Александра Крстевска
Апстракт
Медицината низ историјата постојано се развивала, но нејзиниот напредок најчесто бил бавен и ограничен од достапните технологии. Лекувањето се засновало на искуството на лекарите и основните дијагностички алатки, со ограничени можности за интервенција кај посложени здравствени проблеми.
Денес, со појавата на вештачката интелигенција, медицината станува многу понапредна. Современите технологии овозможуваат понапредна дијагностика, персонализирани третмани и дури замена или надградба на одредени човечки органи со бионички уреди. Во оваа семинарска работа накратко ќе се прикаже трансформацијата на медицината со помош на вештачката интелигенција, како и можностите кои би ги имале во иднина.
1. Вовед
Технолошките достигнувања во последните децении значително го променија начинот на кој го гледаме човечкото тело и неговите можности. Вештачката интелигенција и бионичките уреди денес го подобруваат квалитетот на живот, ги обновуваат оштетените функции и ги прошируваат човечките способности.
Во оваа семинарска работа ќе разгледаме како вештачката интелигенција сѐ повеќе се интегрира во медицината и кои се нејзините најзначајни технолошки достигнувања. Ќе го разгледаме историскиот развој на бионичките уреди, нивната примена денес, како и визиите за иднината. Особено внимание ќе посветиме на начините на кои вештачката интелигенција придонесува за персонализирана медицина и подобрување на квалитетот на живот. Преку ова истражување ќе се обидеме да добиеме појасна слика за тоа колку сме блиску до тоа човекот и машината да станат неразделни.
2. Историски преглед на вградливите медицински уреди
Развојот на вградливите медицински уреди започнал во втората половина на 20 век, кога медицината првпат почна активно да ги комбинира инженерските решенија со човечката физиологија. Еден од првите и најзначајни пробивки била имплантацијата на пејсмејкер.
Во 1958 година, шведскиот инженер Руне Елмквист и кардиохирургот Оке Сенинг создадале експериментален пејсмејкер кој бил вграден во пациентот Арне Ларсон. Ларсон, кој страдал од сериозно нарушување на срцевиот ритам поради вирусна инфекција, со помош на овој уред успеал да води нормален живот уште неколку децении по операцијата. Овој настан означил нова ера во кардиологијата и медицината со импланти.
Неколку години подоцна, во 1978 година, бил вграден првиот кохлеарен имплант, кој бил дело на професорот Грејм Кларк и неговиот тим од Универзитетот во Мелбурн. Кохлеарниот имплант претставувал револуција во третманот на глувоста, бидејќи овозможил електрична стимулација на нервот за слушање и со тоа вештачко перцепирање на звукот кај лица кои претходно биле целосно глуви.
Овие два уреди не само што ја покажале можноста за вградување електронски делови во човечкото тело, туку и го овозможиле идниот развој на бионичката медицина, каде што технологијата и биологијата стануваат неразделни партнери.
3. Развој на паметни вградливи уреди
Со првите успешни вградливи медицински уреди како пејсмејкерот и кохлеарниот имплант, почнале да се развиваат пософистицирани технологии. Со текот на времето, вградувањето електронски уреди во човечкото тело стана рутина во модерната медицина. Вештачката интелигенција (AI) донесе нова генерација на паметни вградливи уреди, кои не само што ги обновуваат, туку и активно ги следат и оптимизираат функциите кај човекот.
Еден од најважните примери за современи
паметни уреди се сензорите за гликоза кои
се вградуваат кај лицата со дијабетес. Овие
уреди постојано го мерат нивото на шеќер во
крвта и автоматски ги испраќаат податоците
до надворешен уред или паметен телефон,
овозможувајќи им на пациентите навремено
да реагираат без потреба од чести мерења.
Слика 3. Сензори за гликоза
Друг значаен напредок е стимулацијата на
френичниот нерв за враќање на способноста
за дишење кај пациенти со нарушена функција
на дијафрагмата. Слични системи се користат
и за стимулација на сакралниот нерв за
третман на уринарни нарушувања, покажувајќи
ја широката примена на бионичките уреди во
различни медицински области.
Слика 4. Уред за симулација
на френичниот нерв
Научниците постојано работат на развивање нови паметни импланти. Тимот предводен од професорот Марк Кук развива вграден уред под скалпот на човекот кој континуирано ги следи мозочните активности со цел подобра дијагноза и
предвидување на епилептични напади. Со употреба на AI алгоритми, овој уред не само што ги регистрира промените, туку и предвидува можни напади, овозможувајќи навремено преземање мерки за заштита на пациентите.
Паралелно со тоа, значителен интерес предизвикуваат проектите за бионички очи. Различни истражувачки групи, како што се Bionic Vision Technologies и Monash Vision Group од Австралија, развиваат импланти што имаат за цел враќање на видот кај слепи лица. Некои импланти директно ја стимулираат мрежницата, додека други воспоставуваат врска со мозокот, подобрувајќи ги оштетените делови како што е оптичкиот нерв.
Развојот на паметни вградливи уреди ја наметнува и потребата за создавање на подобри материјали за нивно производство. Проблемот со традиционалните метални импланти е што телото често ги препознава како туѓи објекти, што може да доведе до формирање на лузни и намалување на ефикасноста на уредите. Затоа се истражуваат нови полимерни материјали и хидрогели што имитираат природни ткива, со цел подобро биолошко прифаќање и подолг рок на функционирање.
Насоката во која се движи развојот е комбинирање на AI со биоматеријали за да се создадат уреди што можат не само да се адаптираат на телото, туку и сами да учат од биолошките сигнали и да го оптимизираат своето функционирање со текот на времето.
4. Човек-машина интерфејси: Интеграција на мозокот со технологија
Една од највозбудливите насоки во развојот на бионичките технологии е поврзувањето на мозокот директно со вештачки уреди. Овие технологии, познати како интерфејси мозок-машина (Brain-Machine Interfaces – BMI), овозможуваат комуникација помеѓу невронските сигнали и компјутерски или механички системи, создавајќи нов начин на интеракција со светот за луѓето со физички ограничувања.
Основната идеја на човек-машина интерфејсите е едноставна: да се „прочитаат“ мозочните сигнали кои мозокот природно ги создава при размислување или намери за движење, и тие сигнали да се користат за управување со уреди како што се роботски раце, компјутери или инвалидски колички.
Еден од најпознатите проекти во оваа област е BrainGate, кој користи мал чип вграден во кортексот на мозокот, овозможувајќи на пациенти со парализа да движат курсор на екран или да контролираат роботска рака само со мисла.
Слика 6. Парализиран човек ја движи својата рака со неговите мисли
Уште еден импресивен пример е работата на компанијата Neuralink, основана од Илон Маск, која развива ултраминијатурни сензори што можат да снимаат и стимулираат мозочни активности со висока резолуција. Целта е создавање на интерфејси со многу висока пропусност кои би овозможиле директна интеграција на човечката мисла со вештачка интелигенција и софтверски системи.
Овие технологии веќе покажуваат импресивни резултати:
• Пациенти со парализирани екстремитети успеваат да контролираат роботски раце доволно прецизно за да фаќаат предмети.
• Лица со тешки говорни нарушувања користат мозочни интерфејси за комуникација преку генерирање на текст или говор.
Сепак, предизвиците се сѐ уште значителни. Биолошката интеграција на сензорите со мозочното ткиво претставува ризик за воспаленија или оштетувања. Затоа, истражувачите работат на развој на сензори од биокомпатибилни материјали и за најмали уреди.
5. Носливи бионички технологии и нови дизајни
Носливите бионички технологии претставуваат една од најдинамичните области на современата бионика, која им овозможува на луѓето со физички оштетувања да ги обноват изгубените функции или да ги унапредат постоечките. Овие технологии комбинираат механички елементи, електроника и вештачка интелигенција за создавање уреди што можат да се носат на телото и да се контролираат со природни движења или мозочни сигнали.
Првите технологии на носливата роботика се појавија во форма на екзоскелети, дизајнирани за лица со парализа или слабост на мускулите. Овие екзоскелети, кои ги обвиваат екстремитетите и го поддржуваат движењето, денес се користат и за медицинска рехабилитација и за зголемување на физичката сила кај здрави лица.
Еден од најпознатите примери е Ekso Bionics, кој разви медицински екзоскелети што овозможуваат на лица со повреди на ‘рбетниот мозок повторно да одат со помош на компјутерски контролиран механички костур. Овие уреди користат сензори за следење на движењата на телото и ја прилагодуваат поддршката според потребите на корисникот.
Слика 7. Користење на екзоскелет – механички костур
Се развиваат и пософистицирани носливи бионички делови на телото. На пример, истражувачи од Универзитетот во Лондон создадоа „трет палец“ – роботски прст кој се поставува на страната на дланката и овозможува дополнителна способност
за фаќање и манипулација со предмети. Интересно е што мозокот брзо се адаптира на присуството на дополнителниот прст.
Нови дизајни, инспирирани од биометика, вклучуваат роботски раце што имитираат природни мускули, или системи што реагираат на промени во електричната активност на кожата (ЕМГ сензори), што дополнително ја зближува границата помеѓу технологијата и биологијата.
Овие напредоци на носливите уреди не само што ја враќаат изгубената подвижност, туку активно ја унапредуваат човечката функционалност, отворајќи нови можности за рехабилитација, работа, спорт и секојдневен живот.
6. Мека роботика: Нова парадигма во биониката Меката роботика претставува пристап во создавање на бионички екстремитети кои се способни да се приспособат кон природните движења на човекот, да чувствуваат удари и да обезбедат поудобно и побезбедно искуство за корисниците. Користи флексибилни, еластични материјали направени од биолошки ткива.
Првиот проект во оваа област е Natural BionicS од Институтот за технологија во Цирих (ETH Zurich), каде што тимот на професорот Мануел Џузепе Каталано работи на развој на бионички раце што се многу слични на природни мускули и зглобови. Овие уреди не само што можат да извршуваат сложени движења, туку и враќаат дел од сензорната перцепција преку тактилни сензори кои комуницираат со нервниот систем.
Слика 9. Бионичка рака направена од биолошко ткиво
Меката роботика овозможува:
• Подобра биокомпатибилност: меките материјали не ја оштетуваат кожата и ткивата;
• Поголема безбедност: уредите не предизвикуваат сериозни повреди при несакани удари;
• Помала потрошувачка на енергија: бидејќи материјалите се флексибилни, потребно е помалку енергија за да се изведат движењата.
Истражувањата покажуваат дека меките бионички екстремитети се особено корисни за лица со ампутации, бидејќи овозможуваат природно движење на зглобовите и поголема контрола на фаќањето предмети од различна форма и тежина.
Меката роботика исто така игра голема улога во развојот на нови типови протези и екзоскелети, кои се полесни и поприлагодливи на индивидуалните потреби на пациентите.
7.Дигитални двојници во медицината
Појавата на дигиталните двојници претставува една од најиновативните примени на вештачката интелигенција во модерната медицина. Дигитален двојник (Digital Twin) е виртуелна копија на реален објект или систем, која овозможува симулација, анализа и предвидување на неговото однесување.Од медицински аспект, тоа значи создавање на дигитална копија на човечкото тело или на одреден орган, со цел подобро разбирање на неговото функционирање и подобрување на третманите.
Со напредокот на технологијата за собирање податоци – како што се MRI скенери, сензори за биолошки параметри и генетски анализи – стана возможно да се создаде прецизен модел на еден пациент. Овој модел може да се користи за симулирање на различни сценарија: како телото би реагирало на одреден лек,
како би напредувала болеста или какви би биле ефектите од хируршка интервенција.
Испробување терапии: Лекарите можат да тестираат различни терапии врз виртуелниот модел пред да го применат вистинскиот третман на пациентот, намалувајќи го ризикот од несакани ефекти.
Предвидување на болести: Преку анализа на податоците, дигиталниот двојник може да предвиди можен развој на болест, овозможувајќи рано интервенирање.
Планирање на хируршки интервенции: Хирурзите можат да „вежбаат“ сложени операции на дигиталната копија на органите, зголемувајќи ја прецизноста и безбедноста на вистинските интервенции.
Континуирано следење: Со помош на сензори и паметни уреди, дигиталниот двојник може да се ажурира во реално време, прикажувајќи ја моменталната состојба на пациентот.
Еден познат пример е проектот на Siemens Healthineers кој развива дигитални двојници на срца, овозможувајќи детален увид во кардиоваскуларното здравје на индивидуални пациенти и прецизно моделирање на ефектите од третманите.
Вештачката интелигенција е клучна за функционирањето на дигиталните двојници. Со користење на напредни алгоритми за машинско учење, AI може да анализира огромна количина на податоци, да открива шеми кои не се очигледни за човекот и да генерира предвидувања со висока точност. Благодарение на AI, дигиталниот двојник не е само пасивна копија, туку активен систем што учи, се приспособува и предлага оптимални стратегии за третман.
Слика 11. Анализа на здравствени податоци преку AI и дигитален модел
И покрај големиот потенцијал, постојат предизвици поврзани со приватноста на медицинските податоци, стандардизацијата на моделите и потребата за постојано ажурирање на информациите. Како и кај сите напредни медицински технологии, мора да сме сигурни дека дигиталните двојници се користат етички и со цел за благосостојба на пациентите.
Во иднина, дигиталните двојници можеби ќе станат составен дел од секоја фаза на здравствената заштита – од рана дијагностика, преку превенција, до персонализирани терапии – трансформирајќи ја медицината од реактивна кон предиктивна наука.
8. Заклучок
Во оваа семинарска работа увидовме дека вештачката интелигенција и медицината постојано напредуваат, а тоа води кон создавање на се поинтелигентни и ефикасни медицински уреди. Истражувањето покажа дека веќе постојат бионички екстремитети, кохлеарни импланти и носливи уреди кои значително го подобруваат квалитетот на животот на пациентите. Со развојот на интерфејси помеѓу мозокот и машините, дигитални двојници и мека роботика, можеме да очекуваме уште поголеми достигнувања во иднина – вклучително и можноста за замена или подобрување на човечки органи и функции. Овие технологии не само што ќе ја олеснат рехабилитацијата, туку ќе овозможат и персонализирана медицина, подобра дијагностика и зголемена продуктивност во секојдневниот живот. Најважно е дека науката и технологијата веќе не се само поддршка за медицината – тие се движечка сила за нејзина трансформација, а со тоа и за подобра иднина за човештвото.
Библиографија
1) Wearable Robots in Healthcare: Applications, Benefits, Challenges and More: https://myacare.com/blog/wearable-robots-in-healthcare-applications-benefits challenges-and-more
2) Soft robotics in wearable and implantable medical applications: Translational challenges and future outlooks.
ai/articles/10.3389/frobt.2023.1075634/full
3) Revolutionizing healthcare: the role of artificial intelligence in clinical practice: https://bmcmededuc.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12909-023-04698-z 4) Recent applications of EEG-based brain-computer-interface in the medical field. Military Medical Research.
https://mmrjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40779-025-00598-z 5) Bionics: The Ethical Implications of Bionics: Balancing Innovation and Responsibility.
https://fastercapital.com/content/Bionics–The-Ethical-Implications-of-Bionics– Balancing-Innovation-and-Responsibility.html
6) Review: Advanced Drive Technologies for Bionic Soft Robots.
7) Brain-Computer Interfaces: What They Are and Why They Matter. https://www.news medical.net/health/Brain-Computer-Interfaces-What-They-Are-and-Why-They Matter.aspx
8) Digital twins in healthcare and drug discovery: From idea to success stories. https://pharmaphorum.com/digital/digital-twins-healthcare-and-drug-discovery idea-success-stories