Стареющее общество с инновационным потенциалом
Пожилые люди, за счет одной лишь возрастающей численности, относятся к группе населения с наивысшим экономическим потенциалом. Их желание как можно дольше вести активную и самостоятельную жизнь рождает для таких вспомогательных средств, как слуховые аппараты и домашние бытовые приборы, пока еще недооцененный инновационный и рыночный потенциал.
Приведем следующий пример. Фрау Мюллер 90 лет, она живет одна. С ней случилось несчастье – пожилая дама упала с кровати и не может самостоятельно подняться, возможно, она даже потеряла сознание. Для большинства одиноких пожилых людей такое событие может иметь непредсказуемые последствия, но не в случае с фрау Мюллер. Ее слуховой аппарат оснащен по последнему слову техники, он способен самостоятельно сообщить о падении своей хозяйки в ближайшее отделение службы спасения. А встроенный в слуховой аппарат передатчик GPS в дополнение к этому проинформирует, где она находится. Благодаря этому служба спасения прибудет быстро и незамедлительно. В результате фрау Мюллер своевременно окажут помощь и в случае необходимости доставят в больницу.
Реализация идеи незамедлительного оповещения и техническая аппаратура для ее воплощения разрабатываются в рамках проекта Ambient Assisted Living (Возрастная система помощи для здоровой и независимой жизни), цель которого – помочь людям жить самостоятельно как можно дольше.
Слуховой аппарат сообщает о падении
Описанная выше сцена из жизни воображаемой фрау Мюллер является всего лишь примером действия одной из систем AAL, над которыми работают в лабораториях и проектных мастерских. Падение представляет собой одну из величайших угроз, так как может сделать пожилого человека инвалидом. Примерно треть людей в возрасте от 65 до 79 лет падает как минимум раз в год, а, начиная с 80 лет, риск падения еще больше возрастает. В одной только Германии ежегодно регистрируется ровно 5 миллионов падений, которые могут вызвать самые серьезные последствия, например, переломы, долгое пребывание в постели или полную инвалидность.
Учитывая колоссальную опасность последствий от падений, ученые Института медицинской техники при Ульмском университете еще в 2008 г. начали работать над созданием датчиков падения. Разрабатываемая система должна была быть маленькой и легкой, ее должно быть удобно носить круглосуточно, чтобы при этом она не мешала владельцу заниматься повседневными делами или спать. Еще один важный критерий, учитывая физическую ограниченность целевой группы потребителей – это простота эксплуатации. Чтобы однозначно оценивать показания датчиков, этот аппарат должен находиться на теле человека в таком месте, чтобы при движении по комнате он почти не менял свое положение, а при падении менял его резко и быстро.
Решение было найдено довольно быстро: встроить датчики падения в корпус заушного слухового аппарата.
Приведем следующий пример. Фрау Мюллер 90 лет, она живет одна. С ней случилось несчастье – пожилая дама упала с кровати и не может самостоятельно подняться, возможно, она даже потеряла сознание. Для большинства одиноких пожилых людей такое событие может иметь непредсказуемые последствия, но не в случае с фрау Мюллер. Ее слуховой аппарат оснащен по последнему слову техники, он способен самостоятельно сообщить о падении своей хозяйки в ближайшее отделение службы спасения. А встроенный в слуховой аппарат передатчик GPS в дополнение к этому проинформирует, где она находится. Благодаря этому служба спасения прибудет быстро и незамедлительно. В результате фрау Мюллер своевременно окажут помощь и в случае необходимости доставят в больницу.
Реализация идеи незамедлительного оповещения и техническая аппаратура для ее воплощения разрабатываются в рамках проекта Ambient Assisted Living (Возрастная система помощи для здоровой и независимой жизни), цель которого – помочь людям жить самостоятельно как можно дольше.
Слуховой аппарат сообщает о падении
Описанная выше сцена из жизни воображаемой фрау Мюллер является всего лишь примером действия одной из систем AAL, над которыми работают в лабораториях и проектных мастерских. Падение представляет собой одну из величайших угроз, так как может сделать пожилого человека инвалидом. Примерно треть людей в возрасте от 65 до 79 лет падает как минимум раз в год, а, начиная с 80 лет, риск падения еще больше возрастает. В одной только Германии ежегодно регистрируется ровно 5 миллионов падений, которые могут вызвать самые серьезные последствия, например, переломы, долгое пребывание в постели или полную инвалидность.
Учитывая колоссальную опасность последствий от падений, ученые Института медицинской техники при Ульмском университете еще в 2008 г. начали работать над созданием датчиков падения. Разрабатываемая система должна была быть маленькой и легкой, ее должно быть удобно носить круглосуточно, чтобы при этом она не мешала владельцу заниматься повседневными делами или спать. Еще один важный критерий, учитывая физическую ограниченность целевой группы потребителей – это простота эксплуатации. Чтобы однозначно оценивать показания датчиков, этот аппарат должен находиться на теле человека в таком месте, чтобы при движении по комнате он почти не менял свое положение, а при падении менял его резко и быстро.
Решение было найдено довольно быстро: встроить датчики падения в корпус заушного слухового аппарата.
Локализация с помощью GPS
Когда расположенные на голове датчики отмечают резкое изменение положения, выходящее за рамки предельно допустимого значения, данные автоматически передаются в управляющую систему на компьютере, где они записываются и анализируются. Когда система распознает падение, она вначале издает звуковой сигнал тревоги, при этом дальнейшая цепочка реагирования пока не срабатывает. Это происходит лишь в том случае, когда владелец не отменяет сигнал тревоги, для чего он должен нажать специальную кнопку на пульте управления. И только если этого не случилось, сигнал тревоги передается в службу спасения.
«От корпуса заушного слухового аппарата мы уже успели отказаться, заменив его на ушную дужку гарнитуры Bluetooth для мобильных телефонов», – говорит профессор Вольфганг Кек, руководитель проектной группы Ульмского университета. Ее преимущество состоит в том, что в случае тревоги она позволяет связаться через микрофон с пострадавшим человеком. «Если человек пользуется последней версией нашего аппарата, то сигнал тревоги в службу спасения подается через мобильный или проводной телефон». Одновременно с этим служба спасения узнает, где может находиться беспомощный человек. «В случае стационарного телефона локализация не требуется. А при использовании мобильного телефона GPS определяет местоположение клиента автоматически».
Применение в экстренной медицине
Измерительные системы, которые не обременяют пациентов, практичны в повседневной жизни и при всем этом дают возможность получить надежные данные, широко востребованы в современной медицине. Например, на кафедре компьютерных систем Мюнхенского технического университета разработан специальный датчик, который позволяет непрерывно и надежно измерять такие параметры, как частота пульса и температура тела человека.
Маленький аппарат, который придумал аспирант университета и основатель коммерческой фирмы Йоханнес Кройц, внешне напоминает слуховой аппарат с внутриушным телефоном и носится за ухом. Но вместо телефона в слуховом проходе, вблизи от барабанной перепонки, расположен измерительный инструмент. Он оснащен оптическим датчиком, измеряющим частоту пульса, и тепловым датчиком, который улавливает разницу температуры величиной 0,01°С. Измеренные данные преобразуются сенсором в электрические сигналы и передаются по радио на систему регистрации. Эту систему можно настроить так, что она будет поднимать тревогу при превышении определенной величины.
Такие датчики уже применяются в сфере исследований и разработок, для измерения показателей во время занятий спортом и для охраны труда. Их с успехом можно использовать для определения насыщения кислородом артериальной крови или в экстренной медицине для пациентов с инсультом, что может принести существенную пользу многим пожилым людям. Гудрун Порат
«От корпуса заушного слухового аппарата мы уже успели отказаться, заменив его на ушную дужку гарнитуры Bluetooth для мобильных телефонов», – говорит профессор Вольфганг Кек, руководитель проектной группы Ульмского университета. Ее преимущество состоит в том, что в случае тревоги она позволяет связаться через микрофон с пострадавшим человеком. «Если человек пользуется последней версией нашего аппарата, то сигнал тревоги в службу спасения подается через мобильный или проводной телефон». Одновременно с этим служба спасения узнает, где может находиться беспомощный человек. «В случае стационарного телефона локализация не требуется. А при использовании мобильного телефона GPS определяет местоположение клиента автоматически».
Применение в экстренной медицине
Измерительные системы, которые не обременяют пациентов, практичны в повседневной жизни и при всем этом дают возможность получить надежные данные, широко востребованы в современной медицине. Например, на кафедре компьютерных систем Мюнхенского технического университета разработан специальный датчик, который позволяет непрерывно и надежно измерять такие параметры, как частота пульса и температура тела человека.
Маленький аппарат, который придумал аспирант университета и основатель коммерческой фирмы Йоханнес Кройц, внешне напоминает слуховой аппарат с внутриушным телефоном и носится за ухом. Но вместо телефона в слуховом проходе, вблизи от барабанной перепонки, расположен измерительный инструмент. Он оснащен оптическим датчиком, измеряющим частоту пульса, и тепловым датчиком, который улавливает разницу температуры величиной 0,01°С. Измеренные данные преобразуются сенсором в электрические сигналы и передаются по радио на систему регистрации. Эту систему можно настроить так, что она будет поднимать тревогу при превышении определенной величины.
Такие датчики уже применяются в сфере исследований и разработок, для измерения показателей во время занятий спортом и для охраны труда. Их с успехом можно использовать для определения насыщения кислородом артериальной крови или в экстренной медицине для пациентов с инсультом, что может принести существенную пользу многим пожилым людям. Гудрун Порат
Новые задачи для уха
Управлять инвалидным креслом с помощью мышц уха
Эпидемиологическая частота паралича из-за повреждения спинного мозга колеблется от 12 до 57 случаев на миллион жителей земного шара. Ежегодно в одной только Германии паралич наступает у 1600-1800 человек. От 40% до 50% этих пациентов страдают более-менее выраженной потерей двигательной активности рук, причем среди них достаточно много молодых людей. Для этих парализованных пациентов любая возможность реабилитации колоссально повышает качество жизни. Именно эту цель поставили перед собой ученые университетов Геттингена, Гейдельберга и Карлсруэ в рамках проекта Телмиос (Telmyos). И главная роль в этом проекте отведена наружному уху человека.
Мускулатура наружного уха – рудимент эволюции
Ухо в первую очередь известно как орган слуха и равновесия. С точки зрения анатомии мы различаем внутреннее ухо, среднее ухо и видимое нам наружное ухо, состоящее из слухового прохода и ушной раковины. Но есть еще один элемент наружного уха, которому до сих пор не уделялось вообще никакого внимания: мускулатура наружного уха. Она состоит из двух частей, наружной и внутренней. К наружным мышцам относятся передняя, верхняя и задняя раковинные мышцы, расположенные соответственно спереди, вверху и сзади ушной раковины. Они оттягивают ушную раковину вперед, вверх или назад. Внутри ушной раковины находятся внутренние мышцы уха, состоящие из четырех подкожных пучков мышечных волокон. Хотя все перечисленные ушные мускулы являются частью мимической мускулатуры, управляемой лицевым нервом, они практически не упоминаются в учебниках анатомии.
Эпидемиологическая частота паралича из-за повреждения спинного мозга колеблется от 12 до 57 случаев на миллион жителей земного шара. Ежегодно в одной только Германии паралич наступает у 1600-1800 человек. От 40% до 50% этих пациентов страдают более-менее выраженной потерей двигательной активности рук, причем среди них достаточно много молодых людей. Для этих парализованных пациентов любая возможность реабилитации колоссально повышает качество жизни. Именно эту цель поставили перед собой ученые университетов Геттингена, Гейдельберга и Карлсруэ в рамках проекта Телмиос (Telmyos). И главная роль в этом проекте отведена наружному уху человека.
Мускулатура наружного уха – рудимент эволюции
Ухо в первую очередь известно как орган слуха и равновесия. С точки зрения анатомии мы различаем внутреннее ухо, среднее ухо и видимое нам наружное ухо, состоящее из слухового прохода и ушной раковины. Но есть еще один элемент наружного уха, которому до сих пор не уделялось вообще никакого внимания: мускулатура наружного уха. Она состоит из двух частей, наружной и внутренней. К наружным мышцам относятся передняя, верхняя и задняя раковинные мышцы, расположенные соответственно спереди, вверху и сзади ушной раковины. Они оттягивают ушную раковину вперед, вверх или назад. Внутри ушной раковины находятся внутренние мышцы уха, состоящие из четырех подкожных пучков мышечных волокон. Хотя все перечисленные ушные мускулы являются частью мимической мускулатуры, управляемой лицевым нервом, они практически не упоминаются в учебниках анатомии.
Этот недочет связан с тем, что функция маленьких мышц, располагающихся в ушной раковине в относительной изоляции от остальной мимической мускулатуры, у человека практически не изучена. Так как наружное ухо участвует в направленном слухе, при котором мозг может различать и воспринимать угловую разницу величиной всего в несколько градусов, считается, что мышцы ушной раковины играют определенную роль в этом процессе. Значение мускулатуры наружного уха упоминал еще Чарльз Дарвин в своем труде о происхождении видов. Исследователь обратил внимание на то, что у некоторых пород домашних животных уши свисают назад, и в качестве причины этого явления назвал «не использование» ушей. Так как у диких животных навык поднимать и поворачивать уши стимулирует точный направленный слух, то Дарвин объяснил потерю способности двигать ушами тем, что одомашненные животные крайне редко сталкиваются с грозящей им опасностью, а ставшая им ненужной способность попросту регрессировала. То же самое можно сказать и о таком биологическом виде, как человек.
Хотя у людей и имеется мускулатура наружного уха, о ее возможностях мало что известно. Одним из доказательств того, что функция ушных мускулов у человека все же сохранилась, как минимум в рамках пространственного слуха, является известный рефлекс ушной раковины. Он возникает у некоторых людей в ответ на неожиданный щелчок и осуществляется задней раковинной мышцей. Помимо этого, нейрофизиологические исследования показали, что ушные мышцы частично задействованы в другой мимической деятельности, например, при смехе или зевании.
Хотя у людей и имеется мускулатура наружного уха, о ее возможностях мало что известно. Одним из доказательств того, что функция ушных мускулов у человека все же сохранилась, как минимум в рамках пространственного слуха, является известный рефлекс ушной раковины. Он возникает у некоторых людей в ответ на неожиданный щелчок и осуществляется задней раковинной мышцей. Помимо этого, нейрофизиологические исследования показали, что ушные мышцы частично задействованы в другой мимической деятельности, например, при смехе или зевании.
Ухо как интерфейс между человеком и машиной
В отличие от вышеупомянутой непроизвольной активности мышц наружного уха, проект Телмиос опирается на уникальную способность людей сознательно управлять мимической мускулатурой, включая и мышцы наружного уха. Так как эти напряжения мышц можно записать и проанализировать посредством электромиографии, то такие произвольно индуцированные электромиографические (ЭМГ) сигналы можно использовать в качестве сигналов для управления средствами технической реабилитации (например, инвалидным креслом-коляской или протезом).
Для того чтобы пользоваться таким ЭМГ-интерфейсом, вовсе не нужно предварительно уметь осознанно активировать мышцы уха, проще говоря, «шевелить ушами». Эксперименты, проведенные участниками группы Телмиос, показали, что этой способности можно быстро обучиться, и что обучение можно целенаправленно упростить и ускорить благодаря акустическим и визуальным методам обратной связи, например, управляя компьютерными играми с помощью мускулатуры наружного уха. Таким образом, в будущем пациентов можно будет систематически обучать умению произвольно активировать отдельные мышцы уха. В зависимости от способности конкретного пациента управлять разными ушными мышцами он сможет использовать даже такие сложные устройства, как, например, действующий протез руки.
Конечной целью проекта Телмиос является создание опытного образца имплантируемого аппарата, который вначале будет на месте усиливать и записывать сигналы мышц, а затем телеметрически передавать их на приемник, преобразующий их в управляющие сигналы. Эти сигналы позволят пациенту с повреждением позвоночника или ампутированной рукой управлять своим креслом-коляской или протезом руки путем сознательной активации мышц уха.
Инновационная технология в сфере реабилитации
Этот новый способ, по сравнению с другими инновационными решениями, созданными в последние годы на основе неврологических исследований, имеет ряд преимуществ. Так, например, интерфейс между мозгом и компьютером принципиально анализирует произвольно изменяемые мозговые токи в диапазоне микровольт. Принято считать, что связанные с этим нестабильность сигнала и его уязвимость к помехам существенно ограничивают практическое применение данного метода. В отличие от этого, Телмиос анализирует ЭМГ-сигналы в диапазоне милливольт, что значительно повышает стабильность и снижает помехи. Еще одно преимущество концепции Телмиос заключается в том, что для имплантации электродов требуется минимальное хирургическое вмешательство под местной анестезией.
Далее, Телмиос обладает особым достоинством по сравнению как с концепцией интерфейса между мозгом и компьютером, так и с уже опробованными системами управления, основанными на записи изменения положения глаз или языка, или на датчиках давления в духовой трубке. Дело в том, что произвольное сокращение мышц уха никак не зависит от других элементарных действий, возникающих, например, когда человек говорит, жует, глотает или смотрит по сторонам. Все предыдущие системы не позволяют свободно сочетать управляющие действия с обычной повседневной деятельностью.
Еще один положительный аспект Телмиос заключается в возможности универсального применения системы. Ее можно использовать для разных групп пациентов, например, с ампутированными руками или с поврежденным позвоночником. Система может быть применена и для реабилитации пациентов, страдающих параличом из-за поперечного повреждения спинного мозга, которые полностью утратили остаточную функцию рук. Это связано с тем, что мускулатура наружного уха управляется через лицевой нерв, который продолжает функционировать даже при повреждениях верхнего отдела позвоночника.
Ожидается, что пациенты с повреждением позвоночника или ампутацией рук смогут получить максимальную пользу от Телмиос. В отличие от здоровых людей, наличие ограниченности будет способствовать тому, чтобы эти люди быстрее научились избирательно активировать мышцы уха, а управление вспомогательным средством с помощью мускулатуры уха может стать для них привычной деятельностью. Это предположение основывается на данных новейших исследований нейропластичности мозга. Например, после паралича, вызванного повреждением спинного мозга, большая часть моторной коры головного мозга перестает использоваться. При этом в мозгу увеличиваются те участки коры, которые отвечают за часто используемые мышцы. Эта так называемая адаптивная нейропластичность приводит к тому, что тот участок головного мозга, который отвечает за движения мышц лица или уха, расширяется за счет соседнего участка, отвечающего, например, за движение рук (который более не используется).
Для того чтобы пользоваться таким ЭМГ-интерфейсом, вовсе не нужно предварительно уметь осознанно активировать мышцы уха, проще говоря, «шевелить ушами». Эксперименты, проведенные участниками группы Телмиос, показали, что этой способности можно быстро обучиться, и что обучение можно целенаправленно упростить и ускорить благодаря акустическим и визуальным методам обратной связи, например, управляя компьютерными играми с помощью мускулатуры наружного уха. Таким образом, в будущем пациентов можно будет систематически обучать умению произвольно активировать отдельные мышцы уха. В зависимости от способности конкретного пациента управлять разными ушными мышцами он сможет использовать даже такие сложные устройства, как, например, действующий протез руки.
Конечной целью проекта Телмиос является создание опытного образца имплантируемого аппарата, который вначале будет на месте усиливать и записывать сигналы мышц, а затем телеметрически передавать их на приемник, преобразующий их в управляющие сигналы. Эти сигналы позволят пациенту с повреждением позвоночника или ампутированной рукой управлять своим креслом-коляской или протезом руки путем сознательной активации мышц уха.
Инновационная технология в сфере реабилитации
Этот новый способ, по сравнению с другими инновационными решениями, созданными в последние годы на основе неврологических исследований, имеет ряд преимуществ. Так, например, интерфейс между мозгом и компьютером принципиально анализирует произвольно изменяемые мозговые токи в диапазоне микровольт. Принято считать, что связанные с этим нестабильность сигнала и его уязвимость к помехам существенно ограничивают практическое применение данного метода. В отличие от этого, Телмиос анализирует ЭМГ-сигналы в диапазоне милливольт, что значительно повышает стабильность и снижает помехи. Еще одно преимущество концепции Телмиос заключается в том, что для имплантации электродов требуется минимальное хирургическое вмешательство под местной анестезией.
Далее, Телмиос обладает особым достоинством по сравнению как с концепцией интерфейса между мозгом и компьютером, так и с уже опробованными системами управления, основанными на записи изменения положения глаз или языка, или на датчиках давления в духовой трубке. Дело в том, что произвольное сокращение мышц уха никак не зависит от других элементарных действий, возникающих, например, когда человек говорит, жует, глотает или смотрит по сторонам. Все предыдущие системы не позволяют свободно сочетать управляющие действия с обычной повседневной деятельностью.
Еще один положительный аспект Телмиос заключается в возможности универсального применения системы. Ее можно использовать для разных групп пациентов, например, с ампутированными руками или с поврежденным позвоночником. Система может быть применена и для реабилитации пациентов, страдающих параличом из-за поперечного повреждения спинного мозга, которые полностью утратили остаточную функцию рук. Это связано с тем, что мускулатура наружного уха управляется через лицевой нерв, который продолжает функционировать даже при повреждениях верхнего отдела позвоночника.
Ожидается, что пациенты с повреждением позвоночника или ампутацией рук смогут получить максимальную пользу от Телмиос. В отличие от здоровых людей, наличие ограниченности будет способствовать тому, чтобы эти люди быстрее научились избирательно активировать мышцы уха, а управление вспомогательным средством с помощью мускулатуры уха может стать для них привычной деятельностью. Это предположение основывается на данных новейших исследований нейропластичности мозга. Например, после паралича, вызванного повреждением спинного мозга, большая часть моторной коры головного мозга перестает использоваться. При этом в мозгу увеличиваются те участки коры, которые отвечают за часто используемые мышцы. Эта так называемая адаптивная нейропластичность приводит к тому, что тот участок головного мозга, который отвечает за движения мышц лица или уха, расширяется за счет соседнего участка, отвечающего, например, за движение рук (который более не используется).
Будущие перспективы
Ухо, точнее, мускулатура наружного уха осуществляет в проекте Телмиос связь между человеком и машиной. Этот инновационный интерфейс поможет людям, ставшим беспомощными из-за паралича, самостоятельно выполнять некоторые виды повседневной деятельности и тем самым значительно повысить качество жизни. Помимо медицинской реабилитации, применение нового интерфейса Телмиос теоретически возможно и во многих других областях. Например, если поместить его на ухо снаружи (с помощью ушной дужки), то он может послужить для дополнительного управления в тех случаях, когда человеку требуется «третья рука». Джона Майнцке, Дэвид Либетанц
