«Умная» нога: как ученые научили протез понимать сигналы головного мозга

Читать в полной версии

Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) был основан в 1958 году изобретателем советских ЭВМ Исааком Бруком (теперь институт носит его имя). Сотрудники института, который сейчас входит в структуру «Ростеха», до сих пор занимаются разработкой вычислительных машин и микропроцессоров для государственных нужд, в том числе и оборонных.

Замгендиректора и главный конструктор по медицинской технике ИНЭУМа Геннадий Знайко тоже посвятил многие годы разработкам суперкомпьютеров, но перестройка заставила его сменить сферу деятельности. А в начале 2016 года под его руководством команда ученых ИНЭУМа создала искусственную ногу, которая управляется сигналами от мозга. При поддержке «Ростеха» ИНЭУМ рассчитывает стать пионером в серийном производстве таких агрегатов в России, а возможно, и в мире.

Последователь Винера

Геннадию Знайко 66 лет. В институт Брука он устроился в 1980-х. До этого выпускник факультета приборостроения МГТУ им. Н.Э. Баумана работал в вычислительном центре Мосгорисполкома. Ученый с детства «интересовался философским осмыслением увеличения производительности человека». Еще школьником он познакомился с трудами «отца кибернетики» Норберта Винера и понял, что будущее за искусственным интеллектом. «Вся история развития вычислительной техники прошла перед моими глазами», — вспоминает он. Он успел поработать, например, на вычислительном комплексе «Урал», работавшем на электронных лампах, и на советском компьютере «Днепр», который занимал 40 кв. м, а программы вводились с фотопленки.

В 1982 году Знайко стал заведующим лабораторией ИНЭУМа и подключился к разработке советской серии вычислительных комплексов СМ ЭВМ. Эти машины до сих пор используются в системах радиационного контроля на АЭС «Росатома» и в системах управления движением поездов Московского метрополитена (например, на станциях «Бульвар Дмитрия Донского» и «Парк Победы»).

В 1990-е для науки настали тяжелые времена. Госфинансирование разработок прекратилось, штат ИНЭУМа сократился с 2500 до 300 человек. Оставшимся ученым пришлось думать, как заработать. «Мы искали пути, чтобы, не имея крупного производства, создать дорогой и малосерийный продукт», — вспоминает Знайко. Первым опытом стали печатные платы для принтеров. Ученые наладили их производство на мощностях ИНЭУМа и продавали предприятиям, которые использовали платы для печати квитанций о зарплате.

В 1990 году Знайко, который к тому времени возглавлял в ИНЭУМе отдел, познакомился с председателем комитета по новой медицинской технике Минздрава Тамарой Носковой. Она, по словам Знайко, искала разработчиков для переносного эхоэнцефалодоплерографа — прибора ультразвукового исследования головного мозга для выявления гематом и опухолей. Это, решил ученый, то, что нужно: дорогой немассовый продукт, который можно производить своими силами. Сам он спустя некоторое время возглавил в институте медицинское направление.

По заказу Минздрава ИНЭУМ разработал ультразвуковой прибор «Комплекс-М» и в 1996 году запустил его производство. Прибор собирали в ИНЭУМе из деталей, которые производили несколько приборостроительных заводов в Москве и Зеленограде. Заказчиками были больницы и поликлиники. «Маржа была существенной», — вспоминает Знайко: 70–75%, или $8 тыс. Ориентиром в цене, по словам ученого, были зарубежные аналоги. В год, рассказывает Знайко, продавалось около 100 приборов, оборот достигал десятков миллионов рублей. В течение следующих 15 лет Знайко в основном занимался усовершенствованием и расширением линейки «Комплекс-М». Сейчас на сайте ИНЭУМа представлены более десяти аппаратов этого семейства стоимостью от 100 тыс. до 330 тыс. руб.

Заметил нишу

В апреле 2012 года Минпромторг объявил конкурс на научные изыскания для федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года» (так называемая программа «Фарма-2020»). Один из лотов — создание за 3,5 года «базовой модели экзопротезов с электронным управлением на основе импульсов головного мозга».

На НИОКР и опытную разработку Минпромторг был готов потратить 500 млн руб. Знайко заявил ИНЭУМ на участие. Других претендентов не нашлось. Конкурс был признан несостоявшимся, а Минпромторг заключил с ИНЭУМом контракт как с единственным участником.

Сфера была для Знайко абсолютно новой. Но рынок показался ему вполне перспективным, а данная ниша — незаполненной. Количество инвалидов с ампутированными конечностями во всем мире составляет, по разным оценкам, 10–20 млн человек. Крупнейший мировой производитель протезов, исландская компания Össur, оценивает мировой рынок искусственных конечностей в $1–1,2 млрд.

Все протезы можно разделить на два вида — механические и бионические. Механические (или тяговые) приводятся в движение специальными тросами, которые крепятся и управляются оставшейся частью конечности. Бионические (или роботизированные) протезы получают команды от встроенных микропроцессоров. Они отдают распоряжения на основе информации, которая поступает через датчики, расположенные как на протезе, так и на самом человеке. Таким образом реакция искусственной конечности приближается к естественной. Мировой рынок механические и роботизированные протезы в денежном выражении делят почти поровну, свидетельствуют данные аналитического агентства Spearhead Acuity Business Research & Consulting (SA-BRC): на агрегаты с микропроцессорами приходится $430 млн из рынка в $1 млрд.

Сейчас на мировом рынке представлены два типа роботизированных протезов, рассказывает профессор биофака МГУ Александр Каплан: когда команды на протез поступают от датчиков в нем самом либо от датчиков, которые считывают электрические сигналы с оставшихся мышц. Это ограниченное управление, признает Каплан. «Наиболее естественный путь управления протезом — «подумать», то есть непосредственно от мозга», — объясняет он. Над разработкой протеза, который управлялся бы от мозга, работа идет, по словам ученого, во всем мире. Но на рынке таких образцов еще нет.

Самых заметных результатов в разработке протезов, управляемых с помощью мозга, достиг Университет Джонса Хопкинса. В 2006 году его ученые вместе с Агентством по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA; подразделение Министерства обороны США) запустили программу «Революционное протезирование». Спустя шесть лет представили прототип протеза руки, который управлялся с помощью электродов, подсоединенных к головному мозгу. А в 2015-м сотрудники университета представили протез руки, способный передавать своему владельцу тактильные ощущения. В прошлом же году исландская Össur объявила об успешном создании бионического протеза ноги, управляемого человеческим мозгом.

Основная задача — максимально приблизить работу системы из «мехатроники, материалов и датчиков» к естественным движениям, говорит Знайко. Выиграв конкурс Минпромторга, он рассудил, что технологии и опыт в создании высокотехнологичных медизделий у ИНЭУМа уже есть, а восполнить недостающие компетенции можно за счет партнеров.

Шапочка и датчики

«Специалистов в этой области можно по пальцам одной руки пересчитать», — говорит Знайко. Прошерстив информацию, он вышел на двух профессоров — Сергея Щукина из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Александра Каплана из МГУ. У Щукина были разработки, позволяющие считывать электрические импульсы от мышц. А Каплан разрабатывал интерфейс «мозг — компьютер» (внешне выглядит как шапочка, расшитая датчиками), который преобразует сигналы мозга в команды для внешних устройств, например протезов. На основе контрактов, которые ИНЭУМ заключил с МГУ и МГТУ (суммы Знайко не раскрывает, ссылаясь на коммерческую тайну), Щукин и Каплан предоставили свои разработки команде программистов Знайко. А те, по его словам, «научили» протез через внешние датчики распознавать как нервные импульсы от оставшейся конечности, так и сигналы мозга, и реагировать на них.

Чтобы изготовить опытные образцы протезов, Знайко выбрал 12 предприятий «от Сибири до Москвы» — например, производителей деталей из углепластика, высокоточных механических компонентов и электродвигателей, перечисляет ученый. Прошедшие отбор поставщики предоставили в ИНЭУМ гарантийные письма о готовности выпускать до 1 тыс. штук своих деталей без дополнительных капвложений, рассказывает Знайко. Назвать контрагентов он отказался, опять ссылаясь на коммерческую тайну, но признал, что часть из них входит в «Ростех».

Представитель «Ростеха» подтвердил, что входящие в госкорпорацию предприятия участвуют в производстве компонентов для проекта ИНЭУМа. Задействованы, по словам представителя госкорпорации, например, Рыбинский приборостроительный завод и «Московский машиностроительный экспериментальный завод — композиционные технологии». Взаимодействие предприятий происходит на договорных условиях, подчеркивает он.

На разработку и изготовление опытных образцов у ИНЭУМа ушли все выделенные Минпромторгом средства (0,5 млрд руб.) и 3,5 года: полтора — на исследования и еще два — на опытно-конструкторскую работу. Сейчас искусственная нога из трех модулей (колено, голень и стопа) прошла технические испытания внутри ИНЭУМа. Следующий шаг: технические испытания в лабораториях Росздравнадзора (они еще не начались). После них ИНЭУМ начнет медицинские испытания на пациентах. Все вместе займет около года, рассчитывает Знайко. В итоге ИНЭУМ сможет зарегистрировать протез в Росздравнадзоре как медицинское изделие и вывести его на рынок.

Потеснить импорт

Основным заказчиком протезов в России является государство. Оно обеспечивает более 95% потребности населения в «технических средствах реабилитации», следует из ответа Минтруда на запрос РБК. Протезы закупают подведомственные Минтруду протезно-ортопедические предприятия (ПрОПы; всего 71 предприятие в форме ФГУПа) на средства Фонда социального страхования. В федеральном бюджете на 2016 год на обеспечение инвалидов «техническими средствами реабилитации» заложено, по данным представителя Минтруда, 29,8 млрд руб. В год в среднем поступает более 47 тыс. заявок на «получение протезов различных модификаций», говорит она.

В прошлом году было удовлетворено 76% заявок, отмечает представитель Минтруда: «Это связано с продолжительным циклом изготовления протеза». Чтобы получить протез, пострадавший обращается в подведомственные Минтруду федеральные учреждения медико-социальной экспертизы. Там разрабатывают индивидуальную программу реабилитации и подбирают необходимый тип и конструкцию протеза. На основе этих рекомендаций ПрОП собирает протез из комплектующих. Собственного производства у ПрОПов нет, комплектующие они закупают через конкурс. Среди поставщиков представитель Минтруда выделяет Ottobock, Össur, британскую Blatchford и научно-производственную фирму «Орто-Космос».

По градации Минтруда протезы делятся на четыре типа: косметические, функционально-косметические, рабочие и активные. Последние можно считать роботизированными, отмечает представитель Минтруда: они работают от внешнего источника энергии и «обеспечивают наиболее полное восстановление утраченных функций конечности». В 2015 году государство потратило на закупку модулей роботизированных протезов чуть более 410 млн руб. Самым востребованным оказался роботизированный модуль бедра — их было закуплено 203 штуки. По подсчетам Минтруда, средняя стоимость такого изделия составила 1,6 млн руб. Роботизированные протезы представлены на российском рынке только импортными изделиями, говорит директор по производству «Орто-Космоса» Степан Головин.

Качественный роботизированный протез в сборе стоит сейчас 2–3 млн руб., утверждает Знайко. Аналогичные цифры приводит и Головин из «Орто-Космоса». Так, искусственная нога из модуля стопы и голеностопа Triton smart ankle и коленного модуля C-Leg 4 (оба от Ottobock) обойдется примерно в 1,8 млн руб., следует из анализа рынка, подготовленного ИНЭУМом (цены 2015 года).

Протезы ИНЭУМа после запуска производства будут стоить от 700 тыс. до 1 млн руб., уверяет Знайко. Цена должна быть ниже за счет использования российских материалов и комплектующих, объясняет ученый. Характеристики модулей для протезов ИНЭУМа сопоставимы с импортными аналогами, следует из анализа рынка, подготовленного институтом Брука. Модуль стопы, разработанный ИНЭУМом, как и Proprio foot от Össur, адаптируется к движению по наклонной плоскости и лестнице, поднимает носок при ходьбе и подстраивается под высоту каблука. Судя по документу, модуль ИНЭУМа уступает импортному только в весе — при весе 1,5 кг он тяжелее на 100 г. Разработка команды Знайко будет дешевле в 2,5 раза, утверждают авторы анализа: 392 тыс. руб. против 996,8 тыс. руб. за Össur. Участники рынка, опрошенные РБК, не смогли оценить разработки ИНЭУМа: они не прошли сертификацию и еще не представлены на рынке.

Роботы для молодых

В прошлом году государство закупило модули роботизированных протезов для 328 пациентов, следует из данных Минтруда. Как правило, роботизированные протезы получают инвалиды молодого возраста, отмечает представитель ведомства: людям пожилого возраста, а также пациентам с тяжелыми заболеваниями сердечно-сосудистой системы, нарушением координации движения или психических функций «может быть противопоказано использование сложных изделий, требующих значительных усилий и внимания при эксплуатации».

На самом деле потребность в роботизированных протезах гораздо больше, чем несколько сотен в год, уверен Знайко. Примерно половина заявок на протезы поступает от людей трудоспособного возраста до 60 лет, говорит он, основываясь на данных Минздрава. Если «из этих людей взять наиболее активных, которые хотят ходить с минимальными ограничениями, на велосипеде ездить», то получится как минимум 16 тыс. потенциальных потребителей роботизированных протезов, считает ученый.

«Емкость рынка гигантская», — согласен исполнительный директор кластера биомедицинских технологий «Сколково» Кирилл Каем. Но так как основным заказчиком является государство, реальный спрос ограничен возможностями бюджета, отмечает он. «В ближайшее время существенного изменения финансирования закупок протезов с электронным управлением не ожидаем», — признает заместитель гендиректора группы «ОТТО БОКК Россия» Андрей Костин. Из-за бюджетных ограничений более вероятно, что выбор будет сделан в пользу дешевых решений, считает он: например, протезов с гидравлическим или пневматическим управлением. «Они вполне функциональны и удовлетворяют запросам большинства людей», — заключает он и добавляет, что они «дешевле электронных протезов в три-четыре раза». Качество не то, возражает Знайко: протез от ИНЭУМа будет управляться почти на подсознательном уровне. Ученый считает, что у его проекта существует даже экспортный потенциал: «Например, в Китае 90 млн людей нуждаются в протезировании нижних конечностей».

На сертификацию в Росздравнадзоре и разработку линейки типоразмеров ему требуется еще около 130 млн руб. Покрыть затраты Знайко надеется за счет еще одной субсидии Минпромторга или частных инвестиций. «Ростех» намерен способствовать ИНЭУМу в прохождении сертификации, кроме того, не исключено предоставление внутрикорпоративного займа, говорит представитель госкорпорации. Обсуждать подробности он отказался, сославшись на отсутствие определенности.

Если все сложится удачно, то в начале 2018 года Знайко рассчитывает выпустить первую партию из ста роботизированных протезов. И в течение последующих пяти лет нарастить производство до 700 штук в год. Чистая прибыль от продажи первой партии в 2018 году составит 3,6 млн руб. при выручке 22 млн руб., следует из бизнес-плана ИНЭУМа. К 2023 году суммарная чистая прибыль за шесть лет превысит 356 млн руб., выручка — 2 млрд руб.

Даже если разработки ИНЭУМа не будут пользоваться массовым спросом, их перспективы «колоссальны», считает представитель «Ростеха»: «Это технологии, за которыми будущее». По его мнению, научные наработки и компетенции, полученные при создании роботизированных протезов, можно будет использовать как в гражданских, так и в военных целях. Например, создать антропоморфных роботов, способных выполнять опасную для человека работу, или экзоскелеты для реабилитации парализованных людей.

«Мы предполагаем использовать весь потенциал, который у нас сейчас есть», — с готовностью подтверждает Знайко, а это, по его словам, достижения в нейротехнологиях, мехатронике, новых материалах. Если бы человечество не стремилось к развитию, то до сих пор ездило бы на телегах, отмечает он: «Жизнь заставляет действовать!»

По прогнозу профессора Каплана, через пять лет роботизированные протезы займут 85% мирового рынка, из них 20% будут управляться мозгом.