Роботов можно использовать для получения объективных показателей состояния пациента и результатов лечения, помощи в диагностике, индивидуальной терапии в зависимости от двигательных способностей пациента, а также для обеспечения соблюдения режимов лечения и ведения истории болезни пациента. Во многих исследованиях показано значительное улучшение двигательной функции верхних конечностей после инсульта с использованием робототехники для реабилитации верхних конечностей. Для того чтобы роботизированный протез работал, он должен иметь несколько компонентов, позволяющих интегрировать его в функцию тела: Биосенсоры улавливают сигналы от нервной или мышечной систем пользователя. Затем он передает эту информацию контроллеру, расположенному внутри устройства, и обрабатывает обратную связь от конечности и привода, например, положение или усилие, и отправляет ее на контроллер. Примеры включают поверхностные электроды, которые обнаруживают электрическую активность на коже, игольчатые электроды, имплантированные в мышцы, или массивы твердотельных электродов с прорастающими через них нервами. Один из видов таких биосенсоров используется в миоэлектрических протезах.

Устройство, известное как контроллер, подключается к нервной и мышечной системам пользователя и к самому устройству. Он отправляет команды намерения от пользователя на приводы устройства и интерпретирует обратную связь от механических и биосенсоров для пользователя. Контроллер также отвечает за мониторинг и управление движениями устройства.

Привод имитирует действия мышц при создании силы и движения. Примеры включают двигатель, который помогает или заменяет исходную мышечную ткань.

Целенаправленная мышечная реиннервация (ПМР) — это метод, при котором двигательные нервы, которые ранее контролировали мышцы ампутированной конечности, хирургическим путем перенаправляются таким образом, чтобы реиннервировать небольшой участок крупной неповрежденной мышцы, такой как « большая грудная мышца". В результате, когда пациент думает о движении большого пальца отсутствующей руки, вместо этого сокращается небольшой участок мышцы на его груди. Поместив датчики на реиннервированную мышцу, эти сокращения могут управлять движением соответствующей части роботизированного протеза.

Вариант этой техники называется целевой сенсорной реиннервацией (TSR). Эта процедура аналогична ПМР, за исключением того, что чувствительные нервы хирургическим путем перенаправляются на кожу на груди, а не двигательные нервы перенаправляются на мышцы. В последнее время роботизированные конечности улучшили свою способность принимать сигналы от человеческого мозга и преобразовывать эти сигналы в движение искусственной конечности. DARPA, исследовательское подразделение Пентагона, работает над тем, чтобы еще больше продвинуться в этой области. Их желание состоит в том, чтобы создать искусственную конечность, которая напрямую связана с нервной системой.

2.5.3 Крепление к телу

Большинство протезов можно прикрепить к внешней части тела непостоянным образом. Однако некоторые другие могут быть прикреплены на постоянной основе. Одним из таких примеров является экзопротез.

2.5.3.1 Прямое прикрепление к кости и остеоинтеграция

Остеоинтеграция — это метод прикрепления протеза к телу. Этот метод также иногда называют экзопротезированием (прикрепление протеза к кости) или эндо-экзопротезированием.

Метод культи и гильзы может вызвать сильную боль у человека с ампутированной конечностью, поэтому прямое прикрепление кости широко исследовано. Метод работает путем введения титанового болта в кость на конце культи. Через несколько месяцев кость прикрепляется к титановому болту, а к титановому болту прикрепляется абатмент. Абатмент выдвигается из культи, и к нему прикрепляется (съемный) протез. Некоторые из преимуществ этого метода включают следующее:

  • Лучшее управление мышцами протеза.
  • Возможность длительного ношения протеза; с методом культи и гнезда это невозможно.
  • Способность трансфеморальных ампутантов управлять автомобилем.

Основным недостатком этого метода является то, что люди с ампутированными конечностями с прямым прикреплением кости не могут оказывать сильного воздействия на конечность, например, при беге трусцой, из-за возможности перелома кости.

2.5.3.2 Космезис

Косметические протезы уже давно используются для маскировки травм и уродств. С развитием современных технологий космезис стало возможным создание реалистичных конечностей из силикона или ПВХ. Такие протезы, в том числе искусственные руки, теперь могут быть спроектированы так, чтобы имитировать внешний вид настоящих рук с веснушками, венами, волосами, отпечатками пальцев и даже татуировками. Косметика, изготовленная на заказ, как правило, дороже (стоит тысячи долларов США, в зависимости от уровня детализации), в то время как стандартная косметика изготавливается заранее в различных размерах, хотя часто она не так реалистична, как ее аналоги, сделанные на заказ. Другой вариант — силиконовое покрытие, изготовленное на заказ, которое может соответствовать тону кожи человека, но не таким деталям, как веснушки или морщины. Косметика прикрепляется к телу любыми способами: с помощью клея, присоски, облегающей, растягивающейся кожи или кожного рукава.

2.5.3.3 Познание

В отличие от нейромоторных протезов, нейрокогнитивные протезы будут ощущать или модулировать нервную функцию, чтобы физически восстанавливать или усиливать когнитивные процессы, такие как исполнительная функция, внимание, язык и память. В настоящее время нет нейрокогнитивных протезов, но было предложено разработать имплантируемые нейрокогнитивные интерфейсы мозг-компьютер для помощи в лечении таких состояний, как инсульт, черепно-мозговая травма, церебральный паралич, аутизм и болезнь Альцгеймера. [94] Недавняя область вспомогательных технологий для познания касается разработки технологий для увеличения человеческого познания. Устройства планирования, такие как Neuropage, напоминают пользователям с нарушениями памяти, когда следует выполнять определенные действия, например, посетить врача. Устройства микроподсказок, такие как PEAT, AbleLink и Guide, использовались, чтобы помочь пользователям с проблемами памяти и исполнительной функции выполнять повседневную деятельность.

2.5.4 Конструкция протезаОсновной целью роботизированного протеза является обеспечение активного срабатывания во время ходьбы для улучшения биомеханики походки, включая, среди прочего, устойчивость, симметрию, или расход энергии для людей с ампутированными конечностями. В настоящее время на рынке имеется несколько механических протезов ног, в том числе полностью механические ноги, в которых приводы непосредственно приводят в движение суставы, и полуактивные ноги, которые используют небольшое количество энергии и небольшой привод для изменения механических свойств ноги, но не не вводить чистую положительную энергию в походку. Конкретные примеры включают emPOWER от BionX, Proprio Foot от Ossur и Elan Foot от Endolite. Различные исследовательские группы также экспериментировали с роботизированными ногами в течение последнего десятилетия. Основные изучаемые вопросы включают проектирование поведения устройства во время фаз стояния и поворота, распознавание текущей задачи передвижения и различные проблемы механического проектирования, такие как надежность, вес, время автономной работы/эффективность и уровень шума. Однако ученые из Стэнфордского университета и Сеульского национального университета разработали системы искусственных нервов, которые помогут чувствовать протезы конечностей. Эта синтетическая нервная система позволяет протезам чувствовать брайль, ощущать осязание и реагировать на окружающую среду.

2.6 Мышечная система человеческого тела

Мышечная система – это система органов, состоящая из скелетных, гладких и сердечных мускулов. Он позволяет двигаться телу, поддерживает осанку и обеспечивает циркуляцию крови по всему телу. Мышечные системы у позвоночных управляются через нервную систему, хотя некоторые мышцы (например, сердечная мышца) могут быть полностью автономными. Вместе с костной системой он образует опорно-двигательный аппарат, отвечающий за движение тела человека.

2.6.1 Мышцы

Различают три различных типа мышц: скелетные мышцы, сердечные или сердечные мышцы и гладкие (неполосатые) мышцы. Мышцы обеспечивают силу, баланс, осанку, движение и тепло для тела, чтобы согреться.

2.6.1.1 Скелетные мышцы

Скелетные мышцы, как и другие полосатые мышцы, состоят из миоцитов, или мышечных волокон, которые, в свою очередь, состоят из миофибрилл, состоящих из саркомеров, основного строительного блока поперечно-полосатой мышечной ткани. При стимуляции потенциалом действия скелетные мышцы осуществляют координированное сокращение, укорачивая каждый саркомер. Лучшей предлагаемой моделью для понимания сокращения является модель скользящих нитей мышечного сокращения. Внутри саркомера актиновые и миозиновые волокна перекрываются в сократительном движении навстречу друг другу. Миозиновые филаменты имеют булавовидные головки, выступающие в сторону актиновых филаментов.

Более крупные структуры вдоль миозиновых филаментов, называемые миозиновыми головками, используются для обеспечения точек прикрепления на сайтах связывания актиновых филаментов. Головки миозина двигаются координированно; они поворачиваются к центру саркомера, отсоединяются, а затем снова прикрепляются к ближайшему активному участку актиновой нити. Это называется приводной системой храпового типа.

На этот процесс расходуется большое количество аденозинтрифосфата (АТФ), источника энергии клетки. АТФ связывается с поперечными мостиками между головками миозина и актиновыми филаментами. Высвобождение энергии приводит в движение головку миозина. Когда АТФ используется, он становится аденозиндифосфатом (АДФ), и, поскольку мышцы хранят мало АТФ, они должны постоянно замещать высвобождаемый АДФ АТФ. Мышечная ткань также содержит запас быстродействующего химического вещества креатинфосфат, который при необходимости может способствовать быстрой регенерации АДФ в АТФ.

В теле человека примерно 639 скелетных мышц.

2.6.1.2 Сердечная мышца

Сердечные мышцы отличаются от скелетных тем, что мышечные волокна латерально соединены друг с другом. Кроме того, как и в случае с гладкими мышцами, их движения непроизвольны. Мышцы сердца контролируются синусовым узлом, находящимся под влиянием вегетативной нервной системы.

2.6.1.3 Гладкая мускулатура

Гладкие мышцы контролируются непосредственно вегетативной нервной системой и действуют непроизвольно, а это означает, что они не могут быть движимы сознательной мыслью. Такие функции, как сердцебиение и легкие (которые можно произвольно контролировать, пусть и в ограниченной степени), являются непроизвольными мышцами, но не гладкими мышцами.

ГЛАВА — 3

МЕТОДОЛОГИЯ

Как мы читали ранее в статье, бионика — это наука о создании искусственных систем, обладающих некоторыми характеристиками живых систем. Большая часть населения мира имеет различные виды уродств, которые возникают при рождении, случайно или вследствие какого-либо заболевания в более позднем возрасте.

Все это создает проблемы для носителя, чтобы жить своей повседневной жизнью в нормальной форме, поскольку общество и традиционные структуры спроектированы соответствующим образом, что требует дополнительных усилий для людей с уродствами.

Число детей, рожденных с уродствами в странах третьего мира, так велико, и проблема усугубляется тем, что в этих странах даже нет адекватных медицинских учреждений и средств для решения этой проблемы, что, в свою очередь, оказывает неблагоприятное воздействие на экономику, как и на население. не в состоянии выполнять работу и зарабатывать деньги, чтобы помочь ВВП повысить текучесть экономики и денег.

Организация Объединенных Наций и Всемирная организация здравоохранения реализуют различные программы для борьбы с этими проблемами. «Глобальный отчет March of Dimes о врожденных дефектах, скрытых потерях умирающих и детей-инвалидов» — это отчет, опубликованный ВОЗ об отчете о рождении младенцев во всем мире.

Этот новый отчет от March of Dimes является первым, в котором представлена ​​глобальная оценка серьезных врожденных дефектов генетического или частично генетического происхождения. В нем подробно описаны показатели распространенности рождаемости и количество пораженных рождений в 193 странах. В отчете рекомендуются шаги, которые можно предпринять для предотвращения врожденных дефектов и улучшения ухода за больными в развивающихся странах. Опыт стран с высоким уровнем дохода показывает, что общая смертность и инвалидность от врожденных дефектов могут быть снижены на 70 процентов, если рекомендации, содержащиеся в этом отчете, будут широко выполняться.

Основные моменты, поднятые в этом отчете, заключаются в том, что большинство этих уродств у младенцев вызвано недостатком питательных веществ у матери. Поскольку мы знаем, что большое количество населения в мире находится за чертой бедности и недостаточно стабильно, чтобы зарабатывать средства к существованию и может легко получить основные удобства, чтобы жить своей жизнью. В таком сценарии, как они могут заботиться об уродствах своих подопечных?

Каждые 4,5 минуты в США рождается ребенок с врожденным дефектом. Это означает, что почти 120 000 детей ежегодно страдают от врожденных дефектов.

Врожденные дефекты — это структурные изменения, присутствующие при рождении, которые могут затронуть практически любую часть или части тела (например, сердце, мозг, стопу). Они могут повлиять на то, как тело выглядит, работает или и то, и другое. Врожденные дефекты могут варьироваться от легких до тяжелых. Благополучие каждого ребенка с врожденным дефектом зависит главным образом от того, какой орган или часть тела поражены и насколько они поражены. В зависимости от серьезности дефекта и того, какая часть тела поражена, ожидаемая продолжительность жизни человека с врожденным дефектом может быть затронута или не затронута.

Врожденный дефект можно обнаружить до рождения, при рождении или в любое время после рождения. Большинство врожденных дефектов обнаруживаются в течение первого года жизни. Некоторые врожденные дефекты (такие как заячья губа) легко увидеть, но другие (такие как пороки сердца или потеря слуха) выявляются с помощью специальных тестов, таких как эхокардиограмма (ультразвуковое изображение сердца), рентген или проверка слуха.

Врожденные дефекты могут возникнуть на любом сроке беременности. Большинство врожденных дефектов возникает в первые 3 месяца беременности, когда формируются органы ребенка. Это очень важный этап развития. Однако некоторые врожденные дефекты возникают на более поздних сроках беременности. В течение последних шести месяцев беременности ткани и органы продолжают расти и развиваться.

Для некоторых врожденных дефектов, таких как фетальный алкогольный синдром, мы знаем причину. Но для большинства врожденных дефектов мы не знаем, что их вызывает. Мы думаем, что большинство врожденных дефектов вызвано сложным сочетанием факторов. Эти факторы включают наши гены (информация, унаследованная от наших родителей), наше поведение и вещи в окружающей среде. Но мы не до конца понимаем, как эти факторы могут работать вместе, вызывая врожденные дефекты.

Хотя нам еще предстоит проделать большую работу, мы многое узнали о врожденных дефектах благодаря прошлым исследованиям. Например, некоторые вещи могут увеличить шансы рождения ребенка с врожденным дефектом, например:

  • Курение, употребление алкоголя или прием некоторых «уличных» наркотиков во время беременности.
  • Наличие определенных заболеваний, таких как ожирение или неконтролируемый диабет до и во время беременности.
  • Прием определенных лекарств, таких как изотретиноин (препарат, используемый для лечения тяжелых форм акне).
  • Наличие кого-то в вашей семье с врожденным дефектом. Чтобы узнать больше о риске рождения ребенка с врожденным дефектом, вы можете поговорить с клиническим генетиком или консультантом по генетическим вопросам.
  • Быть пожилой матерью, как правило, старше 34 лет.

Наличие одного или нескольких из этих рисков не означает, что у вас будет беременность, связанная с врожденным дефектом. Кроме того, у женщин может родиться ребенок с врожденным дефектом, даже если у них нет ни одного из этих рисков. Младенцы с врожденными дефектами часто нуждаются в особом уходе и вмешательстве, чтобы выжить и нормально развиваться. Государственные программы отслеживания врожденных дефектов предоставляют один из способов выявления детей и направления их как можно раньше для получения необходимых им услуг. Раннее вмешательство жизненно важно для улучшения исходов у таких детей. Если у вашего ребенка врожденный дефект, вы должны спросить его или ее врача о местных ресурсах и лечении. Генетики, генетические консультанты и другие специалисты — еще один ресурс.

В Индиилюди живут среди факторов риска врожденных дефектов, таких как универсальность брака, высокая рождаемость, большое количество незапланированных беременностей, плохой охват дородовым наблюдением, плохой статус питания матери, высокий уровень кровнородственных браков и высокий уровень носительства гемоглобинопатий. Индия, являющаяся второй по численности населения страной с большим числом младенцев, ежегодно рождающихся с врожденными дефектами, должна сосредоточить свое внимание на стратегиях борьбы с врожденными дефектами. Многие стратегии, ориентированные на население, такие как йодирование, двойное обогащение соли, обогащение муки поливитаминами, добавление фолиевой кислоты, уход в период до зачатия, скрининг на носительство и пренатальный скрининг, являются одними из проверенных стратегий контроля врожденных дефектов. Такие стратегии, как йодирование соли, несмотря на то, что они были начаты в течение длительного времени в прошлом, очень мало влияют на ее потребление (только 50% использовали йодированную соль). Общинные генетические службы для борьбы с врожденными дефектами могут быть легко развиты и интегрированы с первичной медико-санитарной помощью в Индии благодаря хорошо развитой инфраструктуре и персоналу в области охраны здоровья матери и ребенка. Поскольку уровень младенческой смертности (IMR) в разных штатах Индии сильно различается, необходим уважительный подход к внедрению генетических услуг на уровне сообществ в штатах, которые уже достигли национальной цели IMR. С другой стороны, в государствах, не достигших национальной цели по IMR, приоритет должен быть отдан управлению другими причинами младенческой смертности. Согласно Глобальному отчету March of Dimes (MOD) о врожденных дефектах [2] во всем мире ежегодно рождается 7,9 миллиона детей с серьезными врожденными дефектами, и 94% этих родов происходят в странах со средним и низким доходом. страны. Согласно совместному отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и Министерства обороны США, на врожденные дефекты приходится 7% всей неонатальной смертности и 3,3 миллиона смертей в возрасте до пяти лет. В Индии распространенность врожденных дефектов колеблется от 61 до 69,9/1000 живорождений.

Все это были травмы, нанесенные при рождении ребенка, которые могут остаться с ним на всю жизнь. Но в мире немало случаев, когда люди получают различные травмы конечностей или другие органные повреждения, возникшие в результате дорожно-транспортных происшествий. В 2018 году дорожно-транспортные происшествия в Индии унесли более 1,5 миллиона жизней в стране, причем превышение скорости транспортных средств стало основной причиной несчастных случаев, говорится в правительственном отчете. Министерство дорожного транспорта и автомобильных дорог во вторник опубликовало отчет о дорожно-транспортных происшествиях в Индии. в 2018 году, что показало, что дорожно-транспортные происшествия в прошлом году увеличились на 0,46% по сравнению с 2017 годом. «В 2018 календарном году штаты и союзные территории (UT) сообщили о 4 67 044 дорожно-транспортных происшествиях. Тяжесть дорожно-транспортных происшествий измеряется число погибших на 100 аварий в 2018 году увеличилось на 0,6 процентных пункта по сравнению с предыдущим годом. и нас. Согласно Глобальному отчету ВОЗ о безопасности дорожного движения за 2018 год, на Индию приходится почти 11% смертей в результате дорожно-транспортных происшествий в мире.

Другими причинами, которые приводят к отказу органов или конечностей, являются различные заболевания, такие как диабет, и вещества, которые влияют на жизненно важные органы тела, такие как глаза, сердце, почки, печень и т. д. Диабетическая болезнь глаз — это группа заболеваний глаз, которые могут возникнуть у людей с диабетом. Эти состояния включают диабетическую ретинопатию, диабетический макулярный отек, катаракту и глаукому.

Со временем диабет может привести к повреждению глаз, что может привести к ухудшению зрения или даже к слепоте. Но вы можете предпринять шаги, чтобы предотвратить диабетическое заболевание глаз или не допустить его ухудшения, заботясь о своем диабете. Часто при первом повреждении нет предупреждающих признаков диабетического заболевания глаз или потери зрения. Полное обследование глаз с расширением зрачка помогает вашему врачу выявить и лечить проблемы с глазами на ранней стадии — часто до того, как может произойти значительная потеря зрения. В краткосрочной перспективе вы вряд ли потеряете зрение из-за высокого уровня глюкозы в крови. У людей иногда бывает нечеткое зрение в течение нескольких дней или недель, когда они меняют свой план лечения диабета или лекарства. Высокий уровень глюкозы может изменить уровень жидкости или вызвать отек тканей ваших глаз, которые помогают вам сосредоточиться, вызывая нечеткое зрение. Этот тип нечеткости зрения носит временный характер и исчезает, когда уровень глюкозы приближается к норме.

Если уровень глюкозы в крови остается высоким с течением времени, это может повредить крошечные кровеносные сосуды в задней части глаз. Это повреждение может начаться во время предиабета, когда уровень глюкозы в крови выше нормы, но недостаточно высок для того, чтобы поставить диагноз диабет. Поврежденные кровеносные сосуды могут пропускать жидкость и вызывать отек. Также могут начать расти новые, слабые кровеносные сосуды. Эти кровеносные сосуды могут кровоточить в средней части глаза, приводить к рубцеванию или вызывать опасно высокое давление внутри глаза.

3.1 Распознавание речи: боковой амиотрофический склероз

Боковой амиотрофический склероз (БАС), также известный как болезнь двигательных нейронов (БДН) или болезнь Лу Герига, представляет собой заболевание, вызывающее гибель нейронов, контролирующих произвольные мышцы. Некоторые также используют термин заболевание двигательных нейронов для обозначения группы состояний, наиболее распространенным из которых является БАС. БАС характеризуется ригидностью мышц, мышечными подергиваниями и постепенно нарастающей слабостью за счет уменьшения размеров мышц. Это может начаться со слабости в руках или ногах или с затруднением говорения или глотания. Приблизительно у половины пораженных людей возникают, по крайней мере, легкие трудности с мышлением и поведением, и большинство людей испытывают боль. Большинство со временем теряют способность ходить, пользоваться руками, говорить, глотать и дышать.

Причина неизвестна в 90–95% случаев, но считается, что она связана как с генетическими, так и с факторами окружающей среды. Остальные 5–10% случаев унаследованы от родителей человека. Около половины этих генетических случаев обусловлены одним из двух конкретных генов. В основе механизма лежит повреждение как верхних, так и нижних двигательных нейронов. Диагноз основывается на признаках и симптомах человека, при этом проводится тестирование, чтобы исключить другие возможные причины.

Лекарство от БАС не известно. Целью лечения является улучшение симптомов. Препарат под названием рилузол может продлить жизнь примерно на два-три месяца. Неинвазивная вентиляция может привести как к улучшению качества, так и к увеличению продолжительности жизни. Искусственная вентиляция легких может продлить выживаемость, но не останавливает прогрессирование заболевания. Может помочь зондовое питание. Болезнь может поражать людей любого возраста, но обычно начинается в возрасте около 60 лет, а в наследственных случаях - в возрасте около 50 лет. Средняя выживаемость от начала до смерти составляет от двух до четырех лет, хотя это может варьироваться, и около 10% выживают. дольше 10 лет. Большинство умирает от дыхательной недостаточности. В Европе болезнь поражает примерно двух-трех человек на 100 000 человек в год. Ставки в большей части мира неясны. В Соединенных Штатах это чаще встречается у белых людей, чем у черных людей.

Описания болезни датируются как минимум 1824 годом Чарльзом Беллом. В 1869 году связь между симптомами и лежащими в их основе неврологическими проблемами была впервые описана Жаном-Мартеном Шарко, который в 1874 году начал использовать термин боковой амиотрофический склероз. Он стал широко известен в Соединенных Штатах в 20-м веке, когда в 1939 году он поразил бейсболиста Лу Герига, а затем во всем мире после диагноза космолога Стивен Хокинг в 1963 году. Первый ген БАС был обнаружен в 1993 году, а первая животная модель была разработана в 1994 году. В 2014 году видео Ice Bucket Challenge стали вирусными в Интернете и повысили осведомленность общественности об этом заболевании.

БАС — это заболевание двигательных нейронов, также пишется как заболевание двигательных нейронов, которое представляет собой группу неврологических расстройств, избирательно поражающих мотонейроны, клетки, контролирующие произвольные мышцы тела. [2] Заболевания двигательных нейронов включают боковой амиотрофический склероз (БАС), первичный боковой склероз (ПЛС), прогрессирующую мышечную атрофию (ПМА), прогрессирующий бульбарный паралич, псевдобульбарный паралич и мономеликозную амиотрофию (ММА). [25]

Сам БАС можно классифицировать несколькими способами: по скорости прогрессирования заболевания (медленные и быстрые прогрессирующие), по наследственности или спорадичности, а также по тому, где оно начинается. Примерно в 25 % случаев в первую очередь поражаются мышцы лица, рта и горла, потому что мотонейроны в части ствола мозга, называемой продолговатый мозг (ранее называвшейся луковицей), начинают гибнуть первыми вместе с нижними нейронами. двигательные нейроны. Эта форма называется бульбарным началом. Примерно в 5% случаев в первую очередь поражаются мышцы туловища. В большинстве случаев заболевание распространяется и поражает другие отделы спинного мозга. Некоторые люди с БАС имеют симптомы, которые ограничены одной областью спинного мозга в течение как минимум 12–24 месяцев, прежде чем распространиться на вторую область; эти региональные варианты БАС связаны с лучшим прогнозом.

3.1.1 Использование искусственного интеллекта

Люди, страдающие БАС, теряют контроль над своими чувствами, всеми мышцами и двигательными сегментами. Все их произвольные и непроизвольные действия их тела выходят из-под контроля мозга. Этим пациентам всегда приходится полагаться на внешние среды и искусственные аугментации для выполнения своей повседневной работы, такой как ходьба, еда и дефекация. Но одна из самых больших вещей, которые влияют на них, — это их способность говорить бегло, поскольку они теряют контроль над мышцами рта, которые помогают человеку говорить, но БАС не влияет на их голосовые связки, из-за которых они могут воспроизводить голос, но без этого. с помощью мышц рта они не могли четко передать свое сообщение. Все, что они говорят, выходит тарабарщиной и непонятно для человека, с которым они общаются.

Чтобы вылечить эту проблему нарушения речи при БАС, Google разработал проект «Euphoria», чтобы помочь пациентам, который использует технологию распознавания речи искусственного интеллекта, которая была обучена с образцами голоса человека. Пациенты с БАС, а затем синтезировать образцы голоса и сравнить их с образцом речи нормального человека на своем родном языке, а затем распознать, что человек хочет сказать, и после этого перемодулировать входной образец голоса в собственный голос человека или другой стандартный голос и произнести его в ответ. другому лицу, для которого оно предназначено.

Как мы знаем, в физике звук — это вибрация, которая распространяется как акустическая волна через передающую среду, такую ​​как газ, жидкость или твердое тело. В физиологии и психологии человека звук — это прием таких волн и восприятие их мозгом. Только акустические волны, частоты которых находятся между 20 Гц и 20 кГц, вызывают у людей слуховое восприятие. Звуковые волны выше 20 кГц известны как ультразвук и не слышны человеку. Звуковые волны ниже 20 Гц известны как инфразвук. У разных видов животных разный диапазон слуха. Описание звука в волновых формах помогает звукорежиссёру изменить некоторые характеристики голосовых образцов пациентов и сравнить их с нормальными голосовыми образцами, а затем глубокая нейронная сеть обработает их, чтобы извлечь другие факторы, а затем обучить модель синтезу. другие голосовые вводы пациента с БАС, которые не были частью обучающих данных с высокой точностью.

3.1.2 Что такое проект Euphoria?

Проект Euphonia — это совместная работа между ALS TDI и Google для разработки инструментов, помогающих пациентам с БАС с нарушениями речи общаться. Проект Euphonia направлен на то, чтобы научить стандартные алгоритмы распознавания речи Google понимать речь людей, которым трудно говорить из-за ослабления лицевых мышц из-за БАС. Проект Euphonia частично опирается на данные Программы точной медицины (PMP) ALS TDI. PMP является наиболее полным и продолжительным трансляционным исследованием БАС. Через PMP исследователи из ALS TDI сотрудничают с людьми с БАС по всему миру, чтобы делиться и собирать данные о голосе, движениях, образе жизни, медицинских и семейных историях, генетике, биомаркерах и биологии клеток пациента, чтобы лучше понять болезнь.

Многие участники PMP записали сотни или тысячи определенных фраз, чтобы помочь улучшить алгоритмы распознавания речи Google, что позволяет мобильным телефонам и компьютерам более надежно распознавать и расшифровывать выраженные фразы. Это может позволить людям с БАС самостоятельно отправлять текстовые сообщения или генерировать голосовые команды с помощью устройств Google Home.

Полезность технологии зависит от ее доступности. Одним из ключевых компонентов доступности является автоматическое распознавание речи (ASR), которое может значительно улучшить способность людей с нарушениями речи взаимодействовать с повседневными интеллектуальными устройствами. Однако системы ASR чаще всего обучаются на типичной речи, а это означает, что недопредставленные группы, такие как люди с нарушениями речи или сильным акцентом, не имеют такой же степени полезности. Например, боковой амиотрофический склероз (БАС) — это заболевание, которое может негативно повлиять на речь человека — около 25% людей с БАС испытывают невнятную речь в качестве первого симптома. Кроме того, большинство людей с БАС со временем теряют способность ходить, поэтому возможность взаимодействовать с автоматизированными устройствами на расстоянии может быть очень важна. Тем не менее, современные современные модели ASR могут давать высокий коэффициент ошибок в словах (WER) для говорящих с умеренными нарушениями речи из-за ALS, фактически блокируя доступ к технологиям, зависящим от ASR. В Персонализации ASR для дизартричной и акцентированной речи с ограниченными данными, который будет представлен на Interspeech 2019, мы описываем некоторые исследования, лежащие в основе Project Euphonia, платформы ASR, которая выполняет транскрипцию речи в текст. В этой работе представлен подход к улучшению ASR для людей с БАС, который также может быть применим ко многим другим типам нестандартной речи. Используя двухэтапный подход к обучению, который начинается с базового стандартного корпуса, а затем настраивает обучение с помощью персонализированного набора речевых данных, мы продемонстрировали значительные улучшения для говорящих с нетипичной речью по сравнению с текущими современными моделями.

3.1.3.1 Двухэтапный подход к обучению

Чтобы создать модели ASR, работающие с нестандартной речью, необходимо решить две проблемы. Во-первых, в пределах определенного класса атипичной речи, будь то региональный акцент или нарушение речи, например, люди могут демонстрировать очень разные способы речи. Наш подход касается этой неоднородности подгрупп путем обучения модели ASR в два этапа. Мы начинаем с высококачественной модели ASR, обученной на тысячах часов стандартной речи, а затем настраиваем части модели на человека с нестандартной речью. Этот подход аналогичен подходу Parrotron: обе системы используют сквозные нейронные сети для улучшения коммуникации и доступности, но Parrotron фокусируется исключительно на преобразовании речи в речь, где речь человека преобразуется непосредственно в синтезированную речь. а не текст.

Вторая проблема возникает из-за сложности сбора достаточного количества данных для обучения современного распознавателя для отдельных лиц. Типичные распознаватели речи обучаются на тысячах часов речи многих разных говорящих. Получение такого большого количества данных от одного говорящего практически невозможно, особенно если говорящий может испытывать усталость от разговора из-за состояния здоровья. Наш подход преодолевает эту проблему, сначала обучая базовую модель на большом корпусе типичной речи, а затем обучая персонализированную модель, используя гораздо меньший набор данных с целевыми нестандартными речевыми характеристиками.

3.1.3.2 Архитектура нейронной сети

При разработке моделей, используемых для обучения данных по нетипичной речи, мы исследовали две разные нейронные архитектуры. Первый — это RNN-преобразователь (RNN-T), архитектура нейронной сети, состоящая из сетей кодировщика и декодера, которая показала хорошие результаты на многочисленных задачах ASR. Кодер является двунаправленным (т. е. он просматривает все предложение сразу, чтобы обеспечить контекст), и поэтому для распознавания речи требуется весь аудиосэмпл. Другой архитектурой, которую мы исследовали, была Слушай, слушай и произноси (LAS), которая представляет собой основанную на внимании модель последовательности к последовательности, которая сопоставляет последовательности акустических свойств с последовательностями языков. Эта модель использует кодировщик для преобразования последовательности акустических кадров в последовательность внутренних представлений и декодер для преобразования последовательности внутренних представлений в лингвистический вывод. Сеть производит кусочки слов, которые представляют собой лингвистическое представление между графемами и словами.

Мы экспериментировали с тонкой настройкой современных базовых моделей RNN-T и LAS на двух типах нестандартной речи. В партнерстве с Институтом развития терапии БАС мы впервые собрали около 36 часов аудиозаписей от 67 ораторов, страдающих БАС. Участники записывали себя на своих домашних компьютерах, используя специальное программное обеспечение, в то время как они читали предложения из очень ограниченной языковой области. Многие фразы представляли собой отдельные предложения с простой грамматической структурой (например, Во сколько сегодня баскетбольный матч?). Это контрастирует с неограниченными языковыми доменами, которые включают предметно-специфическую лексику (например, научные доклады) и сложную языковую структуру (например, дебаты). Записи не включали многие слова-паразиты, распространенные в обычной речи, такие как ум и ух.

Они также проверили речь с акцентом, используя набор данных L2 Arctic с открытым исходным кодом для неродной речи, который состоит из 20 говорящих, каждый из которых говорит примерно по 1 часу речи. Каждый спикер записал набор из 1150 высказываний из Арктических подсказок КМУ.

Модель RNN-T достигла 91% улучшения за счет точной настройки всего двух слоев, большинство из которых близки к входным данным. В акцентированном наборе данных точная настройка тех же двух слоев достигла 86% относительного улучшения по сравнению с точной настройкой всей сети. Это согласуется с предыдущей, речевой, работой.

Большая часть прироста производительности была достигнута в начале обучения. Модели, которые мы обучали, были протестированы в относительно ограниченной области словарного запаса и лингвистической сложности, поэтому показатели производительности не обязательно связаны с тем, насколько хорошо модели справляются с более общими задачами. Мы надеемся, что только тонкая настройка части сети позволит ей сохранить акустическую и лингвистическую информацию из общей модели речи, при этом потребуются минимальные модификации для адаптации к одному новому говорящему. Будущая работа проверит эту гипотезу.

3.1.3.3 Поведение модели

Чтобы лучше понять, как наши модели улучшились после тонкой настройки, мы рассмотрели закономерности фонемных ошибок. Мы начали со сравнения распределения фонемных ошибок, сделанных базовой моделью ASR в стандартной речи, с ошибками, сделанными в речи ALS. Фонемы SAMPA с пятью самыми большими различиями между данными ALS и стандартной речью: p, U, f, k и Z,которыеобусловливают 20 % ошибок удаления. Точно так же фонемы n и m вместе составляют 17% ошибок вставки/замены. Тот же анализ наших доработанных моделей подтверждает, что распределение нераспознанных фонем больше похоже на распределение стандартной речи.

Наш анализ показывает, что у каждой ошибки есть два аспекта: какую фонему система не понимает, и какая фонема, по мнению системы, была произнесена. Представьте себе две системы с одинаковой точностью: одна система всегда думает, что фонема f на самом деле является фонемой g, а другая не знает, что такое f. em> фонема есть и случайным образом угадывается. Эти две системы будут иметь одинаковую производительность и одинаковое распределение фонемных ошибок, но очень разные распределения прогнозируемой фонемы при допущении ошибки. Удивительно, но ошибки ASR в речи ALS гораздо больше похожи на обычные речевые ошибки после тонкой настройки Euphonia.

3.2 Bionic Eye и использование ИИ для ухода за глазами

Бионический глаз, электрический протез, хирургически имплантированный в человеческий глаз, чтобы обеспечить преобразование света (преобразование света из окружающей среды в импульсы, которые мозг может обрабатывать) у людей с серьезным повреждением сетчатки.

Сетчатка представляет собой светочувствительный слой ткани, находящийся внутри глаза, который преобразует изображения, полученные из внешнего мира, в нервные импульсы, которые затем передаются по зрительному нерву в таламус и, в конечном счете, в первичную зрительную кору (центр обработки изображений). , расположенный в затылочной доле головного мозга. Люди, которые, скорее всего, выиграют от бионического глаза, — это люди среднего или пожилого возраста с очень плохим зрением, связанным с возрастной дегенерацией желтого пятна (состояние, которое вызывает дегенерацию клеток, находящихся в центре сетчатки) или пигментным ретинитом (расстройство сетчатки). группа наследственных заболеваний, при которых разрушаются светочувствительные палочки и колбочки клеток сетчатки). В то время как сетчатка повреждена этими заболеваниями, некоторые ганглиозные клетки сетчатки должны оставаться неповрежденными, чтобы бионический глаз функционировал должным образом. Пострадавшие люди должны были иметь возможность видеть в какой-то момент своей жизни, чтобы создать нервные связи в мозгу, чтобы устройство функционировало. Обширное повреждение зрительного нерва или зрительной коры также делает имплантацию бионического глаза бесполезной.

Бионический глаз состоит из внешней камеры и передатчика, а также внутреннего микрочипа. Камера крепится на очках, где она служит для организации зрительных стимулов окружающей среды перед излучением высокочастотных радиоволн. Микрочип-стимулятор состоит из массива электродов, который хирургическим путем имплантируется в сетчатку. Это работает как электрическое реле вместо вырожденных клеток сетчатки. Радиоволны, излучаемые внешней камерой и передатчиком, принимаются стимулятором, который затем запускает электрические импульсы. Импульсы передаются несколькими оставшимися клетками сетчатки и, как обычно, передаются по пути зрительного нерва, что приводит к зрению.

О первой имплантации рудиментарной версии бионического глаза было сообщено в 2012 году. Пациент, который страдал от глубокой потери зрения в результате пигментного ретинита, сообщил, что может видеть свет, но не может различать предметы в окружающей среде. Первая модель была создана австралийской компанией Bionic Vision Australia. Более продвинутые технологии, разработанные с тех пор, использовались в новых моделях, имплантированных пациентам, чье зрение было нарушено пигментным ретинитом. Усовершенствованные модели позволили пациентам мельком увидеть окружающую их среду, позволяя им различать абстрактные образы, хотя их зрение не было полностью восстановлено.

3.2.1 Система протезов сетчатки Argus II

Система протезов сетчатки Argus II может обеспечивать зрение путем обнаружения света людям, которые ослепли в результате дегенеративных заболеваний глаз, таких как дегенерация желтого пятна и пигментный ретинит. Оба заболевания деактивируют колбочки, палочки и сетчатку глаз, которые воспринимают световые узоры и передают их в мозг в виде нервных импульсов, где эти импульсные узоры затем расшифровываются как изображения. Система Argus II заменяет эти фоторецепторы.

3.2.1.1 Работа

В норме зрение начинается, когда лучи света падают на колбочки и палочки и интерпретируются сетчаткой через зрительные нервы. Эти клетки преобразуют оптические сигналы в электрические импульсы, которые через зрительный нерв передаются в мозг. Заболевания сетчатки, такие как дегенерация ARM и RP, разрушают зрение, разрушая эти клетки.

В искусственном бионическом глазу миниатюрная камера, установленная на окуляре, захватывает изображения и по беспроводной сети отправляет информацию на микроконтроллер, который преобразует данные в электронный сигнал и повторно передает их на приемник на глазу. Приемник отправляет сигналы по оптическому кабелю на массив микроэлектродов, который запускает излучение импульса. Таким образом, устройство искусственной сетчатки обходит стандартные фоторецепторные клетки и передает электрические сигналы непосредственно оставшимся жизнеспособным клеткам сетчатки. Эти импульсы проходят по зрительным нервам в головной мозг. Затем мозг извлекает образцы светлых и темных пятен, которые соответствуют стимуляции электродов. Пациенты учатся интерпретировать эти визуальные паттерны. Субъектам требуется некоторая подготовка, чтобы действительно увидеть дерево. Сначала они видят в основном светлые и темные пятна. Но со временем они учатся интерпретировать то, что им показывает мозг. В конце концов они воспринимают эти узоры из света и тьмы как дерево. Исследователи уже планируют третью версию, которая состоит из тысяч электродов на имплантате сетчатки, и они считают, что это может позволить субъектам читать и распознавать лица.

• Встроенная в очки камера для просмотра изображения

• Сигналы отправляются на портативное устройство

• Обработанная информация отправляется обратно во встроенные очки и по беспроводной связи передается обратно на приемник под поверхность глаза.

• Приемник отправляет информацию на электроды в имплантате сетчатки.

• Электроды стимулируют сетчатку для отправки информации в мозг.

3.2.2 Диебатическая ретинопатия с использованием ИИ

Искусственный интеллект (ИИ) — потенциальная масштабируемая альтернатива скринингу диабетической ретинопатии. Это помогает снизить нагрузку на офтальмологов и преодолеть барьеры телеофтальмологии. Недавние достижения в области машинного обучения и сверточных нейронных сетей позволили анализировать большие объемы данных, распознавать закономерности и создавать отчеты. Алгоритмы искусственного интеллекта, разработанные для скрининга DR (например, Google AI, EyeArt и IDx-DR), работают на облачных платформах. Захваченные изображения загружаются онлайн, и алгоритм обеспечивает результат в течение приемлемого времени оборота. В странах с низким и средним уровнем дохода ограниченный доступ в Интернет или ограниченная пропускная способность ограничивают использование этих решений. Кроме того, большинство камер, интегрированных с программным обеспечением ИИ, представляют собой традиционные дорогие большие камеры глазного дна, которые требуют от оператора захвата расширенного изображения сетчатки.

Алгоритм искусственного интеллекта от Medios Technologies, Сингапур, насколько нам известно, является первым автономным программным обеспечением для скрининга DR, интегрированным с камерой глазного дна на смартфоне, немидриатической (NM) фундус-на-телефоне (FOP) Remidio. Исследования, оценивающие производительность этого алгоритма, ограничены. Это исследование направлено на оценку производительности автономного алгоритма искусственного интеллекта — скрининга Medios в DR с использованием изображений сетчатки NM, полученных с камеры сетчатки Remidio NM FOP на смартфоне.

3.2.3Методы

В этом перекрестном исследовании проспективно приняли участие 922 человека с сахарным диабетом. Изображения сетчатки NM (в центре диска и макулы) для каждого глаза были получены с помощью камеры Remidio NM для глазного дна на телефоне (FOP). Изображения запускались в автономном режиме, и был записан диагноз ИИ (присутствие или отсутствие ДР). Диагноз ИИ сравнивался с диагнозом изображения пяти специалистов по сетчатке (большинство диагнозов считалось достоверным).

Анализ включал изображения 900 человек (у 252 была ДР). Было обнаружено, что для любого ДР чувствительность и специфичность алгоритма ИИ составляют 83,3% (95% ДИ от 80,9% до 85,7%) и 95,5% (95% ДИ от 94,1% до 96,8%). Чувствительность и специфичность алгоритма ИИ при выявлении референтной ДР (RDR) составила 93% (95% ДИ от 91,3% до 94,7%) и 92,5% (95% ДИ от 90,8% до 94,2%).

3.3 Кохлеарный имплант

Кохлеарный имплантат, электрическое устройство, хирургически вводимое в человеческое ухо, которое позволяет обнаруживать звук у людей с тяжелыми нарушениями слуха. Улитка представляет собой спиральную сенсорную структуру во внутреннем ухе, которая играет фундаментальную роль в слухе. Он иннервируется улитковым нервом, который ответвляется от более крупного преддверно-улиткового нерва и служит первичным волокном для передачи электрических импульсов, несущих информацию о звуке из внешней среды к слуховому ядру, или центру обработки звука, мозга. Кохлеарные имплантаты чаще всего используются у взрослых, страдающих глубокой сенсоневральной глухотой (потеря слуха, вызванная повреждением или врожденной деформацией внутреннего уха), хотя дети с этой формой глухоты, которым не помогают наружные слуховые аппараты, также могут быть кандидатами на кохлеарную глухоту. имплантация.

Современные кохлеарные импланты имеют как внешние, так и внутренние компоненты. Внешние части включают микрофон, кончик которого упирается чуть выше наружного слухового прохода; звуковой процессор, организующий звук, воспринимаемый микрофоном; и передатчик, который состоит из электрической катушки, удерживаемой на месте магнитом, и передает информацию посредством электромагнитной индукции или радиочастоты от процессора к приемнику/стимулятору, который находится под кожей. Приемник/стимулятор закрепляется в височной кости и является одним из двух основных внутренних компонентов кохлеарного устройства, вторым из которых является массив электродов, имплантированный вдоль кохлеарного нервного волокна. Приемник/стимулятор преобразует сигналы передатчика в электрические импульсы, которые передаются по кабелю на электродную решетку. Этот механизм проведения импульса имитирует нормальную функцию кохлеарного нерва, стимулируя нервные волокна, ведущие к слуховому ядру.

Многие пациенты с кохлеарными имплантатами испытывают немедленное улучшение слуха, и те, кто быстрее всего улучшает слух, как правило, взрослые, которые потеряли слух после того, как уже развили обширные языковые и речевые навыки. Маленькие дети, которые проходят интенсивную терапию после имплантации, часто значительно улучшают распознавание речи и способность различать различные типы звуков, включая громкие и тихие звуки. Некоторые люди с кохлеарными имплантами в конечном итоге могут даже понимать речь без чтения по губам. Тем не менее, не все пациенты получают пользу в такой степени, и некоторые фактически могут испытывать полную потерю слуха в пораженном ухе в результате процедуры имплантации или наличия самого имплантата. Другие побочные эффекты, связанные с процедурой или устройством, включают инфекцию, онемение вокруг уха, шум в ушах (постоянный звон или жужжание в ушах), отторжение имплантата и повреждение лицевого нерва, который проходит через височную кость и близко к преддверно-улитковому нерву. Хирургическая имплантация кохлеарного устройства требует общей анестезии. Достижения в электродных технологиях и материалах устройств снизили риск инфекций, связанных с кохлеарными имплантами. Кроме того, уменьшенные размеры внешних частей придали новым устройствам относительно незаметный вид, хотя у маленьких детей часто бросаются в глаза микрофон и передатчик.

3.4 Бионическое или искусственное сердце

Искусственное сердце, устройство, которое поддерживает кровообращение и оксигенацию в организме человека в течение различных периодов времени. Два основных типа искусственных сердец — это аппарат искусственного кровообращения и механическое сердце.

3.4.1 Аппарат искусственного кровообращения

Аппарат искусственного кровообращения представляет собой механический насос, который поддерживает кровообращение и оксигенацию пациента во время операции на сердце, отводя кровь из венозной системы, направляя ее по трубке в искусственное легкое (оксигенатор) и возвращая ее в организм. Оксигенатор удаляет углекислый газ и добавляет кислород в кровь, которая перекачивается в артериальную систему. Крови, перекачиваемой обратно в артерии больного, достаточно для поддержания жизни даже в самых отдаленных частях тела, а также в органах с наибольшими потребностями (например, в головном мозге, почках и печени). Для этого каждую минуту необходимо перекачивать до 5 литров (1,3 галлона) или более крови. Пока сердце освобождается от своих насосных функций, его можно остановить, и хирург может провести операцию на открытом сердце, которая может включать восстановление или замену клапана, устранение дефектов внутри сердца или реваскуляризацию заблокированных артерий.

3.4.2 Механическое сердце

Механические сердца, в том числе полностью искусственные сердца и вспомогательные устройства для работы желудочков (VAD), представляют собой машины, способные заменять или поддерживать насосную функцию сердца в течение длительных периодов времени, не вызывая чрезмерного повреждения компонентов крови. Имплантация тотального искусственного сердца требует удаления обоих желудочков пациента (нижних камер). Однако при использовании VAD для поддержки правого или левого желудочка все сердце остается в организме. Механические сердца имплантируют только после того, как максимальное медицинское лечение не дало результатов. Их можно использовать для сердечной реанимации после остановки сердца, для восстановления после кардиогенного шока после операции на сердце, а также у некоторых пациентов с хронической сердечной недостаточностью, ожидающих пересадки сердца. Иногда механические сердца использовались в качестве постоянной поддержки у пациентов, которым не подходит пересадка сердца, или в качестве моста к восстановлению собственного больного сердца пациента. Цель состоит в том, чтобы предоставить безопасную и эффективную систему, которая позволяет реципиенту свободно передвигаться, тем самым улучшая качество жизни. Некоторые получатели ДВА прожили несколько лет и вернулись к работе и нормальной физической активности.

Левая VAD перекачивает насыщенную кислородом кровь из левого желудочка в аорту. Насосная часть устройства имплантируется в левую верхнюю часть живота или левую часть грудной клетки. Трубка от помпы выходит из кожи и соединяется с контроллером, который регулирует работу помпы, и с источником питания. Пневматические устройства имеют мембраны мешочков, которые перемещаются под давлением воздуха для перекачки крови, в то время как электрические устройства используют электромеханические системы для питания. Разрабатываются электрические устройства, полностью имплантируемые и не требующие выхода трубки под кожу; в этих устройствах питание помпы передается между внешними и внутренними батареями через неповрежденную кожу.

Большинство механических сердец включают в себя различные центробежные насосы, паракорпоральные пульсирующие насосы, насосы искусственного кровообращения (ИК) и внутриаортальный баллонный насос (ВАБК). Эти насосы генерируют пульсирующий поток крови и давление, подобные тем, которые возникают в естественном сердце. С другой стороны, устройства меньшего размера, известные как насосы с осевым потоком, создают непрерывный поток крови с помощью технологии типа реактивного двигателя. Опытная хирургическая бригада выбирает конкретное устройство для имплантации, оценивая размер пациента, объем поддержки, необходимой сердцу, и ожидаемую продолжительность поддержки.

Первое успешное применение механического сердца у человека было выполнено Майклом Э. Дебейки в 1966 г. После операции по замене больному аорты и митрального клапана была установлена ​​левая ДВА, позволившая отучить больного от сердечно-легочного машина; через 10 дней насосного кровотока из ДВА сердце восстановилось, и ДВА удалили. В 1970-х годах были разработаны синтетические материалы, которые значительно помогли в разработке постоянных искусственных сердец. Одно такое устройство, разработанное американским врачом Робертом К. Ярвиком, было хирургическим путем имплантировано пациенту американским хирургом Уильямом С. ДеВрисом в 1982 году. Алюминиево-пластиковое устройство, названное Ярвик-7 в честь его изобретателя, заменило два желудочка пациента. Две резиновые диафрагмы, имитирующие работу естественного сердца, приводились в действие внешним компрессором, соединенным с имплантатом шлангами. Этот первый реципиент прожил 112 дней и умер в результате различных физических осложнений, вызванных имплантатом. Последующие пациенты чувствовали себя немного лучше или даже хуже, поэтому использование Jarvik-7 было прекращено. В 2001 году группа американских хирургов имплантировала первое полностью автономное искусственное сердце, названное искусственным сердцем AbioCor. Больной прожил 151 день.

3.5 Протезы конечностей

К протезам конечностей относятся протезы как верхних, так и нижних конечностей.

Протезы верхних конечностей используются при различных уровнях ампутации: передняя четвертина, плечевая экзартикуляция, чресплечевой протез, локтевая экзартикуляция, трансрадиальный протез, лучезапястная экзартикуляция, полная кисть, частичная кисть, палец, частичный палец. Трансрадиальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет руку, отсутствующую ниже локтя.

Протезы верхних конечностей можно разделить на три основные категории: пассивные устройства, устройства с питанием от тела, устройства с внешним питанием (миоэлектрические). Пассивные устройства могут быть либо пассивными руками, в основном используемыми в косметических целях, либо пассивными инструментами, в основном используемыми для определенных видов деятельности (например, для отдыха или профессиональной деятельности). Подробный обзор и классификацию пассивных устройств можно найти в обзоре литературы Маата et.al. Пассивное устройство может быть статическим, то есть не иметь подвижных частей, или может быть регулируемым, то есть его конфигурация может быть отрегулирована (например, регулируемое отверстие для рук). Несмотря на отсутствие активного хватания, пассивные устройства очень полезны в бимануальных задачах, требующих фиксации или поддержки объекта, или для жестикуляции в социальном взаимодействии. Согласно научным данным, треть людей с ампутированными конечностями во всем мире пользуются пассивным протезом руки. Конечности с приводом от тела или кабелем работают, прикрепляя жгут и трос к противоположному плечу поврежденной руки. Третья категория доступных протезов — это миоэлектрические руки. Они работают, ощущая с помощью электродов, когда мышцы в плече двигаются, заставляя искусственную руку открываться или закрываться. В индустрии протезирования трансрадиальный протез руки часто называют BE или протезом ниже локтя.

Протезы нижних конечностей обеспечивают замену при различных уровнях ампутации. К ним относятся экзартикуляция тазобедренного сустава, трансфеморальный протез, экзартикуляция коленного сустава, транстибиальный протез, ампутация по Сайму, стопа, частичная стопа и палец. Двумя основными подкатегориями протезов нижних конечностей являются транстибиальные (любая ампутация, пересекающая большеберцовую кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту большеберцовой кости) и трансфеморальные (любая ампутация, пересекающая бедренную кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту бедренной кости). ).

Трансфеморальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет отсутствующую ногу выше колена. Людям с трансфеморальной ампутацией может быть очень трудно восстановить нормальное движение. В целом, человек с трансфеморальной ампутацией должен использовать примерно на 80% больше энергии для ходьбы, чем человек с двумя целыми ногами. Это связано со сложностями движения, связанными с коленом. В более новых и более совершенных конструкциях используются гидравлика, углеродное волокно, механические соединения, двигатели, компьютерные микропроцессоры и инновационные комбинации этих технологий, чтобы дать пользователю больше контроля. В индустрии протезирования трансфеморальный протез ноги часто называют «AK» или протезом выше колена.

Транстибиальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет отсутствующую ногу ниже колена. Человек с транстибиальной ампутацией обычно может восстановить нормальное движение легче, чем человек с трансфеморальной ампутацией, в значительной степени из-за сохранения колена, что позволяет легче двигаться. Под протезированием нижних конечностей понимают искусственно замененные конечности, расположенные на уровне бедра или ниже. В индустрии протезирования транстибиальный протез ноги часто называют «BK» или протезом ниже колена.

Физиотерапевты обучены учить человека ходить с протезом ноги. Для этого физиотерапевт может давать устные инструкции, а также может помочь человеку с помощью прикосновений или тактильных сигналов. Это можно сделать в клинике или дома. Есть некоторые исследования, показывающие, что такие тренировки в домашних условиях могут быть более успешными, если лечение включает использование беговой дорожки. Использование беговой дорожки вместе с физиотерапевтическим лечением помогает человеку справиться со многими проблемами ходьбы с протезом.

Ученые из Техасского университета в Далласе объявили о революционном новом подходе к улучшению управления протезами с использованием искусственного интеллекта (ИИ) на Международном симпозиуме IEEE 2019 года по измерению и управлению в робототехнике в этом месяце. Результаты исследования показывают огромный шаг вперед в достижении цели полной сквозной оптимизации управляемых электромиографией (ЭМГ) протезов рук. По данным Всемирной организации здравоохранения, в мире насчитывается более 40 миллионов человек с ампутированными конечностями. Последние достижения в области технологий протезирования рук и конечностей значительно улучшили качество жизни людей с ампутированными конечностями. Однако остаются пробелы в управлении протезами рук, особенно в использовании естественных электрических сигналов от мышц пациента.

Естественные мышцы обеспечивают подвижность в ответ на нервные импульсы. ЭМГ измеряет электрическую активность мышц в ответ на стимуляцию нерва. Эта функция управления в настоящее время является наиболее эффективным и удобным способом управления протезами рук. Сигналы ЭМГ широко используются для идентификации намерения пользователя управлять вспомогательными устройствами, такими как умные инвалидные коляски, экзоскелеты и протезы. Однако эффективность обычных вспомогательных устройств по-прежнему неудовлетворительна.

Новое исследование системы управления на основе ЭМГ, проведенное Техасским университетом в Далласе под руководством исследователя Мохсена Джафарзаде, использует передовую форму искусственного интеллекта и глубокое обучение для управления протезами рук с помощью необработанных сигналов ЭМГ. Важным шагом вперед является то, что предлагаемая в исследовании сверточная нейронная сеть без предварительной обработки приводит к более быстрой и точной классификации данных и более быстрым движениям рук для пользователя. Исследователи также использовали определенные пользовательские данные для переобучения системы, персонализируя действия на основе запросов пользователей. Новая система управления реализована на Python с библиотекой глубокого обучения TensorFlow и работает в режиме реального времени на встроенном комплекте разработчика графического процессора общего назначения.

«В нашем решении используется новая глубокая сверточная нейронная сеть, чтобы избежать этапа разработки функций», — сказал Мохсен Джафарзаде, ведущий исследователь Техасского университета в Далласе. «Отказ от извлечения и описания функций — важный шаг к парадигме сквозной оптимизации. Наши результаты — надежная отправная точка для начала разработки более сложных протезов рук».

Для исследования под названием Подход глубокого обучения к управлению протезами рук с помощью сигналов электромиографии исследователи Техасского университета в Далласе под руководством Мохсена Джафарзаде использовали данные двух испытуемых для тестирования и шести испытуемых для обучения и проверки. Результаты показали, что предложенная сверточная нейронная сеть работает в режиме реального времени и передает команду пользователя (сигналы) на низкоуровневый контроллер протеза руки с нулевой вероятностью ошибки, что делает конечный продукт безошибочным и функциональным.

Исследование было представлено на Международном симпозиуме IEEE по измерению и контролю в робототехнике 2019 года в Хьюстоне в сентябре этого года и опубликовано IEEE. Этот симпозиум был посвящен различным аспектам международных исследований, применениям и тенденциям робототехники. Инновациям на благо человечества, передовым системам человек-робот и прикладным технологиям в области робототехники, телеробототехники, симуляторов платформ и окружающей среды и мобильных рабочих машин, а также виртуальная реальность, дополненная реальность и 3D-моделирование и симуляция.

3.5.1 Миоэлектрический протез

Миоэлектрический протез использует в качестве информации электрическое напряжение, возникающее при каждом сокращении мышцы. Это напряжение может быть получено от произвольно сокращенных мышц с помощью электродов, наложенных на кожу, для управления движениями протеза, такими как сгибание/разгибание локтя, супинация/пронация запястья (вращение) или разведение/смыкание пальцев. Протез этого типа использует остаточную нервно-мышечную систему человеческого тела для управления функциями протеза руки, запястья, локтя или стопы с электроприводом. Это отличается от протеза с электрическим переключателем, для которого требуются ремни и/или кабели, приводимые в действие движениями тела, для приведения в действие переключателей, управляющих движениями протеза. Нет четких доказательств того, что миоэлектрические протезы верхних конечностей работают лучше, чем протезы с питанием от тела. Преимущества использования миоэлектрического протеза верхней конечности включают в себя потенциал улучшения косметической привлекательности (данный тип протеза может иметь более естественный вид), может быть лучше для легких повседневных действий и может быть полезен для людей, испытывающих фантомную боль. По сравнению с протезом с питанием от тела, миоэлектрический протез может быть не таким прочным, может иметь более длительное время обучения, может потребовать больше регулировок, может потребовать большего обслуживания и не обеспечивает обратную связь с пользователем.

СССР был первым, кто разработал миоэлектрическую руку в 1958 году, а первая миоэлектрическая рука поступила в продажу в 1964 году Центральным научно-исследовательским институтом протезирования СССР и распространялась Ангарным конечностным заводом Великобритании. .

Исследователи из Реабилитационного института Чикаго объявили в сентябре 2013 года, что они разработали роботизированную ногу, которая переводит нервные импульсы от мышц бедра пользователя в движение, и это первый протез ноги, который делает это. В настоящее время он находится в стадии тестирования.

3.5.2 Протез руки

Протезы рук доступны как в версиях для произвольного открывания, так и для произвольного закрывания, и из-за их более сложной механики и косметического покрытия перчаток требуется относительно большое усилие активации, которое, в зависимости от типа используемой привязи, может быть неудобным. Недавнее исследование, проведенное Делфтским технологическим университетом в Нидерландах, показало, что разработка механических протезов рук в последние десятилетия игнорировалась.

Исследование показало, что уровень силы сжатия большинства современных механических рук слишком мал для практического использования. Лучшей испытанной рукой был протез руки, разработанный примерно в 1945 году. Однако в 2017 году исследование бионических рук было начато Лаурой Хруби из Венского медицинского университета. также стали доступны бионические руки. Некоторые компании также производят роботизированные руки со встроенными предплечьями для установки в плечо пациента, а в 2020 году в Итальянском технологическом институте (IIT) была разработана еще одна роботизированная рука со встроенным предплечьем (Soft Hand Pro).

3.5.3 Протезы ног

Обеспечивая контакт с землей, стопа обеспечивает амортизацию и устойчивость во время стояния. Кроме того, он влияет на биомеханику походки своей формой и жесткостью. Это связано с тем, что траектория центра давления (ЦД) и угол опорных сил реакции определяются формой и жесткостью стопы и должны соответствовать телосложению субъекта для обеспечения нормальной походки. Andrysek (2010) обнаружил 16 различных типов стоп с очень разными результатами в отношении долговечности и биомеханики. Основная проблема, обнаруженная в современных стопах, - это долговечность, выносливость в диапазоне от 16 до 32 месяцев. Эти результаты предназначены для взрослых и, вероятно, будут хуже для детей из-за более высокого уровня активности и эффекта масштаба. Доказательств, сравнивающих различные типы протезов стопы и голеностопного сустава, недостаточно, чтобы определить, превосходит ли один механизм голеностопного сустава/стопы другой. следует учитывать наличие конкретного устройства.

3.5.3 Конструкция протеза

Основная цель роботизированного протеза — обеспечить активное срабатывание во время ходьбы для улучшения биомеханики ходьбы, включая, среди прочего, стабильность, симметрию или расход энергии для людей с ампутированными конечностями. В настоящее время на рынке имеется несколько механических протезов ног, в том числе полностью механические ноги, в которых приводы непосредственно приводят в движение суставы, и полуактивные ноги, которые используют небольшое количество энергии и небольшой привод для изменения механических свойств ноги, но не не вводить чистую положительную энергию в походку. Конкретные примеры включают emPOWER от BionX, Proprio Foot от Ossur и Elan Foot от Endolite. Различные исследовательские группы также экспериментировали с роботизированными ногами в течение последнего десятилетия.

Основные изучаемые вопросы включают проектирование поведения устройства во время фаз стояния и поворота, распознавание текущей задачи передвижения и различные проблемы механического проектирования, такие как надежность, вес, время автономной работы/эффективность и уровень шума. Однако ученые из Стэнфордского университета и Сеульского национального университета разработали системы искусственных нервов, которые помогут чувствовать протезы конечностей. Эта синтетическая нервная система позволяет протезам чувствовать брайль, ощущать осязание и реагировать на окружающую среду.

ГЛАВА — 4

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Брифинг

Кибернетика, как мы обсуждали ранее, представляет собой взаимодействие между людьми и машинами, в настоящее время используется на другом уровне с достижениями в различных областях физики, медицины, компьютеров и полупроводников. Со всеми этими достижениями машины теперь способны обрабатывать огромное количество данных и на большей скорости по сравнению с более ранними машинами, которые способны работать во многих неблагоприятных условиях и давлениях. Большинство современных протезов изготавливаются с использованием таких материалов, как титан, кевлар и передовые полимеры, которые в значительной степени повышают их долговечность и выносливость. Большинство этих усовершенствованных протезов используются военными или промышленными предприятиями для выполнения работы, которую обычному человеческому телу было бы трудно выполнить. Эти протезы в основном предназначены для улучшения человека, например, боди, которое помогает улучшить двигательные навыки оператора, например, увеличить возможности подъема тяжестей, быстрее бегать или выше прыгать. Другой вид использования этих усовершенствованных протезов заключается в замене конечностей и органов пациента, который страдает от износа конечностей или органной недостаточности, что работает почти так же, как нормальные конечности или органы.

Этими проблемами страдает большое количество населения в мире, а их лечение очень дорого и не может быть предоставлено всем из-за ограниченных ресурсов и небольшого количества врачей и специалистов, обладающих необходимыми навыками для проведения таких операций. Искусственный интеллект играет революционную роль в области бионики, поскольку он помогает дизайнеру и инженеру создавать модели и механические инструменты, которые могут работать самостоятельно без какого-либо вмешательства человека или располагать их в желаемом порядке, который не влияет на пользователя.

Модели искусственного интеллекта опираются на эмпирические данные, которые определяют работу любого инструмента, поэтому инженер передает огромное количество данных алгоритму ML или DL, чтобы пройти обучение и попытаться предсказать как можно точнее результат в ответ на ввод, который может быть электрическим сигналом от нервной системы с помощью миоэлектрической системы или изображением с камеры или звуковыми колебаниями из окружающей среды. Затем этот вывод синтезируется или преобразуется в желаемый формат, который определяет некоторое значение для пользователя бионика.

4.2 Область применения в будущем

Бионика сейчас находится в начальной фазе развития, большинство из них очень дороги в настоящее время и недоступны для обычных людей, но с развитием технологий и науки, а также с увеличением исследовательской работы эти продукты могут стать доступными для простых людей. Большинство бионических продуктов находятся в стадии разработки или проходят испытания государственными организациями, которые тестируют их по различным параметрам, чтобы проверить, безопасны ли они для использования обычными людьми и не окажут ли они какого-либо неблагоприятного воздействия на организм пользователя. Со временем и дополнительными исследованиями разработчики и компании выведут оптимистичные способы производства этих продуктов в больших количествах, чтобы удовлетворить спрос и по разумной цене. Большинство этих продуктов должны быть разработаны полиморфным образом, чтобы их можно было использовать пациентам с малозаметными проблемами, и их можно было подобрать в соответствии с размерами пользователя.

Благодаря использованию бионических органов мировой спрос на внешние органы может быть в определенной степени удовлетворен. Из-за этого можно избежать большого количества смертей, которые происходят из-за нехватки доноров и органов, и могут быть сделаны доступными по цене, которая может быть терпимой для семьи среднего класса. В связи с этим рынок торговли людьми и незаконной трансплантации органов сократится, поскольку бионические органы представляют собой альтернативу человеческим органам с функциональностью, аналогичной нормальному органу, поэтому количество этих гнусных преступлений также сократится в значительной степени.

Военные и оборонные организации могут использовать эту бионику для помощи своим солдатам или для их лечения, поскольку на войнах солдаты теряют жизнь, но во многих случаях, если они выживают, они будут страдать от пожизненных уродств, деформации конечностей, отказа органов чувств или любого другого типа. неспособность . Использование бионики, обученной с использованием искусственного интеллекта, может помочь этим защитникам, а также дать им еще один шанс прожить свою жизнь с полной отдачей. Они могут вернуться к своим обязанностям или могут начать жизнь как-то иначе, как хочется. Бионика также может быть использована для улучшения человека, с помощью бионики они могут повысить свою производительность, что помогает выполнять свои обязанности в экстремальных ситуациях, когда человеческое тело может не работать. Это уменьшит количество военнослужащих, которые гибнут на границе или во время тайных операций.

В космических программах очень дорого отправлять человека в космос, где астронавтам приходится работать в очень сложных условиях, таких как экстремальные колебания температуры, невесомость и ограниченная свобода движений конечностей. Использование бионики может помочь астронавтам более эффективно работать в открытом космосе и дать им возможность с легкостью выполнять свою работу, не используя большую мышечную работу, что снижает потребление ими кислорода и, в свою очередь, увеличивает время их выполнения по программе.

4.3 Проблемы, которые могут возникнуть

Проблемы, которые могут возникнуть с бионикой, работающей с искусственным интеллектом, заключаются в том, что алгоритмам ИИ требуется большой объем данных для самообучения, и в некоторых случаях становится очень сложно собрать этот объем данных в желаемом формате, который подходит для подачи в алгоритм. . Много раз может происходить человеческая ошибка, которая может повлиять на работу алгоритма и способность прогнозирования, поскольку компьютер — это просто глупая машина, которая возвращает то, что мы кормим . Хотя с помощью хорошего и опытного специалиста по обработке данных эта проблема может быть в значительной степени уменьшена, поскольку всегда остается небольшой шанс, что это произойдет.

Поскольку развитие телекоммуникаций и средств связи происходит экспоненциально , ​​опасность киберпреступлений также возрастает, поскольку все в сети работает с битами 1 и 0 , что определяет каждая структура цифрового мира. Хакер может получить полный доступ к машине, которая использует сеть для своей работы. Поскольку эта бионика использует такие среды, как Bluetooth, Wi-Fi, Интернет или облако. Все эти среды используют определенные протоколы для защиты данных, которые передаются с их помощью, но все же существуют способы прослушивания, изменения или получения контроля над сетью. Они могут иметь некоторые угрозы для использования бионики, поскольку любой анонимный объект может получить контроль над машиной и может использовать ее по своему желанию. Поскольку большинство бионики являются инструментами жизнеобеспечения, их взлом может представлять угрозу для жизни пользователя бионики.

Выход из строя оборудования всегда представляет угрозу для любой машины, и все они представляют собой инструменты, сделанные из металлов или полимеров, и при работе с комбинацией зубчатых колес и пневматики всегда существует вероятность отказа, который может привести к серьезному заболеванию, а иногда даже к смерти, но это это шанс со всем.

Поскольку это совершенно новая область и не является полностью общедоступной, она может столкнуться с новыми проблемами, о которых никто не может думать в настоящее время. Люди могут найти новые и новаторские применения этой бионики, которые могут помочь им в их работе, но есть также вероятность того, что люди могут использовать их в преступной деятельности в качестве инструмента. Компании и правительства должны найти способы и вывести определенные нормы, чтобы контролировать эту бионику и составить реестр этих инструментов вместе с пользователем, чтобы эти инструменты можно было отследить.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Искусственный интеллект - это совершенно новый сценарий, который открыл различные новые измерения в процессе развития человека, поскольку с развитием технологий машины узнают о работе и окружающем мире. Теперь машины сделали умными, то есть они способны самостоятельно принимать решения в ответ на внешние раздражители. Благодаря развитию вычислительной мощности машин, теперь они могут выполнять вычисления со скоростью 100 миллионов в секунду, что позволяет им обрабатывать большие объемы данных для чтения и обучения. С развитием технологий и полупроводников размер устройств хранения данных и процессоров также уменьшился, а также их стоимость, что помогает в развитии этой бионики, способной увеличить человеческую силу и помочь людям, страдающим от различных заболеваний и уродств.

Кибернетика прошла долгий путь с момента своего зарождения, теперь машины не только взаимодействуют с людьми, но и наоборот дают обратную связь пользователю. Мобильные телефоны и компьютеры в настоящее время обладают огромными возможностями хранения и обработки, что дает им преимущество.

Используя эти технологии, бионика и протезы разрабатываются самым изощренным образом, чтобы их можно было использовать глобально, а не только в определенном регионе или области. У этого зверя есть потенциал для обслуживания на глобальном уровне и возможности для создания отрасли, которая может стоить миллиарды.

Бионика может и будет помогать нашим будущим поколениям. Количество людей, умирающих от отказа органов, уменьшится. Младенцы, рожденные с уродствами, могут вести нормальный образ жизни. Военные и космические организации будут использовать бионику для увеличения возможностей своего персонала и получения большей отдачи от проектов. Это также помогает правительству сократить количество преступлений, связанных с торговлей людьми и скандалами с незаконной трансплантацией органов.

ССЫЛКИ

  1. Википедия : — Искусственный интеллект

-Машинное обучение

- Кибернетика

- Протезирование

  1. Проект Эйфория
  2. Гугл иди
  3. Эпоха А.И.
  4. Структура мышц, AIIMS Дели
  5. Британская энциклопедия
  6. АЛС ТДИ
  7. Исследовательские ворота