В Томске создали игру для реабилитации после инсульта. Разбираемся в технологии

Реклама в Дзене
30 June
177 full reads
985 story viewsUnique page visitors
177 read the story to the endThat's 18% of the total page views
3 minutes — average reading time

Чтобы восстановиться после инсульта, пациенты проходят реабилитацию в медицинских центрах. Даже до пандемии это было непросто. Команда кафедры медицинской и биологической кибернетики СибГМУ разработала систему реабилитации Dr. Numo, с помощью которой можно перенести занятия домой и помочь пациенту вернуть двигательные функции. Доцент кафедры медицинской и биологической кибернетики Иван Толмачев рассказал про разработку, с которой они участвуют в Архипелаге 2121.

Начали с науки

С 2013 года наша команда из Сибирского государственного медицинского университета работала с университетом Маастрихт в Нидерландах. Там есть профессор Герман Кингма, который разрабатывает вестибулярный имплант, протезирующий чувство равновесия. По сути это искусственный орган, который хирургически устанавливают людям с тяжелым расстройством этой функции организма.

Сенсорная диссоциация — это нарушение в работе вестибулярного аппарата, когда человек чувствует не то, что видит. Мы математически воссоздали этот сбой.

Сначала мы работали со статическими положениями человеческого тела, а затем перешли к движениям. Полученные результаты мы перенесли на задачи медицинской реабилитации.

Совместно с кафедрой неврологии и нейрохирургии нашего вуза сформировали заявку на грант «Разработка научных основ роботизированной нейрореабилитации» Российского научного фонда и выиграли его.

Роботизированная нейрореабилитация — это направление медицинской двигательной реабилитации с использованием технологий VR/AR, геймификации и роботизированных устройств.

Виртуальная реальность — VR — обычно не подходит для людей с нарушением равновесия, которое сопровождает практически все неврологические заболевания, потому что вызывает ту самую сенсорную диссоциацию. Ее можно применять только в позднем восстановительном периоде — спустя 60–90 дней после инсульта, как делает Московский институт неврологии. Так как мы работаем с более ранним периодом, то применяем дополненную реальность — AR.

От науки перешли к MVP

В первую очередь мы исследовали процессы, которые лежат в основе роботизированной реабилитации. Получили новые научные данные о пластичности головного мозга и об эффектах раннего восстановления. Для проведения научных исследований мы разработали MVP системы, которую можно использовать для медицинской реабилитации.

Это видеоигра, где человек прокачивает своего персонажа в движении. Постепенно он открывает новые игровые активности и задания. Чем больше пользователь занимается — тем более сложные задания получает. Пока программу корректирует врач, но в будущем мы хотим доработать систему, чтобы она сама направляла пациента. Здесь надо оговорить важный момент: в жизненном цикле медицинских технологий есть специфика.

Между прототипом и конечным продуктом — огромный разрыв. Чтобы его преодолеть, нужны ресурсы. Чтобы внедрить технологию, необходимо провести доклинические клинические исследования, доказать ее эффективность и безопасность.

Продукт состоит из программы, которую человек будет использовать дома, и телемедицинской услуги, которую он получит дистанционно. Поэтому для вывода продукта на рынок нужно будет договариваться с реабилитационными центрами и подключать врачей
Продукт состоит из программы, которую человек будет использовать дома, и телемедицинской услуги, которую он получит дистанционно. Поэтому для вывода продукта на рынок нужно будет договариваться с реабилитационными центрами и подключать врачей
Продукт состоит из программы, которую человек будет использовать дома, и телемедицинской услуги, которую он получит дистанционно. Поэтому для вывода продукта на рынок нужно будет договариваться с реабилитационными центрами и подключать врачей

Разработали программу и подключили технологии

Программы. Игру устанавливают на персональный компьютер. Программное обеспечение разрабатывали я и моя команда. Систему обработки данных помогали делать привлеченные коллеги-кибернетики. Моделирование, постановку сцен и прочую техническую начинку разрабатывали студенты.

Монитор. При исследовании мы использовали очки, в которых пациент видит задания. Но это дорогое устройство, поэтому проще использовать монитор компьютера или телевизор.

Система безмаркерного захвата движений. Мы пробовали 3D-камеру Intel RealSense и контроллер Leap Motion. Остановились на первой. Устройство позволяет воссоздать модель всего тела человека или, например, только его руки. С помощью этой модели можно контролировать движения в пространстве и взаимодействовать с виртуальными объектами. Система регистрирует координаты положения частей тела, воссоздавая эффект биологической обратной связи.

Приложение. Его устанавливают, чтобы связать игру с акселерометром, который встроен в каждый смартфон. Это дополнительный способ оценки функции баланса у пациента. Для этого телефон кладут в карман (лучше в нагрудный) и выполняют упражнения стоя, например ходьбу на месте.

Во время реабилитационной тренировки пациент выполняет действия, которые диктует ему сценарий игры. Последовательность упражнений и конкретные задания нам помогали составлять врачи-неврологи. Сейчас готово четыре задания. Три — на верхние конечности и одно на сохранение баланса при ходьбе.

Данные о положении частей тела и об ускорении движений программа передает в реабилитационный центр лечащему врачу. По набору физиологических параметров тот оценивает состояние пациента и корректирует набор упражнений.

Когда у пациента заметен прогресс, появляются дополнительные упражнения.

При отрицательной динамике пациент возвращается на уровень ниже. Сейчас это делает врач, мы хотим, чтобы система в будущем меняла программу самостоятельно.

Наша разработка в перспективе позволит собирать персонализированную программу реабилитации для каждого конкретного случая и оценивать, насколько эффективно пациент выполняет задания.

Провели исследования и подтвердили эффект

Говорить о широком применении подобных технологий можно будет после получения большого объема клинических данных. В 2020 году мы провели научное исследование с участием пациентов, которые перенесли ишемический инсульт.

Нервные клетки не могут делиться. Те клетки, которые погибают при инсульте, — не восстанавливаются. Но у нервной системы есть так называемый эффект пластичности, который проявляется в двух вариантах восстановления функций мозга:

  • соседние клетки берут на себя функцию погибших;
  • глиальные клетки мигрируют и превращаются в нервные клетки.

Из 50 пациентов 21 человек сначала прошел классическую реабилитацию, а затем 10 дней тренировки с нашей разработкой, 14 прошли только тренировки с Dr. Numo, а остальные 15 только наблюдались.

В исследовании приняли участие три группы (и контрольная группа здоровых участников). Было три этапа и четыре контрольные точки, в которых измеряли результаты
В исследовании приняли участие три группы (и контрольная группа здоровых участников). Было три этапа и четыре контрольные точки, в которых измеряли результаты
В исследовании приняли участие три группы (и контрольная группа здоровых участников). Было три этапа и четыре контрольные точки, в которых измеряли результаты

Чтобы оценить процессы пластичности в организме пациентов, у каждого испытуемого на первый и 14 дни после инсульта, а также до начала и после окончания реабилитации брали анализ крови и измеряли концентрацию нейротрофического фактора мозга (BDNF).

BDNF — это белок, стимулирующий и поддерживающий развитие нейронов. Его повышение говорит, что клетки активно замещают погибшие или берут на себя их функцию.

Это научный метод. Для сравнения провели то же исследование с участием 50 здоровых людей того же возраста.

В первые часы реабилитации проводят вертикализацию пациента — плавный переход из лежачего положения в вертикальное. После инсульта включаются компенсаторные процессы головного мозга, и концентрация нейротрофического фактора в крови растет. Затем показатель падает — это видно в точке 3 на графике.

Далее мы подключили в исследование реабилитацию с нашей разработкой. В результате обнаружили, что уровень BDNF у групп пациентов, которые занимались с Dr. Numo, в три раза выше, чем у пациентов, которые только наблюдались.

По вертикальной оси показана динамика белка BDNF, по горизонтальной оси — четыре контрольные точки. Каждый прямоугольник показывает результаты группы, а черта в нем — медианное значение: синий — физиопроцедуры и Dr. Numo, зеленый — Dr. Numo, оранжевый — только наблюдение, голубой — контрольная группа здоровых людей
По вертикальной оси показана динамика белка BDNF, по горизонтальной оси — четыре контрольные точки. Каждый прямоугольник показывает результаты группы, а черта в нем — медианное значение: синий — физиопроцедуры и Dr. Numo, зеленый — Dr. Numo, оранжевый — только наблюдение, голубой — контрольная группа здоровых людей
По вертикальной оси показана динамика белка BDNF, по горизонтальной оси — четыре контрольные точки. Каждый прямоугольник показывает результаты группы, а черта в нем — медианное значение: синий — физиопроцедуры и Dr. Numo, зеленый — Dr. Numo, оранжевый — только наблюдение, голубой — контрольная группа здоровых людей

Результаты групп, обозначенных синим и зеленым прямоугольниками, мы объединяем, так как в обоих случаях применяли реабилитация Dr. Numo. На графике видно, что физиопроцедуры практически не влияют на пластичность мозга — мы брали их для сравнения в исследовании.

Полученные результаты говорят, что двигательная реабилитация положительно влияет на процессы пластичности в центральной нервной системе при раннем восстановлении после инсульта легкой и средней тяжести.

Шкала Фугл-Мейера (FMA) это всемирно известный и наиболее изученный набор тестов на работу мышц, равновесие, болевую чувствительность, амплитуду движений и рефлексы в период восстановления после инсульта. Максимальное количество баллов — 250. Группы проходили измерения в четырех контрольных точках
Шкала Фугл-Мейера (FMA) это всемирно известный и наиболее изученный набор тестов на работу мышц, равновесие, болевую чувствительность, амплитуду движений и рефлексы в период восстановления после инсульта. Максимальное количество баллов — 250. Группы проходили измерения в четырех контрольных точках
Шкала Фугл-Мейера (FMA) это всемирно известный и наиболее изученный набор тестов на работу мышц, равновесие, болевую чувствительность, амплитуду движений и рефлексы в период восстановления после инсульта. Максимальное количество баллов — 250. Группы проходили измерения в четырех контрольных точках

Показываем примеры упражнений

  1. Задача пациента —  в определенном порядке нажать на изображения разноцветных кубиков, сгибая руку в плече и локте. Каждый раз в конце упражнения нужно возвращать руку в исходное положение.

2. В задании на статическую работу мышц пациенту нужно четко обрисовать геометрическую фигуру.

3. В задании на контроль захвата предметов кистью нужно сжимать предметы, которые летают в воздухе.

Выделили главный плюс Dr. Numo

После инсульта первичная реабилитация в больницах — вертикализация. Дальше обычно пациенты предоставлены сами себе. Они могут обратиться по квоте в клинику.

Если человек будет заниматься очно, ему придется ездить в клинику или приглашать реабилитолога домой. Последнее может стоить и 3000, и 8000 рублей за занятие в зависимости от города и квалификации специалиста.

Если человек будет заниматься самостоятельно, это тоже может давать хороший эффект. Вопрос в том, будет ли у него мотивация и понимание, что он делает все правильно.

Главный плюс Dr. Numo — он дает пациенту обратную связь. Когда выздоравливающий видит прогресс, ему проще и интереснее заниматься, а эффект ярче.

По предварительным подсчетам курс реабилитации с Dr. Numo будет стоить для пациента около 40 тысяч рублей. Но пока мы рассматриваем разные варианты, например, аренду системы с подпиской на использование игры.

Есть еще ряд заболеваний, для которых будет полезна разработка, но у нас пока нет конкретных исследований. Это состояния, вызванные рассеянным склерозом, различные детские заболевания типа ДЦП. Возможно, болезнь Паркинсона, хотя в этом случае речь идет не о восстановлении, а скорее о компенсации. Плюс возможна реабилитация после некоторых видов травм.

Среди подобных продуктов мы выделяем i-BrainTech — игру, которая позволяет восстановить двигательные функции, только для работы используется не камера, а сенсорный ЭЭГ-шлем. В Швейцарии есть MindPod Dolphin — установка для домашней реабилитации под контролем медиков. Но по технологиям и списку диагнозов они не прямые наши конкуренты
Среди подобных продуктов мы выделяем i-BrainTech — игру, которая позволяет восстановить двигательные функции, только для работы используется не камера, а сенсорный ЭЭГ-шлем. В Швейцарии есть MindPod Dolphin — установка для домашней реабилитации под контролем медиков. Но по технологиям и списку диагнозов они не прямые наши конкуренты
Среди подобных продуктов мы выделяем i-BrainTech — игру, которая позволяет восстановить двигательные функции, только для работы используется не камера, а сенсорный ЭЭГ-шлем. В Швейцарии есть MindPod Dolphin — установка для домашней реабилитации под контролем медиков. Но по технологиям и списку диагнозов они не прямые наши конкуренты

Ищем партнера, чтобы запустить стартап

Как университетская команда, мы можем заниматься наукой, можем привлекать деньги на НИР, но я не знаю таких случаев, когда вуз самостоятельно выпустил коммерческий продукт для медицинского применения и занимался его продвижением. Для этого нужен индустриальный партнер.

Мы идем на Архипелаг 2121, чтобы найти партнера или организацию, с которой сможем совместно составить траекторию развития. Мы уже провели часть научно-исследовательских работ — то, что финансируется стандартными грантами на НИР, например, Российского научного фонда.

Пора переходить на НИОКР. Инструментов для этого у нас в стране не так уж много. Это либо Фонд содействия инновациям, либо 218-е постановление правительства. Мы больше ориентируемся на ФСИ и ищем организацию, владеющую компетенциями в области разработки компьютерных игр, которая выступит в качестве наших коллаборантов и поможет сформировать совместную заявку. Мы, в свою очередь, возьмем на себя часть работы в качестве соисполнителя.

На той стадии, на которой мы находимся, нам нужна компания, которая занимается разработкой компьютерных игр и с которой мы сможем перейти от MPV к полноценному продукту, готовому для внедрения в широкое использование.

СибГМУ аккредитован как центр клинических исследований, поэтому мы берем на себя задачи, связанные с разрешительной документацией, оценкой эффективности и безопасности применения разработок.

Компания Nintendo выпустила игру Ring Fit Adventure. У нее не медицинское применение, но очень хорошо проработанная модель применения, тиражируемая на задачи медицинской реабилитации
Компания Nintendo выпустила игру Ring Fit Adventure. У нее не медицинское применение, но очень хорошо проработанная модель применения, тиражируемая на задачи медицинской реабилитации
Компания Nintendo выпустила игру Ring Fit Adventure. У нее не медицинское применение, но очень хорошо проработанная модель применения, тиражируемая на задачи медицинской реабилитации
У нас есть жизнеспособный прототип, понимание, как это работает и все шансы пройти «долину смерти» — этап от MVP до монетизации, на котором погибает большинство стартапов.

Но у нас нет профессионалов, которые сделали бы готовый успешный на рынке продукт. В то же время у профессионалов, которые знают, как делать продукт, нет понимания, как доводить его до реального применения. А у нас есть и понимание, и конкретный опыт.