Как цифровой двойник космонавта поможет решать медицинские проблемы в космосе

Директор научно-практического центра дистанционной медицины СамГМУ Андрей Гаранин о том, какие проблемы медобеспечения полета человека в космос до сих пор остаются нерешенными и какую пользу развитие космической медицины может принести гражданской

INNOVATIONS
19.07.2022 20:20
0
Как цифровой двойник космонавта поможет решать медицинские проблемы в космосе

В апреле этого года президент России Владимир Путин анонсировал возобновление “лунной” программы. Это значит, что впереди у космонавтов, а потом, возможно, и космических туристов, длительные полеты за пределы электромагнитной защиты Земли. Проблем, которые в этой связи нужно решить для защиты здоровья участников лунных миссий — десятки. Часть их них, считают в Самарском государственном медицинском университете (СамГМУ), может быть решена с помощью технологии цифрового двойника космонавта, разработку которой инициировал ВУЗ, биопринтинга в условиях невесомости или низкой гравитации и роботизированных хирургических систем. Какие проблемы медобеспечения полета человека в космос до сих пор остаются нерешенными и какую пользу развитие космической медицины может принести гражданской, INNOVATIONS рассказал директор научно-практического центра дистанционной медицины СамГМУ Андрей Гаранин.

– У NASA есть список из 100 состояний, которые могут возникнуть в глубоком космосе: от расслоения ногтей до остановки сердца. Какие проблемы важнее всего решить в контексте медицинского обеспечения нахождения человека на орбите?

– Действительно, несмотря на то, что люди летают в космос уже более 60 лет, многие медико-биологические проблемы, связанные с пребыванием человека в космосе, остаются нерешенными. В их числе, например, ранняя вертикализация космонавтов после возвращения в гравитационное поле Земли и предотвращение осложнений, связанных с их длительным нахождением в условиях гипогравитации других планет и невесомости.

Долгое время космонавты пребывают в условиях гиподинамии, в тесном космическом корабле, в замкнутом пространстве, без общения, поэтому после выхода из космического корабля они испытывают проблемы с опорно-двигательным и вестибулярным аппаратом: находятся в состоянии квадропедалии (хождение на четырех конечностях вместо привычных двух нижних вследствие нарушения шагательного рефлекса), а также могут проявляться некоторые проблемы в сфере нервной системы и психики. На восстановление костной ткани и объема мышечной массы после долгой командировки на орбиту уходят месяцы и даже годы.

Андрей Гаранин
 

В космосе меняются функции сердечно-сосудистой системы – они замедляются, перераспределяются жидкости, изменяется микробиом, кости декальцинируются, иммунная система «отключается» (микрогравитация вызывает значительные изменения в поведении иммунных клеток), подвергается перестройке гемостаз и гомеостаз в целом.

И если в отношении невесомости проведен достаточно большой пул исследований и определены факторы, вызывающие изменения в организме, то количество научных работ, посвященных влиянию на человека гипогравитации Луны, а тем более Марса, крайне малочисленно. Кроме того, необходимо учитывать характеристики условий внешней среды на поверхности Луны. Ведь, попадая на спутник Земли, человек, помимо действия гипогравитации (в 6 раз более низкая по сравнению с Землей сила притяжения), оказывается в очень агрессивных условиях: отсутствие газовой атмосферы, в том числе кислорода, близкое к нулю давление на поверхности и ее абсолютная незащищенность от воздействия радиационного излучения, практическое отсутствие магнитного поля, резкие перепады температуры (от -170 до +130 С), необычная для земных условий продолжительность лунного дня и ночи (по две недели), более регулярные (примерно два раза в месяц) и продолжительные по сравнению с Землей лунотрясения, микрометеоритные дожди и периодические столкновения с более крупными метеоритами, влияние реголита (мелкодисперсной пыли, покрывающей поверхность).

Решение данных проблем даст колоссальный толчок освоению космоса, но делать это необходимо в комплексе. Этим и планирует заниматься наш Центр.

Ранее мы провели фундаментальные научные исследования в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. При помощи центрифуги мы изучали периферическую гемодинамику, моделировали условия гипогравитации Луны и Марса, микрогравитацию и гравитацию Земли. Мы показали, что реакция каждого космонавта на различные гравитационные поля индивидуальна. Более того, у одного и того же испытуемого реакция может отличаться справа и слева на одноименных сосудах и быть вариабельной на разных уровнях артериального русла. Поэтому популяционный подход, используемый в доказательной медицине, для персонифицированной подготовки человека к полетам в космос не подойдет.

Когда я увидел эти данные, у меня родилась идея проработать цифровой двойник космонавта. Цифровой двойник космонавта или космического туриста – это совокупность тех показателей здоровья человека, которые можно количественно измерить, используя достижения современной прикладной и фундаментальной медицины. Это предполагает проведение исследования биомеханики кровообращения, центральной и периферической гемодинамики, микроциркуляции, эластических свойств артерий, функции эндотелия, показателей гемостаза, центральной и периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата, генома, метаболома, гликома, протеома и т.д. На выходе мы получим цифровой паспорт здоровья человека, в котором содержатся все эти показатели.

Это шаг в направлении набирающего обороты тренда – так называемой медицины 5П: персонализированной, прецизионной (точной), предиктивной (предсказательной), превентивной (профилактической), партисипаторной (пациент-вовлеченной) и позитивной (ориентированной на положительный результат лечения).

Создание цифрового двойника позволит лучше подготовить космонавта или космического туриста к полету, спрогнозировать возможные изменения состояния здоровья в условия микрогравитации и гипогравитации других планет, осуществлять постоянную биотелеметрию и дистанционный мониторинг его состояния уже в процессе полета благодаря средствам телемедицины, а, самое главное, вовремя отреагировать на них и скорректировать.

– Как я понимаю, это крайне непростая задача, ведь в космосе нет ни аптек, ни больниц, да и к тому же существуют серьезные лимиты по весу груза на борту.

– Нельзя забывать о том, что в космосе бактерии становятся более устойчивыми к антибиотикам, соответственно, последние становятся менее эффективными.

Оптимальное решение — найти способ производить фармацевтические препараты на месте «с нуля», по запросу, американцы активно занимаются этим вопросом. Думаю, это один из перспективных шагов и в рамках нашего проекта. Полагаю, мы будем просить подключиться наших научных и индустриальных партнеров, в числе которых Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, АО «РКЦ «Прогресс», БГТУ «Военмех», НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего».

Необходимо будет проработать вопросы биопринтинга, для возможности биопечати необходимых органов и тканей в процессе космического полета, на орбитальных базах и инопланетных станциях и модулях. В дополнение к этому может понадобится использование хирургических роботов для выполнения оперативных вмешательств прямо в космосе, которые бы управлялись хирургами с Земли.

– Какие наработки для космической медицины уже есть в СамГМУ?

– На международной космической станции установлены тренажеры: беговая дорожка, силовые тренажеры, применяется костюм “Пингвин” и др., но это не позволило избежать уменьшения мышечной массы, костной резорбции и нарушений в работе вестибулярного аппарата. Мы считаем, что улучшить ситуацию мог бы разработанный в нашем университете аппарат ReviVR.

Сегодня мы используем дополненную реальность для проведения пассивной реабилитации пациентов после различных заболеваний: инсульта, нейрохирургических операций на головной и спинной мозг, спинальных повреждений ЦНС, при болезни Паркинсона, рассеянном склерозе. Мероприятия направлены на коррекцию двигательных нарушений, формирование повседневной независимости пациента в плане ухода за собой, восстановление общей мобильности, социальной адаптаций, восстановление положительного эмоционального фона, поддержание высокой мотивационной составляющей реабилитационных занятий.


Разработано пять сцен виртуальной реальности для работы с вышеперечисленными нозологиями. Каждая сцена имеет функционал по настройкам времени суток и погоды, что значительно расширяет возможность управления внешним видом сцены для пациента и позволяет пациенту самому “управлять” окружением.

Эти технологии могут быть полезны как в космосе, так и по возвращении человека на Землю. А уже на следующем этапе – можно применять активную реабилитацию при помощи нашего же аппарата ReviMotion. Мы позиционируем этот аппаратно-программный комплекс как игровую реабилитацию верхних и нижних конечностей. В тренажере использована оптическая система отслеживания движений реабилитируемого и биологическая обратная связь с аудиальными и визуальными эффектами и возможностью решения когнитивных задач. Оба аппарата получили регистрацию в Росздравнадзоре в качестве медицинских изделий.

Нами разработан портативный телемедицинский комплекс. Это экосистема, которая включает в себя целый ряд медицинских изделий, позволяющих регистрировать основные жизненно важные показатели состояния организма: тонометр, глюкометр, пульсоксиметр, термометр, весы, фитнес-браслет, спирометр, ЭКГ 12-отведений, цифровой фонендоскоп собственного производства. Данные передаются на планшет, за ними следят врачи в телемедицинском центре. В будущем этот комплекс можно использовать для отправки на орбиту. В перспективе он будет дополнен мини-лабораторией для выполнения анализов крови и мочи.

Силами наших ученых можно провести медико-биологические, молекулярно-генетические исследования, рассмотреть вопрос развития аддитивных технологий, биопринтинга, синтеза новых лекарственных молекул, проведения исследований в области фармакокинетики (изучение процессов всасывания, распределения, метаболизма и выведения ЛС) и фармакодинамики (изучение локализации, механизма действия и фармакологических эффектов лекарственных средств, силу и длительность их воздействия), использования металлоорганических каркасов и их применения в космосе для решения проблемы абсорбции газообразных и жидких веществ. К тому же их основным положительным свойством является нетоксичность, что делает их перспективными в качестве «носителей лекарств», для инкапсуляции действующих веществ, стабилизации вакцин, белков, РНК и ДНК.

– Каковы сроки реализации проекта Центра медицинского космоса?

– Какие-то вещи можно запускать уже сейчас – к примеру, телемониторинг, а вот на создание цифрового двойника требуются месяцы, а то и годы, потому что тут необходим целый комплекс фундаментальных и прикладных исследований с вовлечением рабочих групп по направлениям.

– Кто финансирует вашу работу?

– Это будут НИОКР, гранты, возможно, контракты с Роскосмосом. Мы надеемся на поддержку НОЦ “Инженерия будущего”.

– Какую пользу сможет принести Центр медицинского космоса пациентам на Земле?

– Именно благодаря авиакосмической медицине родилась так называемая гравитационная медицина. Под руководством бывшего ректора СамГМУ, академика РАН Геннадия Котельникова был разработан и внедрен в практическое здравоохранение новый фактор физической медицины — повышенная гравитация или искусственная сила тяжести.

Моделирование повышенной гравитации в земных условиях, обеспечивающей терапевтический эффект, требует специального оборудования и соответствующих методик лечения. Для этих целей на базе клиники СамГМУ был создан Центр гравитационной терапии, где установлен специально разработанный стенд искусственной силы тяжести, в виде центрифуги короткого радиуса с установленным тренажером для нижних конечностей.

Основу лечебного эффекта в инновационном методе составляет сочетанное воздействие умеренных величин повышенной гравитации и дозированной физической нагрузки на нижние конечности. При вращении пациентов на центрифуге под влиянием центробежных сил происходит перемещение массы крови из сосудов, расположенных в верхней части тела, в сосуды брюшной полости, малого таза и нижних конечностей. Такое перераспределение способствует активизации кровообращения в нижних конечностях, изменяет метаболизм тканей и осуществляет вегетативную регуляцию важнейших систем организма.

Перераспределение массы крови во время процедуры создает соответствующий градиент концентрации лекарственных средств. Наряду с восстановлением микроциркуляции это повышает эффективность применения ряда препаратов (антибиотики) при локализации процесса в малом тазу и нижних конечностях.

Для улучшения возврата венозной крови во время сеанса, пациенты выполняют дозированную физическую нагрузку нижними конечностями с помощью установленного на центрифуге тренажера.

Как я уже упоминал выше, фармацевтика – одна из важнейших областей, где “космическая” медицина могла бы помочь медицине “земной”. Да и дистанционный мониторинг состояния здоровья, цифровой двойник пациента – темы весьма актуальные.

– По оценкам IMARC Group, в 2021 году мировой рынок цифровых двойников в целом, включая сферу здравоохранения, составил $10,3 млрд, а к 2027 году – достигнет $54,6 млрд (то есть среднегодовой темп роста 31,7%).

– Многие инновации, которые мы сегодня используем на Земле, пришли “из космоса”: экзоскелеты, костюмы, ванны, которые имитируют невесомость и используются в комплексной терапии и реабилитации. Так что уверен, что от деятельности нашего центра выиграют не только космонавты и космические туристы. В частности, мы рассматриваем возможность создания обучающего контента: для будущих космонавтов, студентов, людей, интересующихся космосом. Речь идет о симуляторе кабины космического корабля и международной космической станции с имитацией полета и процесса состыковки.

Комментарии