Technologie medyczne przyszłości
A wszystko przez szybki rozwój technologii i sprzętu medycznego. Lekarze, których wykształcenie jest wystarczająco kosztowne i długotrwałe, coraz bardziej potrzebują specjalistów technologicznych.
Według brytyjskiej agencji zajmującej się lekami i produktami medycznymi, tylko w 2013 r. na Wyspach aż 300 zgonów i 5 tys. poważnych uszkodzeń ciała u pacjentów spowodowanych było problemami technicznymi z aparaturą medyczną.
Zabiegi i operacje nie odbywają się lub są przekładane m.in. z powodu braku umiejętności obsługi sprzętu. Nowoczesna technologia zaczyna odgrywać kluczową rolę w służbie zdrowia. Jak w tej sytuacji wyglądać będzie przyszłość medycyny?
Najpopularniejszej ostatnio na świecie odpowiedzi na to pytanie udzielił dr Bertalan Meskó, w swojej książce "The Guide to the Future of Medicine" (1). Wyróżnił w niej 22 trendy (2), które decydować będą o przyszłości w opiece medycznej i leczeniu chorób. Nie wszystkie dotyczą ściśle techniki.
Niektóre brzmią jednak naprawdę intrygująco, np. elementy gier zdrowotnych lub biotechnologie typu "zrób to sam". Większość przewidywań zgadza się z tym, o czym piszemy w niniejszym numerze MT.
Poczesne miejsce zajmują więc m.in.: wykorzystanie rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości, telemedycyna, roboty chirurgiczne i humanoidalni opiekunowie, czujniki wszczepione do organizmu, rewolucja druku 3D, protezy i egzoszkielety nowej generacji, decyzje medyczne wydawane przez sztuczną inteligencję czy nanoroboty mieszkające na stałe w naczyniach krwionośnych.
W poszukiwaniu sprzętu ze "Star Treka"
Bieżący kierunek rozwoju nowoczesnych technologii medycznych widać dobrze w konkursie Qualcomm Tricorder XPRIZE (3). Znana na rynku mobilnym firma Qualcomm oferuje w nim 10 mln dolarów nagrody za stworzenie przenośnego i wygodnego w użyciu urządzenia, które pozwoli pacjentowi samodzielnie rozpoznać u siebie objawy ewentualnej choroby, zdiagnozować problem i nawiązać kontakt z lekarzem w taki sposób, aby możliwa była pomoc na odległość.
Nazwa "Tricorder" to nawiązanie do wygodnego wielofunkcyjnego urządzenia znanego z serialu "Star Trek", dzięki któremu bohaterowie sagi mogli skanować dane, analizować je i zapisywać.
Cechą urządzenia była uniwersalność i możliwość zastosowania w wielu różnych sytuacjach, również typowo medycznych.
Właśnie taki typ urządzenia jest marzeniem inżynierów-wizjonerów w dziedzinie medycyny. Za jednego z faworytów w tej rywalizacji uznawany jest Scanadu Scout (4), urządzenie do analiz biomedycznych, synchronizujące swoją pracę ze smartfonem lub laptopem.
Przypomina mały zasilacz lub dysk przenośny. "Robocze" części to czujnik podczerwieni, czyli termometr i skaner fotopletyzmograficzny do pomiaru mikrokrążenia krwi, który wraz z urządzeniem do mierzenia pulsu działa także jako aparat do określania ciśnienia lub nawet przeprowadzania badania EKG.
Do wyposażenia należy zespół czujników nakładanych na palec wskazujący i kciuk. W rozbudowanej wersji w Scanadu Scout znajduje się także mikromiernik laserowy, umożliwiający odczytywanie prostych analiz, np. krwi.
Jak poinformował dr Alan Greene, odpowiedzialny za aspekty medyczne projektu, Scout jest w stanie wykryć bakterie lub krew w plwocinie i moczu, a w przypadku analizy tego ostatniego także białko i cukier oraz kryształy szczawianowe.
Zestaw "domowy lekarz" Scanadu przekazuje dane o wynikach testów ze wszystkich urządzeń pomiarowych za pomocą nadajnika Bluetooth do smartfona albo laptopa, na których zainstalowane jest oprogramowanie analityczne, zbierające dane i przetwarzające je "w chmurze", generując jednocześnie sugestie dotyczące leków, które mogą pomóc, i podsuwając kontakty do lekarzy specjalistów.
Aplikacja może informować także np. o liczbie podobnych objawów w okolicy, sugerując w razie potrzeby, że być może pojawiła się lokalna epidemia. Informacje o pulsie, ciśnieniu i temperaturze użytkownik widzi po 10 sekundach na wyświetlaczu smartfona lub na komputerowym ekranie. Scanadu Scout współpracuje z urządzeniami mobilnymi pracującymi w systemie iOS i Android oraz z systemem Windows.
iPad na sali operacyjnej
Informacja o tym, że zespół niemieckich chirurgów z instytutu Fraunhofer MEVIS z Bremy, przeprowadził operację wątroby, posiłkując się aplikacją na iPadzie, niektórych może zaszokować. Jednak medyczne zastosowanie technologii tabletowej to wcale nie taka znowu nowość, jak mogłoby się wydawać.
Aplikacja użyta przez Niemców wykorzystuje technologię typu AR - augmented reality (rozszerzona rzeczywistość). Przeznaczona do operacji wątroba została najpierw zeskanowana w technice rezonansu magnetycznego i sfotografowana za pomocą iPada.
Warstwę obrazu z rezonansu nałożono na fotografię wątroby. Lekarze twierdzą, że za pomocą takiej interaktywnej "mapy" organu znacznie łatwiej jest im lokalizować np. guzy w procedurze przedoperacyjnej.
Twórcy aplikacji mają nadzieję na dalszy rozwój technologii obrazowania w rozszerzonej rzeczywistości, który pozwoli chirurgom na efektywne "przeszukiwanie" innych organów ludzkiego ciała.
Wygodniejsze niż tablet mogą być dla chirurga gogle skonstruowane w medycznej szkole uniwersytetu w St. Louis, w Stanach Zjednoczonych. Działają trochę jak słynne Google Glass i przeznaczone są dla operujących lekarzy, służąc im pomocą w wizualizacji komórek rakowych.
Aby chirurg mógł ujrzeć na obrazie wyświetlanym mu przez gogle zasięg i natężenie występowania komórek raka, do ciała pacjenta trzeba wprowadzić fluorescencyjny marker, który "oznacza" wizualnie owe komórki na niebiesko.
Technologia została już przetestowana przez chirurga, dr Julie Margenthaler, podczas rzeczywistej operacji w szpitalu Barnes-Jewish Hospital (5). Lekarze i projektanci chirurgicznych gogli AR mają nadzieję, że wynalazek ten pozwoli wyeliminować konieczność dodatkowego operowania pacjenta chorego na raka.
Jak bowiem podaje doktor Margenthaler, w ok. 20-25 procentach przypadków usuwania guzów w piersiach, potrzeba jest potem kolejnej, dodatkowej operacji, gdyż obecna technologia nie ukazuje dokładnie zasięgu komórek rakowych.
Całkiem podobną funkcję, lecz w inny nieco sposób, spełniać ma inteligentny skalpel iKnife (6). Ten nóż chirurgiczny sam natychmiast rozpoznaje, czy tkanka, którą kroi, jest rakowa czy zdrowa.
Urządzenie skonstruował Węgier Zoltán Takáts, wespół z brytyjskimi kolegami z londyńskiego Imperial College.
Można powiedzieć, ze urządzenie działa "na węch", gdyż rozpoznawanie typu tkanki przebiega przez analizę dymu, który unosi się wokół organów ciętych narzędziami chirurgicznymi.
iKnife za pomocą spektrometru rozpoznaje różnice w składzie chemicznym oparów. Zaletą noża jest jego zdolność do rozpoznawania tkanki w czasie nieomal rzeczywistym. Tradycyjne metody wymagają dłuższych analiz, co przedłuża czas operowania pacjenta.
Kto nie chodzi, ten wstanie
System ReWalk (7) jest szkieletem noszonym w formie ubrania, które pomaga chodzić osobom po urazie rdzenia kręgowego - a czyni to za pomocą wprawiania w ruch bioder i kolan.
System ReWalk stworzył izraelski przedsiębiorca Amit Goffer, który sam po doznanym wypadku trafił na wózek inwalidzki, bez szansy na powrót do sprawności. System ten latem ub. roku zyskał akceptację amerykańskiej rządowej Agencji Żywności i Leków (Food and Drug Administration).
"Ten rewolucyjny projekt będzie miał natychmiastowy wpływ na pacjentów z urazami rdzenia kręgowego i zmieni ich życie" - powiedział Larry Jasinski, prezes firmy ReWalk Robotics. Mobilność doceniliby również skazani na dializy.
Do testów klinicznych na terenie USA wchodzi właśnie przenośna aparatura do dializowania (tzw. sztuczna nerka). Nie jest to może tak wygodne i zminiaturyzowane urządzenie, do jakiego przywykli bywalcy świata smartfonów i tabletów, jednak dla każdego, kto zna uciążliwości związane ze szpitalnymi dializami, jego wprowadzenie na rynek byłoby prawdziwą rewolucją.
Wearable Artificial Kidney (WAK) to prototyp w formie zakładanego na tułów pasa, który waży ok. 4,5 kg (8). Spełnia takie same funkcje jak stacjonarny, szpitalny sprzęt do dializy, czyli filtruje krew pacjentów, których nerki nie pracują tak, jak powinny.
Miniaturyzacja sprzętu możliwa była dzięki zmniejszeniu ilości potrzebnej w procesie wody - z ponad 150 litrów do zaledwie mniej więcej pół litra! WAK to koncepcja licząca sobie już prawie dekadę. Powstała w Centrum Medycznym Cedars-Sinai w Los Angeles.
Prace nad skonstruowaniem przenośnej aparatury do dializy trwały wiele lat. Pod koniec roku mają się rozpocząć testy na grupie wyselekcjonowanych pacjentów, którzy będą nosić sprzęt na sobie, przemieszczając się po centrum medycznym.
Oko na glukozę, ząb na nikotynę
Rok temu Google poinformowało na swoim blogu o tym, że pracuje nad soczewkami kontaktowymi, które będą w stanie "mierzyć poziom glukozy przy wykorzystaniu małego bezprzewodowego chipa i zminiaturyzowanego czujnika glukozy, umieszczonych między dwoma warstwami miękkiego materiału, z którego złożone jest szkło".
Wynalazek jest na razie w fazie testów, ale gdyby wszedł na rynek, mógłby odmienić życie setek tysięcy osób cierpiących na to uciążliwe schorzenie. Nie musiałyby one stale monitorować poziomu glukozy za pomocą niewygodnych urządzeń i testów.
Szkła Google’a mają uczynić proces sprawdzania stanu cukru znacznie mniej uciążliwym. Wywodzą się z badań nad wykorzystaniem łzawienia człowieka do testowania glukozy w organizmie. W soczewkach zastosowano miniaturowe diody LED, które świecą, aby informować o zbyt wysokim lub niskim poziomie cukru.
Zostały zaprojektowane w laboratoriach Google X. Sensor tego typu można umieścić na oku, ale można i w zębach. Zdaniem tajwańskich naukowców, sensor z łącznością Wi-Fi zainstalowany na zębie ma sens.
Mógłby bowiem skutecznie monitorować sposób, w jaki właściciel zębów się odżywia i np. czy za dużo nie pali. To z kolei pomogłoby walczyć ze szkodliwymi dla zdrowia nawykami.
Opracowany przez specjalistów z Tajwańskiego Uniwersytetu Narodowego czujnik potrafi rozpoznać i odróżnić od siebie procesy takie, jak: jedzenie, picie, palenie, mówienie, kaszel i nawet oddychanie. Informacje przekazywane są do bazy medycznej i mogą być podstawą wydawania diagnoz oraz porad lekarskich (9).
Ranny z pianką w brzuchu
Nie tylko wszechobecna elektronika, ale również kreatywne technologie materiałowe mogą zmienić oblicze medycyny - zwłaszcza w tak dramatycznych okolicznościach jak wojna.
Inżynierowie pracujący dla amerykańskiej agencji wojskowej DARPA, znanej z wybiegających w przyszłość projektów, opracowali piankę chirurgiczną, która formuje się po zaaplikowaniu przez pępek i tamuje krwotoki wewnętrzne.
Głównym celem tej substancji, która zastyga w ciele jako pianka w postaci stałej, jest powstrzymanie utraty krwi u rannego przez odpowiednio długi czas, np. do momentu przybycia zespołu medycznego.
Nie było do tej pory skutecznych sposobów na zatrzymanie krwawienia wewnętrznego w warunkach polowych i właśnie ten wynalazek ma to zmienić. Pianka chirurgiczna to efekt prac instytutu Arsenal Medical w Massachusetts. Powstaje w wyniku chemicznej reakcji mieszania dwóch ciekłych substancji wstrzykiwanych do ciała rannego.
Tworząca się w ten sposób masa o stałej konsystencji wywiera ciśnienie na wewnętrzne organy chorego, co ma prowadzić do powstrzymania krwotoku przynajmniej na trzy godziny, zanim uda się dotrzeć do szpitala, gdzie chirurg może łatwo usunąć zestalony kawał pianki i zacząć operację.
Bez bólu i bez śladu
Inną ciekawą kategorią innowacji są całkowicie nieinwazyjne zastrzyki, nawet w najmniejszym stopniu nienaruszające tkanek. Według nowej analizy "Bezigłowe szczepionki Nanopatch" (10), przeprowadzonej przez globalną firmę doradczą Frost & Sullivan, choć branża urządzeń bezigłowych stanowi niewielki ułamek całego rynku urządzeń do podawania leków, to w ciągu kolejnych 5 do 10 lat będziemy świadkami gwałtownej zmiany w sektorze szczepionek.
Napędzi ją rozwój systemów działających przez skórę i doskórnych (takich jak plastry czy też biodegradowalne implanty rozkładające się w ciele człowieka), a także szybkorozpuszczalnych szczepionek w tabletkach, inhalatorów oraz metod podawania dopłucnego.
Choć niektóre bezigłowe formy podawania szczepionek - takie jak wstrzykiwanie strumieniowe, pistolety genowe czy mikroigły - są już w użyciu, to uszkodzenie komórek, jakie one wywołują oraz niemożność bezpośredniego podania szczepionki w stałej dawce, sprawia, że metody te są niewydajne.
Najnowszym prezentem dla medycyny - i być może dla wielu innych dziedzin życia - od grupy naukowców amerykańskich, koreańskich i chińskich, są supercienkie układy elektroniczne, rozpuszczające się po spełnieniu swojej funkcji w ludzkim organizmie.
Podczas eksperymentów wykorzystywano je m.in. do ogrzewania zranionego miejsca, chronionego w ten sposób przed infekcjami bakteryjnymi. Elektroniczne plasterki zbudowane są z krzemowych półprzewodników i tlenku magnezu.
Jako osłony dla elektronicznych obwodów służą warstewki jedwabiu. Wynalazek topniejących układów elektronicznych to część szerszych badań nad tzw. ulotną elektroniką - czy, jak kto woli, "tymczasową" (transient electronics).
W tej nowej gałęzi nauki i technologii oczekuje się od mikrourządzeń zachowania zgoła odwrotnego niż w tradycyjnej elektronice, w której cenione były trwałość i odporność na warunki otoczenia.
W elektronice rozpuszczalnej chodzi o to, aby miniukład po wykonaniu swojej pracy rozpłynął się bez żadnych niepożądanych skutków ubocznych dla otoczenia. Podstawowy budulec układów scalonych - krzem - wchodzi w związki chemiczne, które w końcu rozpuszczają się w wodzie.
Jednak przy tradycyjnych rozmiarach układów elektronicznych dezintegracja zajęłaby bardzo dużo czasu. Dlatego naukowcy opracowali technikę konstrukcji chipów z wyjątkowo cienkich warstw, zwanych nanomembranami.
Rozpuszczają się w ciągu kilku dni lub tygodni. O tym, jak długo trwa ten proces, decydują właściwości warstwy jedwabiu, którą powleka się układy.
A właściwościami tymi badacze potrafią sterować, czyli przez dobranie odpowiednich parametrów warstwy decydować, jak długo pozostanie ona trwałą ochroną dla układu.
Naukowcy przeprowadzili eksperymenty na szczurach, którym aplikowano w miejscu zranienia rozpuszczalne chipy, z zadaniem ochrony przed infekcją.
Innym możliwym zastosowaniem nowej technologii, również w lecznictwie, jest stopniowe aplikowanie leków przez rozpuszczający się w sposób kontrolowany chip umieszczony w organizmie chorego w wyznaczonym miejscu.
Niedawno specjaliści pracujący nad rozpuszczalną elektroniką na Uniwersytecie Illinois w USA opracowali technologię budowy obwodów elektronicznych, które rozpuszczają się po wykonaniu swoich zadań w wodzie, nie pozostawiając żadnych uciążliwych środowiskowo substancji (11).
Elektronika tego typu miałaby zastosowanie przede wszystkim w nowoczesnej medycynie. Komunikaty napływające z uczelni nie precyzują, o jaki rodzaj materiałów chodzi i na czym dokładnie polega nowa technologia.
Jak podkreśla profesor John A. Rogers, kierujący zespołem pracującym nad rozpuszczalnymi układami elektronicznymi, "wyniki pierwszych testów są niezwykle obiecujące - może powstać zupełnie nowa klasa urządzeń elektronicznych."
Naukowcy zamierzają zbudować z nowych materiałów elektroniczne sensory monitorujące stan tkanek po operacjach. Takie urządzenia znikałyby po wykonaniu swojej pracy - gdy rana się zagoi i organizm powróci do normalnego stanu. W planie jest też skonstruowanie chipów, które dostarczałyby leki w ściśle zaprogramowany sposób.
Sztuczna inteligencja na razie się uczy
Jednym z mocnych filarów przyszłości w medycynie ma być wprowadzenie do niej sztucznej inteligencji, a w konsekwencji dopuszczenie do procesu leczenia również podejmowanych przez nią decyzji.
Często podawanym w tym kontekście przykładem jest komputer Watson, skonstruowany przez IBM, zdolny do natychmiastowego korzystania z ogromnych zasobów danych przy jednoczesnych zdolnościach szybkiego uczenia się.
Współpracuje on z jednym z onkologicznych centrów w Nowym Jorku. To na razie program pilotażowy, ale obejmuje prawdziwych pacjentów ze schorzeniami onkologicznymi. Watson przeszedł test kompetencji, któremu normalnie poddawani są lekarze.
Docelowo ma pracować jako pełnoprawny konsultant, który pomoże określać najwłaściwsze rodzaje terapii na podstawie analizy przypadków i fachowych pism medycznych. Na razie to lekarze uczą jego, korygując błędy w diagnozach, które zdarza mu się popełniać.
Wkrótce, być może, role się odwrócą. Czy sztuczna inteligencja będzie też leczyć? Logicznie rzecz biorąc, nie ma zasadniczych przeciwwskazań. Jednak chyba musi upłynąć trochę płynów ustrojowych w naczyniach, abyśmy przywykli do tej myśli.
