Технологии XR для медицинской отрасли

Диагностика и профилактика

Сейчас очень остро стоит вопрос с ранней диагностикой старческой деменции. Ежегодно в мире обнаруживают более 10 млн. новых случаев заболевания. При этом большая часть – порядка 60-70% – приходится на болезнь Альцгеймера, главными симптомами которой являются потеря памяти, невозможность выполнять простейшие бытовые задачи, трудности с речью, необратимые изменения личности и резкие перепады настроения. Люди, страдающие этой болезнью, нуждаются в перманентном уходе и поддержке. Лекарства  на данный момент не существует, но есть немало методов, которые позволяют замедлить ход болезни, например, глубокая стимуляция мозга (DBS), электромагнитная терапия, медикаментозные методы. И чем раньше начать лечение, тем выше шансы на его эффективность. Именно поэтому так важна эффективная ранняя диагностика. Ученые из Лондона, разработали технологию с использованием виртуальной реальности, основанную на работе нобелевского лауреата по медицине и физиологии 2014 года Джона О’Кифа, В своей работе профессор исследовал то, как мозг определяет положение тела в пространстве. Именно отдел мозга, который отвечает за эту функцию, одним из первых страдает при болезни Альцгеймера. Ранее метода, с помощью которого возможно было бы обнаружить это поражение, не существовало. Технология же, предложенная британскими медиками, предполагает, что с помощью VR шлема и подсоединенной системы управления человек должен выполнить задачи, высвечивающиеся на экране. Для их успешного решения необходимо ориентироваться в пространстве, то есть определять, где пациент находится относительно других предметов. Эта способность страдает у людей с болезнью Альцгеймера еще до того, как они начинают проявлять нарушения памяти. Пациент, который испытывает трудности в выполнении такой задачи, с высокой вероятностью может получить диагноз «болезнь Альцгеймера».

VR-устройства тестируют для диагностики и профилактики ряда заболеваний зрительного аппарата человека, например, миопии. Примером может послужить разработанный в России шлем для диагностики болезней глаз. С помощью специальных датчиков, интегрированных в дисплей, в глазу человека выявляются «слепые зоны». Эти участки могут указывать на самые разные проблемы, связанные с ухудшением зрения. Устройство пока проходит тесты в НИИ глазных болезней Российской Академии наук.

Еще одно заболевание, в ранней диагностике которого помогают VR-технологии, это рассеянный склероз. Это аутоиммунное заболевание, когда поражается миелиновую оболочку нервных клеток, из-за чего они хуже и медленнее передают сигналы. Главные симптомы – усталость, проблемы с равновесием и походкой, онемение и покалывание в руках и ногах, умственные нарушения. А частым следствием заболевания становятся проблемы с перемещением в пространстве. В связи с нарушенной передачей сигнала такие люди чаще падают. При помощи VR медикам удается увидеть нарушения с вестибулярным аппаратом до того, как они начнут видимо влиять на жизнь человека. Диагностика предполагает ходьбу по беговой дорожке в VR-шлеме. Скорость движения пациента и картинка синхронизируются. Через определенное время, когда диагностируемый привыкает к происходящему, изображение в шлеме начинает имитировать падение. Так как наш мозг не способен отличить реальную картинку от виртуальной, тело автоматически реагирует, пытаясь избежать падения. Анализ быстроты и точности реакции помогает обнаружить рассеянный склероз на ранних стадиях. Этот метод диагностики достовернее, чем предыдущие, так как на первых этапах заболевания нарушения баланса невозможно обнаружить на обычной беговой дорожке. Кроме того, этот метод безопаснее – пациент предохранен от падения с помощью специального крепления.

В 2021 году специалисты Самарского государственного медицинского университета разработали первую в мире трехмерную систему психодиагностики с элементами искусственного интеллекта, основанную на использовании технологии виртуальной реальности. Она получила название «Психодиагностика в VR» и способна без помощи людей оценивать психологическое состояние и качество характера тестируемого и на основе полученных данных формировать портрет его личности. Человек, проходящий испытание, надевает VR-шлем или очки. Тесты показывают, что через несколько минут участник испытания начинает воспринимать видимую картинку как реальность. Пока перед тестируемым разворачивается соответствующий сценарий, программа оценивает человека по нескольким десяткам категорий, среди которых уровень самооценки, эффективность работы, агрессивность и другие. Также с помощью программы можно оценить реакции в условиях стресса, познавательные способности, определить психологический тип и личные особенности. На последнем этапе система в автоматическом режиме формирует заключение с описанием различных сфер психики тестируемого и выводами.

«Все чаще в технических заданиях на тренажерные продукты можно встретить требование об использовании данных о когнитивной нагрузке обучающегося. Современные шлемы также зачастую имеют датчики движения мышц лица, размера зрачков и направления взгляда, а датчики ЧСС получили повсеместное распространение, благодаря их применению в спорте. Технологии работы с психоэмоциональным состоянием пользователя получают все большее применение в отрасли и претендует стать стандартом де факто», – прокомментировал  руководитель проектов Номикс Евгений Омельченко.

Предоперационное планирование и операции

Качественное предоперационное планирование – одно из ключевых условий для успешного и безопасного хирургического вмешательства. Последние разработки виртуальной реальности привели к появлению многочисленных приложений для хирургического предоперационного планирования, что делает операции безопаснее и эффективнее.

Например, американская Surgical Theater разработала платформу нейрохирургического предоперационного планирования Precision VR. С помощью нее пациент может увидеть индивидуальный VR-сценарий операции. 3D-модель создается на основе КТ- и МРТ-снимков и используется для информирования пациента о деталях операции, а также в качестве инструмента планирования действий хирургической бригады. Еще одна американская интерактивная хирургическая платформа, но уже с использованием дополненной реальности - EchoPixel 3D - помогает врачам идентифицировать интересующую их анатомию и формирует детальные медицинские изображения в режиме реального времени.

Российский специалисты также занимаются разработками в данном направлении. Например, создан прототип хирургического симулятора MedVR LAP Expert на основе виртуальной реальности, который представляет собой программно-аппаратный комплекс со встроенными хирургическими инструментами. Он помогает симулировать операционное вмешательство в лапароскопической хирургии. При создании продукта применялась технология, которая с высокой точностью определяет движения тела человека, включая ноги, руки и мелкую моторику пальцев. Обучаемому предлагают надеть очки виртуальной реальности, которые проецируют изображение человеческого тела и органов на экран монитора. Все движения во время операции фиксирует система трекинга, с помощью которой хирург видит не только механику рук, но и получает обратную связь при взаимодействии с внутренними органами пациента.

Разработка резидента «Сколково» — компании «Меджитал» — позволяет врачам проводить сложные хирургические операции с применением технологии смешанной реальности. Это «умные очки», которые создают эффект рентгеновского зрения и минимизируют риск ошибок. Перед операцией пациенту делают плановое MРT или КТ, по полученным данным создается необходимая 3D-модель внутренних органов человека, которая транслируется на очки дополненной реальности и точно привязывается к пациенту с помощью маркерной системы. Построение объемной модели анатомии и подготовка к операции занимают менее пяти минут и не требуют особых навыков. Кроме того, использование такого оборудования позволяет снизить количество хирургических ошибок и ускорить выздоровление пациентов.

Лечение и реабилитация

По статистике, почти пятая часть населения планеты мучается от хронических болей.  В 2020 году был разработан метод, который показал свою эффективность при лечении пациентов с симпатической рефлекторной дистрофией. В виртуальной реальности пациент видит реалистичную модель своей пораженной конечности, картинка мигает в такт сердцебиению. Благодаря этому возникает обратная связь с мозгом, но при этом у пациента нет болезненных ощущений как при прикосновении. Изобретение получило название HEVR-терапия. Важно отметить, что метод все-таки более эффективен в сочетании с медикаментозной терапией. Разработчики уверены, что HEVR-терапию скоро можно будет использовать для лечения хронических болей у пациентов с различными заболеваниями, в частности, фибромиалгией, а также при реабилитации после инсульта или ампутации конечности.

В Рязанском государственном медицинском университете создали VR-комплекс для лечения различных фобий. Он может помочь людям со страхом животных и насекомых, высоты, замкнутых и открытых пространств, скопления людей и т.д.  В целом, VR повышает эффективность психотерапевтических методик, которые применяются для лечения расстройств, связанных с тревогой и страхами. Возврат пациента травмирующую ситуацию под контролем психотерапевта позволяет разрушить паттерн избегания, который обычно усиливает тревогу и делает ее хронической. Встретиться с своими страхами можно не только в реальном мире, но и в воображении или в виртуальном. Последний вариант называется экспозиционной терапией виртуальной реальностью (VRET). Методика используется для лечения ПТСР, тревожных расстройств, заболеваний нервной системы и различных болевых синдромов.

Также VR-тренинги применяются для реабилитации пациентов с двигательными нарушениями, вызванными поражением головного мозга. К примеру, после инсульта или при детском церебральном параличе. Часто таких случаях стандартные методы реабилитации малоэффективны или вообще не работают. Например, около 30% людей с постинсультным плечевым парезом даже после полугодовой реабилитации не могут вернуть прежнюю подвижность. В отличие от традиционных методов, VR-тренинги повышают мотивацию к терапии. Они погружают мозг в вымышленную обстановку, что отвлекает от тревожных мыслей и побуждает к занятиям через игровые действия. Кроме того, VR-реабилитация дает возможность наглядно видеть результаты от затраченных сил: при условии успешно выполненных заданий начисляются баллы, можно получать игровые достижения и повышать место в таблице рейтингов.

Сильный реабилитационный эффект демонстрируют VR-системы с тактильной обратной связью. Например, такой функцией обладает тренажер ReviVR для восстановления подвижности ног, разработанный учеными из самарского Института инновационного развития. Надев VR-очки, пациент видит аватара, идущего по прямой поверхности. Каждый шаг ощущается как свой собственный. Тактильная обратная связь осуществляется через пневмоманжеты, которые крепятся на стопы.

Помогает в реабилитации и геймификация. Например, корейские ученые  разработали  серию мобильных игр для реабилитации постинсультных больных. Во время игры пользователи должны, например, сгибать и разгибать локоть при бросании виртуальных яблок в медведя. Двухнедельное исследование показало, что игровая терапия значительно эффективнее, чем обычная лечебная физкультура. А тайваньские исследователи создали специальную систему из ЭЭГ, мониторинга походки и AR-шлема, который создает дополненную реальность с помощью визуальных и слуховых эффектов. Пациент в AR-шлеме видит больничный коридор, но с дополнительными цифровыми элементами. На полу коридора две дорожки, левая соответствует траектории движения левой ноги, правая — правой. По дорожкам под музыку ритмично двигаются белые шары-мишени. Если во время движения шаг пациента соответствует нужному углу наклона коленного сустава, разноцветная пуля сбивает шар. За каждую сбитую мишень человек получает балл.

VR-реабилитация показывает эффективность и при детском церебральном параличе. Например, ученые из Беларуси провели исследование с участием 58 детей со спастической формой ДЦП — повышенным тонусом скелетных мышц. Детей разделили на две группы. Первая прошла курс ЛФК. Вторая группа проходила такую же ЛФК с использованием компьютерных технологий: VR-шлема и датчиков движения, которые крепились к плечу и предплечью. Шлем погружал ребенка в интерактивный 3D-мир, в котором он выполнял упражнения. Для детей с ДЦП увеличение угла супинации на 5 градусов и более в ходе реабилитации считается отличным результатом. В группе, прошедшей VR-тренинги, увеличение угла супинации на 5 градусов и более в левой руке наблюдалось более чем 90% детей, в правой руке — более чем у 70%. В стандартной группе результаты были в два раза хуже.

Многие диагностические, лечебные и реабилитационные процедуры болезненны для пациентов и требуют обезболивающих. Большие перспективы стать инновационным анальгетиком есть у виртуальной реальности, погружение в которую отвлекает внимание человека от болезненного стимула. В качестве обезболивающего средства VR используется при перевязке пациентов с ожогами, во время физиотерапии, в стоматологии и урологии. Путешествия по виртуальному миру снижают боль на 30–50%, что сравнимо с эффектом анальгетиков. Но VR-погружения, в отличие от обезболивающих, не приводят к побочным эффектам. Исключение — люди с выраженной морской болезнью, у которых VR-тренинги могут вызывать ее обострение. Антиболевой эффект виртуальной реальности связан с тем, что мозг не может одновременно обрабатывать всю поступающую информацию. Он выбирает для обработки наиболее важную в данный момент информацию.  Подобные решения есть, к примеру, у американской компании Karuna Labs и российской «Исток-Аудио». Последняя предлагает утолить боль с помощью виртуальной прогулки по заснеженным горам, игры в снежки или рыбалки.

Использование VR/AR в здравоохранении снижает затраты и риски, расширяет доступ к услугам и улучшает результаты лечения. Технологии VR/AR облегчают боль и беспокойство пациентов, помогают в диагностики, повышают квалификацию врачей, предоставляя возможность практиковаться и совершать ошибки в условиях симуляции без реального риска, адаптировать и тестировать новые стратегии в хирургии.

Учитывая, что в мире идет активное внедрение разработок на стыке VR-технологий и больших данных, искусственного интеллекта, а также AR-технологий и технологий «интернета вещей», можно с уверенностью полагать, что использование современных ХR-решений и в российском здравоохранении будет продолжаться.  В августе этого года появилась информация, что на базе Самарского государственного медицинского университета появится несколько федеральных центров компетенций. И первым этапом станет создание центра по разработке и сопровождению внедрения цифровых учебно-методических комплексов, учебных симуляторов и тренажеров на основе технологий виртуальной и дополненной реальности.

В настоящее время лидеры в разработке VR/AR-технологий для здравоохранения смещают свое внимание с пилотных проектов и нишевых предложений на стратегии, основанные на инновационных вариантах использования технологий VR/AR и прототипах, предназначенных для масштабного массового внедрения. Растут доступность и разнообразие VR/AR-устройств и программного обеспечения, виртуальная и дополненная реальность становится все более привычным и комфортным инструментом как для врачей, так и для пациентов.