего используются роботы в медицине:
- хирургическое лечение грыжи;
- удаление жёлчного пузыря;
- бариартрическая операция для помощи пациентам с избыточной массой тела;
- удаление мочеполовых органов, поражённых опухолью;
- колоректальная и кардиоторакальная хирургия;
- удаление опухолей головы и шеи.
Инновация позволяет проводить малоинвазивные операции. Хирург затрагивает меньше здоровой ткани, что снижает травматичность вмешательства и улучшает клинический исход. Прооперированные таким образом пациенты теряют меньше крови, быстрее выписываются из больницы и возвращаются к привычной жизни.
Ещё роботы задействованы в программах реабилитации. Они общаются с пациентами и успокаивают их, оказывая положительное эмоциональное воздействие. Роботы участвуют в больничной логистике: доставляют бельё, еду и медикаменты.
3. Носимые устройства для мониторинга здоровья
Смарт-часы из аксессуара превращаются в миниатюрный диагностический комплекс. Они не только показывают время, но и выполняют множество других функций: от измерения количества пройденных шагов до анализа важных биологических показателей.
Технология распознаёт параметры здоровья благодаря встроенным датчикам и программному обеспечению. Чтобы гаджет работал корректно, он должен располагаться близко к коже. В последние годы смарт-часы всё чаще используют в рамках медицинских исследований. В том числе прибор помогает отслеживать состояние пациентов:
- с неврологическими заболеваниями. Мониторинг с помощью носимых устройств проводится у пациентов с болезнью Паркинсона, болезнью Альцгеймера, эпилепсией и инсультом. Устройство анализирует изменения голоса и речи, двигательные нарушения, регистрирует судороги;
- с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Недостаток физических упражнений — один из кардиологических факторов риска. Девайс помогает объективно оценить пройденное расстояние и физическую активность в течение дня. Эти данные могут стать для пациента убедительным аргументом в пользу изменения образа жизни. Устройство наблюдает за сердечным ритмом пользователя. В будущем ещё больше информации дадут датчики артериального давления, биохимические и биомеханические сенсоры. Производители совершенствуют их для использования в медицине;
Также смарт-часы улучшают приверженность медикаментозной терапии и диете. Устройство отслеживает движения пациента при глотании и жевании и оценивает, сколько времени он ел. Смарт-часы напоминают, когда нужно принять лекарство.
В носимые устройства интегрируются алгоритмы глубокого обучения, что улучшает анализ собранной информации. Нейросети учатся предсказывать развитие COVID-19, сердечно-сосудистых заболеваний, оценивать качество сна15.
Ещё одна инновация в области мониторинга — датчики в виде патчей. Это небольшие пластыри, которые наклеивают на кожу. Патчи умеют измерять артериальное давление в режиме 24/7, обнаруживать увеличение объёма внутричерепной жидкости и даже проводить ультразвуковое сканирование внутренних органов. В ходе одного из исследований патч отслеживал жизненно важные функции: частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и температуру.
4. Анализ и редактирование генома
В медицине для расшифровки генетического кода используется лабораторный метод —секвенирование ДНК. Учёные устанавливают последовательность химических соединений, образующих цепочку ДНК, — нуклеотидов A, G, C и T. За ними скрывается информация о жизнедеятельности организма и природе генетических болезней.
Портативный нанопоровый секвенатор — инновация, которая умещается в ладони. За небольшими размерами скрываются мощные возможности для секвенирования. Молекула ДНК проходит через наноразмерные белковые поры устройства и считывается в реальном времени.
Программное обеспечение, синхронизированное с нанопоровым секвенатором, обрабатывает полученные данные:
- оценивает качество информации;
- ищет и исправляет ошибки;
- проводит анализ и сборку генома.
Разработчики постоянно обновляют систему, создавая новые инженерные белки для анализа. Согласно результатам некоторых исследований, точность новейших систем может превышать 90%.
Несмотря на свою фундаментальность, геном может меняться. В качестве генетических «ножниц» используется система CRISPR-Cas9. Инновацию подсказали бактерии. Система CRISPR нужна им для защиты от чужеродного генетического материала. Нуклеаза Cas9 способна расщеплять цепочку ДНК, которую враждебный вирус вводит в клетку.
Учёные улучшили систему и сделали её более специфичной. CRISPR-Cas даёт начало многим научным экспериментам, например по изменению активности генов или добавлению участков. Редактирование генома позволяет создавать новые клеточные линии или генномодифицированных животных. Лабораторные модели нужны в медицине, чтобы понять механизмы заболеваний человека.
5. Технологии виртуальной и дополненной реальности
Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR) и дополненная реальность (Augmented Reality, AR) дают возможность моделировать различные ситуации в медицине. Используя головные устройства и трёхмерные проекции, врачи и пациенты погружаются в виртуальный мир. Там может найтись подходящее решение для диагностики и терапии.
Точки соприкосновения инновации и медицины встречаются всё чаще:
- лечение хронической и фантомной боли;
- улучшение внимания и памяти пациентов с неврологическими заболеваниями;
- помощь при психиатрических расстройствах: тревоге, депрессии, фобиях, расстройстве пищевого поведения.
Технологии VR — наглядный учебник и удобный тренажёр для студентов-медиков. Трёхмерные анатомические модели позволяют почувствовать себя настоящим исследователем: можно вращать виртуальный орган, менять его масштаб. Инновация помогает будущим хирургам оттачивать свои навыки. Перед работой с настоящими пациентами можно встретиться с виртуальными, чтобы улучшить коммуникативные навыки и отработать технику оказания неотложной помощи.
6. Имплантируемые устройства и протезы
Медицинские импланты — устройства или ткани, которые размещаются внутри или на поверхности тела. Импланты давно используются в медицине для разных целей: от контроля функций организма до замены отсутствующей части тела.
Направление patient-specific devices (PSD) изучает методы изготовления индивидуальных имплантов. Такие изделия учитывают анатомические особенности пациента и обеспечивают приемлемый эстетический результат. Разработка PSD тесно связана с аддитивным производством. Модель импланта сначала создают на компьютере по КТ- и МРТ-снимкам пациента, а затем печатают на 3D-принтере.
Ещё больше идей для инноваций появляется благодаря беспроводным технологиям. Импланты передают информацию о процессах внутри организма на компьютер. В ортопедических протезах размещают датчики давления, чтобы узнать больше о движении сустава. Разрабатывают имплантируемые датчики для оценки сердечно-сосудистых показателей. В нейрохирургии появляются прототипы, передающие данные об активности мозга по Wi-Fi.
7. Системы доставки лекарств
Размеры другой инновации зачастую не превышают нескольких микрометров. Нанотехнологии могут стать тем «курьером», на которого так рассчитывает медицина. Исследователи нагружают наночастицы — полимерные, белковые, неорганические — макромолекулами препарата для доставки к очагу заболевания. При этом физические и химические свойства наночастиц меняют так, чтобы они нацеливались на нужную зону.
Одна из новинок — биомиметическая система доставки лекарств (BDDS). Наносистема имитирует клетки или их компоненты. Такие «двойники» не только лучше доставляют и высвобождают лекарства, но и дольше находятся в кровотоке, умеют уклоняться от иммунитета и взаимодействовать с другими клетками.
Ещё одна новая система доставки лекарств связана с 3D-печатью. Технология используется в медицине для создания сложных лекарственных комбинаций. Напечатанные препараты получаются более персонализированными. Другое их преимущество — контролируемое высвобождение лекарства, быстрое или отсроченное.
8. Биопринтинг
Биопринтинг — воплощение давней мечты человечества о создании органов и тканей на замену повреждённым или утраченным. В основе инновации — методы 3D-печати. Для печати используются специальные биочернила и биобумага. Их создают из жизнеспособных клеток, биоматериала и биологических молекул.
Чтобы создать модель ткани или органа, в программу загружают КТ- и МРТ-снимки пациента. Затем выделяют клетки, подбирают биоматериал и создают биочернила. Напечатанная структура созревает в биореакторе. Биопринтинг используется в нескольких направлениях медицины: в трансплантации, для открытия лекарств и проведения научных исследований.
Инновация помогла создать тканевые структуры для многих систем организма. Учёные экспериментируют с нервными клетками, печатают кровеносные сосуды, выращивают фрагменты костной и хрящевой ткани для пластики при травмах и переломах.
9. Создание новых вакцин
Рибонуклеиновая кислота (РНК) — это одноцепочечная нуклеиновая кислота, которая похожа на ДНК. РНК участвует в синтезе белка. Ещё молекула служит хранилищем наследственной информации у некоторых вирусов.
Новый тип вакцин использует мРНК, ответственную за образование вирусного белка:
- После введения вакцины клетки организма с помощью мРНК синтезируют чужеродный белок.
- Иммунная система распознаёт вирусный белок и вырабатывает антитела.
- Антитела обеспечивают защиту организма от вируса.
Вакцины на основе мРНК достаточно быстро разрабатываются и подходят для масштабного производства, что оказалось важным для здравоохранения во время пандемии COVID-19. Некоторые мРНК-вакцины были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).
В медицине есть и другие мишени, на которые нацелены разработчики вакцин: вирус бешенства, вирус Эбола, ВИЧ и некоторые виды рака.
10. Телемедицина
Телемедицина использует телекоммуникационные технологии, чтобы решать задачи здравоохранения:
- обучение и консультации пациентов;
- удалённый мониторинг;
- обмен медицинскими данными и изображениями.
В рамках телемедицины консультации врач — пациент и врач — врач проводятся по телефону, электронной почте, с помощью видеоконференций или мобильных устройств.
Удобство такого формата консультаций оценили и врачи, и пациенты. В этом случае не нужно выходить из дома — можно связаться с врачом по компьютеру или смартфону. Сохраняется время, которое могло быть потрачено на поездки и ожидание в очереди.
Общаясь с врачом в дистанционном формате, пациент не рискует заразиться. Поэтому к телемедицинским услугам часто обращались во время пандемии COVID-19. Телемедицина помогала оказывать комплексную помощь, включая лечение и диагностику, и удалённо наблюдать за состоянием пациентов.