Аневризмы — выпуклости на истончившихся стенках кровеносных сосудов — ежегодно становятся причиной почти 500 тыс. смертей.

Трудность лечения аневризм, особенно головного мозга, в том, что они прячутся в сложном лабиринте сосудов, разобраться в котором непросто даже при наличии самых современных технологий.

Инженеры-биомедики из Университета Буффало и исследовательских организаций в составе клиники Kaleida Health совместно со специалистами компании Stratasys, производителя 3D-принтеров, разработали систему, позволяющую всего за сутки распечатать сосудистую систему мозга пациента, чтобы на ней можно было попрактиковаться перед реальной операцией.

Тереза Флинт, 47-летняя мать троих детей, стала одним из первых пациентов, кому помогли с помощью распечатанной трехмерной модели сосудистой системы. У Флинт была потенциально фатальная аневризма — такие лечат путем установки зажима, который вводится посредством эндоскопической операции.

Распечатанная на 3D-принтере модель системы сосудов мозга пациента; черная линия — катетер, вводимый хирургом во время предоперационной тренировки

«По медицинским снимкам мы создали точную копию всей анатомии сосудов головного мозга, — рассказывает Аднан Сиддики, профессор нейрохирургии факультета биомедицины Университета Буффало. — 3D-модель, распечатанная на системе Stratasys, позволила нам выбрать оптимальный путь лечения».

Хирургия аневризмы — операция высокого риска, каждый случай имеет свои особенности и требует тщательного изучения анатомии сосудов конкретного пациента.

«Вначале мы хотели установить зажим, — продолжает врач. — Но, опробовав эту процедуру на 3D-копии, мы поняли, что эффекта она не даст. Благодаря модели мы смогли предугадать потенциальные осложнения и спланировать более действенный подход».

Создание модели сосудистой системы начинается с установки катетера в бедренную артерию пациента. Катетер продвигают до места ответвления нужного сосуда в мозгу и вводят контрастное вещество, оно «подсвечивает» сосуды. Затем делают снимки с помощью магнитно-резонансной или компьютерной томографии.

Эти снимки загружаются в САПР, в которой строится виртуальная модель сосудистой системы. После этого файл отправляется на 3D-принтер Stratasys, и воссоздается копия системы сосудов, где была найдена аневризма.

Раньше создание подобных моделей отнимало до десяти дней — использовался силикон, помещаемый в форму, которую изготавливали на основе рентгеновских снимков.

Копии системы сосудов в реальном масштабе распечатываются из гибкого фотополимерного материала на профессиональном 3D-принтере Stratasys Objet Eden260VS. Материал по физическим качествам напоминает ткани человеческого организма. Благодаря точному воспроизведению геометрии аневризмы врачи имеют возможность провести тесты и имитации, позволяющие оценить действенность разных вариантов лечения.

«Это очень точная копия сосудистой системы, — подчеркивает Сиддики. — Мы имитируем всю операцию, от начала до конца. Преимущество новых материалов в том, что сосуды получаются как настоящие».

По словам Сиддики, при 3D-печати воссоздается поверхностное натяжение различных участков кровеносных сосудов и учитывается их тип — например, в сердце они более прочные и менее гибкие, чем в головном мозге.

«Распечатка 3D-моделей, имитирующих физические свойства сосудов, дает уникальные возможности с точки зрения выбора метода лечения», — признает Майкл Спрингер, директор по операциям в Институте Джейкобса при Kaleida Health.

Помимо ускорения процесса, 3D-распечатка сокращает затраты с пары тысяч долларов до нескольких сотен, сообщил Сиддики.

Модели позволяют не только проводить предоперационную практику, но и учить врачей.

«Наши интерны и практикующие врачи могут учиться предотвращать инсульты, — добавил Сиддики. — На распечатываемых моделях можно проводить сколько угодно тренировочных операций».

Google подала заявку на патентование наручного устройства, которое может измерять уровень содержания глюкозы в крови без использования иглы. Согласно описанию, такой глюкометр прокалывает кожу сжатым газом, вызывая появление небольшого количества крови.

Контроль глюкозы — болезненная процедура, если игла не слишком тонкая, а более щадящие иглы могут гнуться, ломаться или ненадежно прокалывать кожу. При диабете измерять уровень сахара приходится по несколько раз в день, и не все справляются с соблюдением режима этой неприятной процедуры. В Google же пишут, что сжатый газ способен «неощутимо пробивать кожную ткань без использования колющего элемента».

В компании отмечают, что изобретение в принципе можно применять не только для контроля глюкозы, но также для анализа уровней гормонов, белков и ферментов при различных заболеваниях.

В прошлом году были сообщения, что в Google создали прототип умной контактной линзы, способной с помощью датчиков определять уровень глюкозы в слезной жидкости. Изучалась возможность снабжения линзы миниатюрным светодиодом, который бы предупреждал при чрезмерном снижении или повышении сахара.

Индустрия развлечений помогает спасать жизни: в Бостонской детской больнице начали сотрудничать с голливудскими художниками по спецэффектам, чтобы повысить реалистичность симуляторов, на которых хирурги тренируются в проведении сложных операций.

В настоящее время разрабатываются два симулятора, которые были представлены на недавнем мероприятии, посвященном новым разработкам в области педиатрии. Сегодня в больнице уже пользуются рядом симуляторов, в том числе Surgical Sam — манекеном младенца с реалистичными внутренними органами, бьющимся сердцем и имитацией дыхания.

Одно из новых пособий позволяет нейрохирургам обучаться операции по купированию угрожающего жизни отека мозга, а вторая тренировочная модель позволяет отработать процесс перевода новорожденного на искусственное кровообращение.

«Реального пациента, конечно, ничто не заменит, — признает Питер Вайнсток, директор программы медицинских симуляторов Бостонской детской больницы. — Но если делать модели более приближенными к реальности, хирурги будут сильнее эмоционально вовлекаться в процесс. Наши симуляторы уже сейчас точно воспроизводят человеческую анатомию, но мы хотим достичь такого уровня реализма, при котором можно будет полностью погрузиться в хирургическую операцию или медицинскую процедуру, забыв о том, что симулятору невозможно нанести фатальный вред неверным движением».

Тренировочные манекены нельзя назвать абсолютно пассивными. Трубки и провода соединяют их с «комнатой кукловодов», где инструкторы управляют симуляторами, имитируя осложнения, которые могут возникнуть во время реальной хирургической операции.

Голливудская студия Fractured FX, принимающая участие в работе над больничными симуляторами, имеет опыт подготовки спецэффектов для сериалов «Скорая помощь» и «Больница Никербокер».

«О нас ходит слава, как о создателях невероятно реалистичных эффектов, но теперь отличие в том, что нам нужно 'обмануть' хирурга», — говорит Джастин Рейли, генеральный директор Fractured FX.

По его словам, симуляторы изготавливаются с использованием настоящих снимков, полученных при компьютерной томографии, благодаря чему модели получились максимально близкими к реальности.

«Нам необходимо обеспечить точность воспроизведения не только анатомии, но также текстуры и плотности настоящих человеческих тканей», — добавил он.

Симуляторы имеют постоянные части и одноразовые. После каждой тренировки отработанные компоненты манекена изымаются и на их место устанавливаются новые для следующей попытки.

По словам Вайнстока, теперь предстоит провести испытания в Бостонской детской больнице, а затем со временем коммерциализовать симуляторы, чтобы ими могли пользоваться другие медицинские учреждения. О том, сколько могли бы стоить манекены, он ничего не сказал.

Одним из перспективных направлений использования 3D-принтеров может оказаться протезирование зубов. По прогнозам, 3D-сканирование и 3D-печать уже в скором будущем придут на смену традиционным методам изготовления имплантов.

Однако, в Университете Гронингена (Нидерланды) решили пойти дальше и разработали антимикробный пластик, который можно использовать для 3D-печати искусственных зубов.

Новый материал изготовлен из уже используемых в стоматологии полимерных смол с добавлением четвертичных аммониевых солей, которые обладают антибактериальным эффектом. Голландские исследователи утверждают, что для человека подобный пластик совершенно безвреден.

Для проверки свойств нового материала на их поверхность нанесли смесь слюны и бактерий Streptococcus mutans, которых считают одним из главных виновников возникновения кариеса.

Согласно данным, содержащимся в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, на поверхности нового материала погибло 99% бактерий.

Объемная модель, построенная по данным магнитно-резонансной томографии, поможет кардиохирургам подготовиться к операциям на сердце, изучив анатомические особенности конкретных пациентов. Испытания нового метода будут проводиться осенью этого года в Бостонской детской больнице.

Методы и программы для анализа томографических снимков разработала аспирант Массачусетского технологического института Даниэла Пейс, а специалисту Бостонской детской больницы удалось найти способ значительно повысить точность томографии.

Томографические снимки показывают трехмерные объекты в разрезе на многих уровнях. Для построения объемной модели, достаточно точной для использования в кардиохирургии, до сих пор приходилось вручную выделять на разрезах контуры анатомических структур, потому что существующие алгоритмы автоматического анализа изображений не давали нужных результатов. Решение, найденное аспирантом МТИ и ее научным руководителем, заключается в комбинировании ручного и автоматического анализа. Эксперту достаточно выделить контуры на нескольких разрезах из сотни, и программа сделает остальное. Весь процесс занимает около часа, а еще за пару часов модель будет отпечатана на 3D-принтере.

В начале сентября корпорация IBM представила возможности своих когнитивных технологий для здравоохранения в России. Несмотря на растущие практически во всем мире затраты на здравоохранение, качество медицинской помощи по-прежнему оставляет желать лучшего. Как сообщил Роберт Меркель, вице-президент IBM Watson по здравоохранению, лишь половина врачебных решений сегодня принимается на основе доказательной медицины. Ни один практикующий врач не способен отслеживать и перерабатывать все публикации, имеющие отношение к его специальности. IBM предлагает пользоваться помощью «коллективного разума» – суперкомпьютера Watson, который не только быстро обрабатывает и анализирует огромные объемы неструктурированной информации, но и строит гипотезы, обучается и отвечает на вопросы.

Эволюция «коллективного разума»

Роберт Меркель: «Это первый случай, когда IBM создала на высоком уровне вертикально организованное бизнес-подразделение» Источник: IBM

С 2006 года над созданием системы глубокой обработки естественного языка в IBM трудилась группа из 26 исследователей. В результате на свет появился Watson, победивший в 2011 году в телевикторине Jeopardy! Последующие три года в корпорации экспериментировали с технологией и вариантами ее применения, и в 2014 году была образована IBM Watson Group со штатом уже более 2 тыс. человек, а проект вышел на этап коммерциализации. Cамой перспективной сферой применения «коллективного разума» было признано здравоохранение, и весной 2015 года все наработки для этой отрасли были выделены в отдельное подразделение – IBM Watson Health. «Это первый случай, когда IBM создала на высоком уровне вертикально организованное бизнес-подразделение», – подчеркнул Меркель.

В состав IBM Watson Health вошли четыре приобретенные IBM компании: Curam Software, разработчик социальных приложений; Explorys, создатель облачной платформы для анализа клинических данных; Phytel, поставщик облачных сервисов для совместной работы медиков и вовлечения пациентов, и Merge Healthcare, разработчик радиологических решений для работы с медицинскими изображениями.

Вокруг Watson выстраивается обширная партнерская экосистема компаний, заинтересованных в использовании «коллективного разума» и предоставлении его услуг своим клиентам. В их числе крупный разработчик медицинских информационных систем Epic Systems, сеть аптек и клиник CVSHealth, а также компании Apple, Johnson&Johnson и Medtronic, c которыми IBM планирует создавать новые услуги на основе информации, собираемой с персональных гаджетов, фитнес-устройств и медицинских приборов.

По словам Меркеля, для партнеров корпорации облачная платформа Watson Health Cloud, на базе которой в следующем году начнут работать сервисы для врачей, исследователей, страховых агентов и поставщиков решений для красоты и здоровья, будет открытой как на уровне данных, так и на уровне аналитики и решений.

Диапазон возможностей применения Watson в отрасли простирается от выбора терапии конкретных заболеваний до поддержания здорового образа жизни и координации всех «точек соприкосновения» с пациентом.

Первые специализированные приложения на базе Watson были созданы совместно с ведущими американскими медицинскими центрами – MD Anderson и Memorial Sloan Kettering – и предназначены для онкологов. Например, решение Watson for Oncology помогает врачам при лечении четырех видов рака. Watson for Oncology изучает историю болезни пациента и научные исследования, анализирует данные, сопоставляет множество факторов, проводит аналогии, а затем предлагает возможные диагнозы и варианты терапии. При этом он не претендует на роль лечащего врача, ответственность за принятое решение всегда лежит на человеке. Однако Watson может стать профессиональным помощником, с которым врач всегда может посоветоваться, получив ясные рекомендации с балансом плюсов и минусов по каждому варианту лечения, с прозрачной логикой рассуждений. Таким образом, при необходимости у доктора всегда будет под рукой обоснованное «второе мнение».

Привести в соответствие

Интегрировать «коллективный разум» в систему здравоохранения – нелегкая задача, тем более если речь идет о российском здравоохранении. По словам Меркеля, в IBM видят два варианта продвижения Watson на локальных рынках: в виде заранее сконфигурированного решения и путем настройки отдельных полей, что требует значительных трудозатрат. Разумеется, в корпорации предпочли бы меньше тратить на доработку и многократно продавать один и тот же продукт на всех рынках, заложив в него способность адаптироваться к местным условиям.

Под брендом Watson в IBM развивают две группы продуктов: компонентные решения Watson Core и способные к самообучению приложения Watson Cognitive. Первые компонентные решения Watson Core уже нашли применение в России. Например, в состав Watson Explorer, предназначенного для анализа контента из различных источников, входит аналитическое приложение Content Analitycs, которое используется для обработки статистических данных при подготовке судебных процессов, выявления закономерностей при поиске серийных убийц, а также изучения предвыборных настроений избирателей в социальных сетях. Content Analytics также позволяет просматривать электронные медкарты пациентов, выявляя группы риска и отслеживая, как с ними работают медики, а также создавать протоколы дообследований. Этот компонент оказался наиболее простым для адаптации к местным условиям, он уже полностью локализован, «понимает» русский язык и готов к использованию в скриннинговых программах, для прогнозирования потребности в квалификации медиков и в инструментах лечения, для управления медицинскими знаниями, а также для подготовки данных, необходимых для полнофункциональной работы Watson.

Локализация технологий группы Watson Cognitive для России требует времени и существенных усилий. В Таиланде и Южной Америке онкологи общаются с Watson на английском языке, которым владеют все высококвалифицированные специалисты, так как основные базы знаний в области медицины – англояычные. По мнению представителей российского офиса IBM, с определенными усилиями можно локализовать функционал по сопоставлению индивидуальных параметров пациента с утвержденными протоколами лечения и выдачи рекомендаций с учетом страновой специфики, наличия лекарственных средств и их доступности. Однако для этого понадобится сформировать команды, включающие представителей Минздрава, которые приведут в соответствие российские и международные протоколы лечения, а также базы лекарственных препаратов.

Наиболее сложными для локализации функциями решения для онкологов в IBM считают скоринг (оценку вариантов лечения) и создание доказательной базы, используемой при принятии решений. Скоринг имеет закрытый контур как интеллектуальная собственность IBM, и его локализация возможна только в совместном проекте с разработчиками Watson, высококвалифицированными онкологами и техническими экспертами государственного уровня. При формировании доказательной базы на русском языке придется обучать Watson, не только подключая его к местным источникам информации, но и сопоставляя их с международными базами знаний. Для этого потребуется команда экспертов по управлению знаниями, понимающих, из чего складывается ландшафт медицинской информации в России.

Подготовка рынка

В настоящее время в IBM ищут заказчиков решений Watson как в госсекторе, так и среди коммерческих клиник России. Облако система Watson Health может быть развернута и в местном ЦОД с соблюдением российского законодательства.

Представители российских медицинских организаций пока достаточно скептически воспринимают практические возможности когнитивных технологий – высококвалифицированного специалиста рекомендации Watson в 80% случаях не удивят. Предполагается, что суперкомпьютер-консультант поможет выравнивать компетенции терапевтов и врачей общей практики, но пока это дело будушего. Возможно, медики изменят свое мнение, познакомившись с ним поближе: в ближайшее время в российском офисе IBM планируют продемонстрировать работу Watson непосредственно врачам.