Реабилитация пациентов после инсульта требует восстановления двигательных функций. Однако у больных не всегда есть возможность выполнять необходимые упражнения. Петербургские ученые разработали программный комплекс, который помогает восстанавливать двигательную активность и управлять вспомогательными устройствами посредством сигналов мозга. Основатель проекта i-Brain (Innovative Brain Technologies) Константин Сонькин рассказал «Хайтеку», как работает система и в чем ее преимущество перед традиционными методами восстановления.
Информатика — средство самовыражения
«Я с детства хотел творить, но к традиционному художественному творчеству у меня склонностей не было, — рассказывает петербуржец Константин Сонькин. — Когда я познакомился с информатикой, то понял: это та сфера, где я смогу реализовать себя. Для меня это были стихи в математической форме».
Константин закончил бакалавриат и магистратуру политехнического университета, но в аспирантуру решил не поступать — его больше привлекала практическая деятельность, чем чистая наука. В поисках опыта он устроился в компанию, занимавшуюся инженерией окружающей среды. Начинал с должности помощника инженера, а впоследствии стал главным инженером и руководил несколькими департаментами. Параллельно он все же закончил аспирантуру политеха, получил степень кандидата наук в области искусственного интеллекта и понял, что готов объединить деловой опыт и научные инновации.
Константина привлекали кибернетика и нейросети. Его захватывала идея переноса принципов работы человеческого мозга на электронные устройства. Поэтому он решил вести разработки в этой сфере. Научным руководителем молодого человека был профессор Лев Александрович Станкевич. В процессе работы над диссертацией Константин обсуждал с ним перспективы нейрокомпьютерных интерфейсов. В начале десятых годов эта ниша была практически пуста, и Сонькин видел в ее освоении коммерческие перспективы. Это привело к идее создания программного комплекса, который считывал бы сигналы головного мозга и переводил их в движение на экране монитора.
Лев Александрович Станкевич — профессор кафедры системного анализа и управления в Санкт-Петербургском Политехническом университете. Закончил Ленинградский авиационный институт по специальности авиационной автоматики.
Основное направление научной деятельности — исследование когнитивных систем и нейроморфных средств, которые обеспечивают интеллектуальным системам возможность накапливать знания о поведении и окружающей обстановке автоматически. Специализируется на разработке роботизированных агентов для приложений игрового и промышленного характера, разработке интеллектуальных систем, исследовании разработки и управления гуманоидными роботами.
«Мы могли бы использовать эту технологию для расширения возможностей геймеров или усовершенствования системы “Умный дом”, — объясняет Константин. — Но сосредоточились на решении более острой проблемы — помощи людям в восстановлении после инсульта и некоторых заболеваний ЦНС. Многие люди после перенесенных инсультов не могут полноценно двигаться и обслуживать себя. При том, что мозг их во многом сохранен, повреждены лишь локальные участки. Традиционная реабилитация направлена в основном на восстановление активности мышц и возвращение способности ходить. Наша технология работает с первопричиной обездвиженности — нарушенными функциями головного мозга. Решение позволяет восстанавливать работу рук, чтобы человек мог как минимум обслуживать себя сам и не зависел от помощи третьих лиц».
Первые исследования начались в 2010 году. Коллектив кибернетиков, нейрофизиологов и программистов сфокусировался на изучении того, как мозг управляет движениями. Сигналы мозга с поверхности головы, от электроэнцефалограммы (ЭЭГ), анализировались комплексом математических алгоритмов ИИ, который становился все сложнее, пока не позволил определять мысленные команды, которые управляют движениями в реальном времени.
Распознанные мысленные команды использовались для управления приложениями для тренировки движений, которые впоследствии были превращены в реабилитационные компьютерные игры. После нескольких лет изучения мозга и тестирования прототипа в январе 2017 году была учреждена компания i-Brain, специализирующаяся на создании программного комплекса для постинсультной реабилитации на основе нейроинтерфейса с ИИ и компьютерными играми.
Само устройство состоит из сетчатой шапочки, которая считывает ЭЭГ, оборудования, переводящего сигналы в цифровую форму, и софта, декодирующего двигательные команды мозга и визуализирующего движения в компьютерной игре. Оборудование неинвазивное, поэтому прямого воздействия на мозг нет.
После того, как пациент наденет шлем, на экране появится изображение рук — вид от первого лица. Человека просят мысленно управлять ими, например, сорвать плод с дерева. Мысленные команды вызывают активность определенных участков мозга, которые считывает нейроинтерфейси переводит в цифровую форму — человек не может двигать своей рукой, но может управлять своим аватаром на экране. Многократное воображение движения со временем восстанавливает нейронные цепочки, и двигательные функции рук восстанавливаются.
Воображаемые движения как тренировка мышц
По данным ВОЗ, около 200 млн человек в мире страдают из-за нарушений двигательной активности после инсультов и заболеваний ЦНС. Традиционная реабилитация направлена главным образом на поддержание функций мышц, но не решает причину проблемы. Она состоит в том, что от инсультов страдают участки мозга, отвечающие за моторные функции. Мысленно человек может совершать движения, однако сигналы от мозга к мышцам не поступают. При этом сама по себе способность двигаться сохранна, проблема лишь в восстановлении нарушенной цепочки мозг-мышцы.
Известно, что человеческий организм обладает большим запасом прочности и способностью к компенсации. С помощью программного интерфейса создатели i-Brain переводят сигналы мозга в движения компьютерного персонажа. Таким образом решаются сразу несколько задач. Прежде всего, при работе с нейроинтерфейсом человек управляет аватаром в компьютерной реабилитационной игре посредством воображения движений — происходит стимулирование участков коры, отвечающих за определенные движения. Благодаря этому восстанавливаются нарушенные нейронные связи и сигналы снова начинают поступать к мышцам. Вернуть способность двигаться как до болезни невозможно, но состояние пациентов улучшается, человек возвращает возможность управлять своим телом.
«Здесь описываются принципы работы. Ведутся клинические испытания, материалы готовятся для публикации в научных журналах», — поясняет Константин Сонькин.
Кроме того, срабатывает важный психологический момент. Пациент наглядно видит, что его мысленные команды переводятся в движение на экране компьютера, и начинает верить, что и в реальной жизни восстановить двигательную активность реально. Главное — поддерживать тонус мышц и заниматься тренировками. Еще одно преимущество новинки — технология позволяет восстанавливать моторные функции в комфортной домашней обстановке, перед экраном персонального компьютера. При этом устройство абсолютно безопасно для пациента.
Разработчики подчеркивают, что их технология не заменяет традиционные методы (физиотерапию и массаж), а дополняет их и расширяет возможности реабилитации. Также создатели предупреждают, что платформа — не панацея и подходит не всем. Примерно 15–20% людей не могут управлять виртуальными движениями посредством мысленных команд, и для них такой способ реабилитации неэффективен. Однако большинству пациентов методика помогает. По данным исследований, улучшение наступает примерно через один-три месяца, в зависимости от тяжести состояния и индивидуальных особенностей.
Союз нейробиологов и кибернетиков
«Команда, которую мне удалось собрать, — моя гордость как руководителя, — делится Константин Сонькин. — Чтобы технология работала и была эффективной, требовалось объединить усилия врачей, нейрофизиологов и программистов, специализирующихся на искусственном интеллекте».
За нейрофизиологию в i-Brain отвечают кандидаты биологических наук Наталья Шемякина, сооснователь компании, и Жанна Нагорнова. Техническая часть — зона ответственности Льва Александровича Станкевича, который стал полноправным участником проекта. Также в команду входят врачи, программисты, менеджеры и финансисты. Сам Константин занимается решением стратегических задач и непосредственно в технических разработках принимает все меньшее участие.
На отдельных этапах работы компания привлекает третьих лиц, причем некоторые профессионалы сами выходят с предложением о сотрудничестве. В написании программ участвуют выпускники технических ВУЗов. Компании, специализирующиеся в игровой индустрии, предлагают написать более интересные и качественные программы для реальности, в которой будет существовать виртуальный двойник пациента.
Кроме того, создателям требовалась обратная связь об эффективности их технологии. Для этого они вышли на ведущих специалистов по реабилитации в России, многие из которых с готовностью согласились протестировать новинку. Сейчас компания сотрудничает с сетью клиник «Медси», реабилитационным центром «7 докторов», институтом имени Сеченова и даже с испанской клиникой. Нейроинтерфейс предназначен для реабилитационных учреждений и специалистов, занимающихся восстановлением людей после инсульта и травм мозга. В целом, нейроинтерфейс направлен на восстановления и совершенствование движений, поэтому область его применения будет включать в себя не только людей с нарушениями движений, но и спортсменов, в том числе высоких достижений, стремящихся повысить эффективность своих тренировок.
Денежный вопрос
Первоначальные вложения составили около $300 тыс. Деньги тратились на разработку софта и оборудования, привлечение специалистов и оформление патента. В проект были вложены собственные средства создателей, также они получили гранты от научных фондов.
Константин готов рассмотреть предложения инвесторов. Но полностью продавать бизнес не собирается. И дело не только в возможной прибыли, которую технология может принести в будущем. Рынок нейроинтерфейсов сейчас переживает бурный рост. По данным MarketWatch, рынок нейроинтерфейсов, оцененный в $980 млн в 2018 году, достигнет $2,31 млрд к 2025, демонстрируя рост в 11% в течение 2019–2025 годов.
Но Сонькин говорит: «Прежде всего я ищу партнера, чтобы преодолеть большое количество барьеров на рынке, который я собираюсь осваивать. Любой человек из нашей команды легко может найти работу с гораздо большим доходом, чем мы имеем сейчас. Но i-Brain для нас не просто бизнес. Это — дело жизненного этапа. Мы видим свою миссию в том, чтобы помочь людям, перенесшим инсульт, вернуться к полноценной жизни», — уточняет Константин.
При этом он не скрывает, что его компания — проект социальный, но не благотворительный, и получение прибыли — одна из задач. Константин признает, что пока нет возможности сделать технологию массово доступной — покупка оборудования обойдется в полмиллиона рублей. Еще миллион — стоимость лицензии на программный продукт. Поэтому в компании разработали предложение по аренде.
Сюда входит первичная консультация нейрофизиолога и предоставление оборудования. Стоимость аренды оборудования для часового сеанса составляет 2-3 тыс. рублей. При этом Константин подчеркивает: если окажется, что для пациента методика оказалась неэффективной, они готовы брать оплату, исходя из достигнутого результата. Размер скидки обговаривается индивидуально.
В 2018 году компания i-Brain попала в финал Премии РБК Санкт-Петербург в номинации «Инноватор». Эксперты отметили социальную значимость разработки и признали коллектив инноваторами года.
«В феврале 2019 года компания на демодне, организованном Сбербанком, завоевала право пройти акселерацию непосредственно в Кремниевой долине, в знаменитом глобальном акселераторе 500. Там мы готовим продукт для выхода на рынок США и ведем переговоры со стратегическими инвесторами, которые разделяют стратегию i-Brain по использованию нейротехнологий в здравоохранении», — делится Константин Сонькин.