Медицинские технологии будущего

Одними из самых востребованных специалистов в развитых странах являются инженеры-медики. Это профессия, требующая владения электроникой, медицинской физикой и технологиями материалов и, конечно же, компьютерными технологиями. Ведущие университеты спешат открыть новые курсы по биоинженерии.

А все из-за стремительного развития технологий и медицинского оборудования. Врачам, образование которых дорого и достаточно долго, все чаще нужны специалисты по технологиям.

По данным британского агентства, занимающегося лекарствами и изделиями медицинского назначения, только в 2013 году в Великобритании было зарегистрировано 300 смертей и 5 смертей. серьезные травмы у пациентов были вызваны техническими проблемами с медицинским оборудованием.

Лечение и операции не проводятся или откладываются, в том числе из-за невозможности эксплуатации оборудования. Новая технология начинает играть ключевую роль в здравоохранении. Каким будет будущее медицины в этой ситуации?

Самый популярный ответ на этот вопрос в последнее время в мире дал доктор Берталан Меско в своей книге «Путеводитель по медицине будущего» (1). Он выделил 22 направления (2), которые определят будущее медицины и лечения болезней. Не все из них строго технические.

Некоторые, однако, звучат очень интригующе, например, элементы оздоровительных игр или биотехнология типа «сделай сам». Большинство прогнозов согласуются с тем, о чем мы пишем в этом выпуске МТ.

Использование дополненной и виртуальной реальности, телемедицины, роботов-хирургов и человекоподобных ухаживающих, датчиков, вживляемых в тело, революции 3D-печати, протезов и нового поколения, медицинских решений, выдаваемых искусственным интеллектом, или нанороботов, постоянно живущих в сосудах, занимают значительное место. место кровеносные сосуды.

1. Обложка английского издания книги Берталана Меско о будущем медицины.

2. Путеводитель по медицине будущего — инфографика

В поисках снаряжения из «Звездного пути»

Текущее направление развития современные медицинские технологии хорошо видно на конкурсе Qualcomm Tricorder XPRIZE (3). Хорошо известная на рынке мобильной связи компания Qualcomm предлагает вознаграждение в размере 10 млн долларов США за создание портативного и удобного устройства, которое позволит пациенту самостоятельно распознать симптомы возможного заболевания, диагностировать проблему и установить контакт с врачом в такой ситуации. способ, которым удаленная помощь возможна.

3. Qualcomm Tricorder XPRIZE — веб-сайт

Название «Трикодер» — отсылка к известному по сериалу «Звездный путь» удобному многофункциональному устройству, благодаря которому герои саги могли сканировать данные, анализировать их и сохранять.

Особенностью прибора была его универсальность и возможность использования во множестве различных ситуаций, в том числе типично медицинских.

Этот тип устройства — мечта дальновидные инженеры в области медицины. Одним из фаворитов в этом конкурсе является Scanadu Scout (4) — устройство для биомедицинских анализов, синхронизирующее свою работу со смартфоном или ноутбуком.

Он выглядит как небольшой адаптер питания или портативный накопитель. «Рабочие» части — это инфракрасный датчик, т.е. термометр и фотоплетизмограф-сканер для измерения микроциркуляции крови, который вместе с пульсометром выполняет еще и функцию измерения давления или даже теста ЭКГ.

Оборудование включает в себя набор датчиков, прикрепленных к указательному и большому пальцу. Расширенная версия Scanadu Scout также включает в себя лазерный микрометр, который позволяет считывать простые анализы, например крови.

Как сообщил доктор Алан Грин, отвечающий за медицинские аспекты проекта, Scout способен обнаруживать бактерии или кровь в мокроте и моче, а если последнюю анализировать, то также белок, сахар и кристаллы оксалатов.

Комплект домашнего врача Scanadu передает данные результатов анализов со всех измерительных приборов через передатчик Bluetooth на смартфон или ноутбук с установленным аналитическим ПО, собирая данные и обрабатывая их «в облаке», одновременно генерируя предложения по лекарствам, которые могут помочь, и предоставляя контакты врачи-специалисты.

Также приложение может информировать, например, о количестве схожих симптомов в районе, предполагая при необходимости, что может иметь место локальная эпидемия. Пользователь видит информацию о пульсе, давлении и температуре через 10 секунд на дисплее смартфона или на экране компьютера. Scanadu Scout работает с мобильными устройствами, работающими на iOS и Android, а также с Windows.

iPad в операционной

Кого-то может шокировать информация о том, что команда немецких хирургов из института Fraunhofer MEVIS в Бремене провела операцию на печени с помощью приложения для iPad. Однако медицинское применение технологии планшет не так нов, как может показаться.

Приложение, которым пользуются немцы, использует технологию AR — дополненной реальности. Печень, предназначенная для операции, была сначала отсканирована с помощью МРТ и сфотографирована с помощью iPad.

5. Хирург с AR-очками и раковыми клетками

На фотографию печени накладывался слой МРТ-изображения. Врачи говорят, что с помощью такой интерактивной «карты» органа им гораздо проще локализовать, например, опухоли в предоперационном периоде.

Разработчики приложения надеются на дальнейшее развитие технологии визуализации дополненной реальности, которая позволит хирургам эффективно «обыскивать» другие органы человеческого тела.

Более удобные, чем планшет, очки, разработанные медицинской школой Университета Св. Луи в США. Они немного похожи на знаменитые Google Glass и предназначены для оперирующих врачей, помогая им визуализировать раковые клетки.

Для того чтобы хирург мог видеть размеры и интенсивность раковых клеток на изображении, отображаемом ему через очки, в тело пациента необходимо ввести флуоресцентный маркер, который визуально «отмечает» эти клетки синим цветом.

Технология уже был протестирован хирургом, доктором Джули Маргенталер, во время реальной операции в Barnes-Jewish Hospital (5). Врачи и разработчики хирургических очков AR надеются, что это изобретение устранит необходимость в дополнительных операциях у больных раком.

6. iKnife — умный хирургический нож

По словам доктора Маргенталера, примерно в 20-25 процентах случаев удаления опухолей молочной железы требуется еще одна дополнительная операция, поскольку современные технологии не позволяют точно определить размеры раковых клеток.

Аналогичную функцию, но несколько иначе, выполняет интеллектуальный скальпель iKnife (6). Этот хирургический нож мгновенно распознает, является ли ткань, которую он разрезает, раковой или здоровой.

Устройство было сконструировано венгром Золтаном Такацем вместе с британскими коллегами из лондонского Имперского колледжа.

Можно сказать, что прибор работает «на обоняние», ведь распознавание типа ткани осуществляется путем анализа дыма, который витает вокруг органов, вырезанных хирургическими инструментами.

iKnife использует спектрометр для обнаружения различий в химическом составе паров. Преимуществом ножа является его способность распознавать ткани почти в реальном времени. Традиционные методы требуют более длительных анализов, что удлиняет время операции пациента.

Кто не идет, тот встанет

Система ReWalk (7) представляет собой носимый на одежде скелет, который помогает людям с травмами позвоночника ходить, двигая бедрами и коленями.

Систему ReWalk создал израильский предприниматель Амит Гоффер, который сам после аварии оказался в инвалидной коляске, без шансов вернуться в фитнес. Эта система была одобрена Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США прошлым летом.

«Этот революционный проект окажет непосредственное влияние на пациентов с травмами спинного мозга и изменит их жизнь», — сказал Ларри Ясински, президент ReWalk Robotics. Мобильность также оценят те, кто страдает от диализа.

Портативное оборудование для диализа (так называемая искусственная почка) сейчас проходит клинические испытания в США. Это может быть не такое удобное и миниатюрное устройство, к которому привыкли завсегдатаи мира смартфонов и планшетов, но для всех, кто знает неудобства, связанные с больничным диализом, его появление на рынке стало бы настоящей революцией.

Носимая искусственная почка (WAK) представляет собой прототип в виде ремня, надеваемого на тело, весом около 4,5 кг (8). Он выполняет те же функции, что и стационарное больничное диализное оборудование, т.е. фильтрует кровь пациентов, у которых почки не работают должным образом.

Миниатюризация оборудования стала возможной за счет уменьшения количества воды, необходимой в процессе — с более чем 150 литров до примерно пол-литра! WAK — это концепция, которая существует уже почти десять лет. Он был создан в медицинском центре Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе.

Работа над созданием портативного диализного оборудования заняла много лет. В конце года должны начаться испытания группы отобранных пациентов, которые будут носить оборудование при перемещении по медицинскому центру.

7. Экзоскелетная система ReWalk для инвалидов

8. Портативный диализный аппарат

Глаз для глюкозы, зуб для никотина

Год назад Google объявил в своем блоге, что работает над контактными линзами, которые смогут «измерять уровень глюкозы с помощью небольшого беспроводного чипа и миниатюрного датчика глюкозы, зажатого между двумя слоями мягкого стеклянного материала».

Изобретение в настоящее время проходит испытания, но если оно выйдет на рынок, оно может изменить жизни сотен тысяч людей, страдающих этим неприятным заболеванием. Им не нужно было бы постоянно контролировать уровень глюкозы с помощью громоздких устройств и тестов.

Предполагается, что очки Google сделают процесс проверки сахара намного менее обременительным. Они получены в результате исследований использования человеческих слез для проверки уровня глюкозы в организме. В линзах используются миниатюрные светодиоды, которые светятся, чтобы вы знали, когда уровень сахара слишком высок или слишком низок.

Они были разработаны в лабораториях Google X. Этот тип датчика можно разместить на глазу, но его также можно разместить на зубах. По мнению тайваньских ученых, имеет смысл установить на зуб датчик с подключением к Wi-Fi.

Он мог бы эффективно следить за тем, как ест владелец зубов и, например, не курит ли он слишком много. Это, в свою очередь, поможет бороться с вредными привычками.

Разработанный специалистами Тайваньского национального университета датчик может распознавать и различать такие процессы, как: еда, питье, курение, разговор, кашель и даже дыхание. Информация передается в медицинскую базу и может быть основанием для выдачи диагнозов и врачебных рекомендаций (9).

Раненый с пеной в животе

Не только вездесущая электроника, но и креативные технологии материалы могут изменить лицо медицины, особенно в таких драматических обстоятельствах, как война.

Инженеры американского военного агентства DARPA, известного своими перспективными проектами, разработали хирургическую пену, которая образуется при нанесении через пупок и останавливает внутреннее кровотечение.

Основное назначение этого вещества, застывающего в организме в виде твердой пены, — удерживать пострадавшего от потери крови в течение достаточно длительного времени, например, до прибытия бригады медиков.

До сих пор не существовало эффективного способа остановки внутреннего кровотечения в полевых условиях, и это изобретение направлено на то, чтобы это изменить. Хирургическая пена — результат работы Медицинского института Арсенала в Массачусетсе. Образуется в результате химической реакции смешения двух жидких веществ, вводимых в пострадавший организм.

Образующаяся таким образом твердая масса оказывает давление на внутренние органы пациента, что, как ожидается, остановит кровотечение как минимум на три часа до прибытия в больницу, где хирург может легко удалить затвердевший кусок пенопласта и начать операцию.

Без боли и без следа

Еще одна интересная категория инноваций — это совершенно неинвазивные инъекции даже при малейшей сохранности тканей. Согласно новому исследованию «Безыгольные вакцины Nanopatch» (10), проведенному глобальной консалтинговой фирмой Frost & Sullivan, хотя промышленность безыгольных устройств составляет небольшую долю от общего рынка устройств для доставки лекарств, она в ближайшие 5-10 лет мы увидим кардинальные изменения в секторе вакцин..

10. Раствор микроигл типа Nanopatch

Это будет обусловлено разработкой кожных и внутрикожных систем (таких как пластыри или биоразлагаемые имплантаты, которые разрушаются в организме человека), а также быстрорастворимыми вакцинами в таблетках, ингаляторами и методами легочного введения.

Хотя некоторые безыгольные формы введения вакцины, такие как струйная инъекция, генные пушки и микроиглы, уже используются, вызываемое ими повреждение клеток и невозможность прямого введения вакцины в постоянной дозе делают эти методы неэффективными.

Последним подарком медицине — и, возможно, многим другим областям жизни — от группы американских, корейских и китайских ученых являются сверхтонкие электронные схемы, растворяющиеся при выполнении ими своей функции в организме человека.

В ходе экспериментов использовались в том числе для обогрева раненого участка, таким образом защищая от бактериальных инфекций. Электронные слайсы изготовлены из кремниевых полупроводников и оксида магния.

Шелковые пленки служат покрытиями для электронных схем. Изобретение плавящихся электронных систем является частью более широкого исследования так называемой мимолетная электроника — или, если угодно, «переходная» (transient electronics).

В этой новой отрасли науки и техники ожидается, что микроустройства будут вести себя совершенно противоположным образом, чем в традиционной электронике, где ценились долговечность и устойчивость к условиям окружающей среды.

В растворимой электронике идея состоит в том, что мини-схема, выполнив свою работу, тает без каких-либо нежелательных побочных эффектов для окружающей среды.. Основной строительный элемент интегральных схем — кремний — входит в химические соединения, которые со временем растворяются в воде.

Однако при традиционных размерах электроники распад занял бы много времени. Поэтому ученые разработали метод создания чипов из чрезвычайно тонких слоев, называемых наномембранами.

11. Растворимая электроника

Они растворяются в течение нескольких дней или недель. Продолжительность этого процесса определяется свойствами шелкового слоя, на который наносятся системы.

И эти свойства контролируются исследователями, т.е. подбирая соответствующие параметры слоя, они решают, как долго он будет оставаться постоянной защитой для системы.

Ученые проводили эксперименты на крысах, которым прикладывали к месту раны растворимые чипсы для защиты от инфекции.

Еще одним возможным применением новой технологии, также в медицине, является постепенное введение лекарств через контролируемый растворяющийся чип, помещаемый в тело пациента в специально отведенном месте.

Недавно специалисты, работающие над растворимой электроникой в ​​Университете штата Иллинойс в США, разработали технологию построения электронных схем, которые после выполнения своих задач растворяются в воде, не оставляя вредных для окружающей среды веществ (11).

Электроника этого типа будет использоваться в основном в современная медицина. В сообщениях, поступающих из вуза, не уточняется, о каких именно материалах идет речь и в чем именно заключается новая технология.

Как подчеркивает профессор Джон А. Роджерс, возглавляющий группу, работающую над растворимыми электронными системами, «результаты первых испытаний чрезвычайно многообещающие — может появиться целый новый класс электронных устройств».

Ученые намерены использовать новые материалы для создания электронных датчиков для контроля за состоянием тканей после операции. Такие приспособления исчезнут после того, как сделают свое дело — когда рана заживет и тело вернется в нормальное состояние. В планах также создание чипов, которые будут доставлять лекарства строго запрограммированным образом.

Искусственный интеллект пока учится

Одна из крепких опор будущее в медицине в него предполагается внедрить искусственный интеллект и, следовательно, допустить принимаемые им решения к процессу лечения.

Примером, который часто приводится в этом контексте, является компьютер Watson, разработанный IBM, способный мгновенно использовать огромные ресурсы данных и способный быстро обучаться.

Он сотрудничает с одним из онкологических центров Нью-Йорка. Пока это пилотная программа, но она охватывает реальных пациентов с онкологическими заболеваниями. Уотсон прошел тест на компетентность, который обычно проходят врачи.

В конечном счете, это работа полноценным консультантом, который поможет определить наиболее подходящие виды терапии на основе тематических исследований и профессиональных медицинских писем. А пока врачи учат его, исправляя ошибки в диагнозах, которые он ставит.

Скоро, возможно, роли поменяются. Исцелит ли искусственный интеллект? По логике вещей существенных противопоказаний нет. Однако может потребоваться некоторое количество жидкости в сосудах, чтобы мы привыкли к этой мысли.