Implantable Technology/ Технология имплантов. (Часть 1)
Перевод публикации с ресурса "Технология и общество"
История, противоречия и социальные последствия
Многие недавние достижения в области имплантируемых устройств не так давно были бы строго из области научной фантастики. В то же время общественность остается озадаченной [1], если не сказать противоречивой по поводу имплантируемых технологий. Повышение осведомленности о социальных проблемах, связанных с имплантируемыми устройствами, требует дальнейшего изучения.
В последнее время даже популярные СМИ публикуют истории, связанные с имплантируемыми технологиями. Например, в недавнем репортаже в канадской ежедневной газете автор пишет о пациенте, который оставался неподвижным с повреждением головного мозга более двух десятилетий после автомобильной аварии. Но она снова смогла общаться со своими родственниками с помощью аппаратного обеспечения для отслеживания движения глаз и программного обеспечения для обработки сигналов, запущенного на планшете. История рассказывает о финансовых, юридических и социальных проблемах, которые сопровождали это дело. Например, юридические аргументы вращались в основном вокруг права пациентки улучшить свое “качество жизни”. Общий смысл заключался в том, что пациент и его семья были довольны общими преимуществами этой технологии. Общественная дискуссия была сосредоточена на двух основных темах. Во-первых, что на самом деле требуется для обеспечения минимального “качества жизни” и сколько это стоит; во-вторых, должна ли сама технология и ее создатели получить признание за это и другие подобные “чудесные улучшения”, или это была просто Божья воля, которая действительно позволила это сделать.
Технология имплантации очень противоречива. Использование этих технологий открывает довольно широкий спектр вопросов, дилемм и аргументов, вращающихся вокруг морали и законности, коммерческой прибыли и подлинного альтруизма, религии и науки и техники, прав животных и прав человека, и это лишь некоторые из них. Приведенный выше пример показывает, что имплантируемая технология еще больше стирает границу между тем, что является живым (человеком), и тем, что является неживым (машиной). Существует необходимость в информированном обсуждении этих событий.
Историческая классификация
Миниатюризация и разработка биомедицинских имплантируемых устройств идут параллельно с развитием науки и техники, более конкретно в области микроэлектроники и микросхемных технологий, робототехники, источников питания и сбора энергии. Ранние исторические обзоры имплантируемых устройств [2] недавно дополнены рядом превосходных и всесторонних технических обзоров, которые показывают современное состояние [3]-[6], а также в популярных книгах [7]. Однако цель этой статьи состоит в том, чтобы внести свой вклад, рассмотрев историческую справку и некоторые ключевые разработки, которые позволили создать современные имплантаты, но в социальном и культурном контексте. Таким образом, в этом обзоре будет использован и включен довольно широкий круг ссылок, не все сугубо технические. Чтобы проиллюстрировать текущее состояние техники, на рисунке 1 показана карта человеческого тела, указывающая на некоторые из наиболее распространенных областей, на которые нацелены современные имплантируемые технологии, либо уже используемые в клинической практике, либо все еще находящиеся в разработке.
Технология и человеческое тело
С инженерной точки зрения, проектирование имплантируемых систем ограничено набором специфических системных требований, таких как:
а) биосовместимость,
б) биостойкость,
в) малый размер,
г) плотность, соответствующая нервной ткани, и
д) минимальная привязка к соседним структурам.
Возможной строго инженерной классификацией общих биомедицинских устройств применительно к человеческому организму является:
а) носимые устройства,
б) имплантируемые устройства и
в) устройства для приема внутрь [8].
Здесь, однако, я предпочитаю определять взаимосвязь между телом и технологией в несколько более широком смысле, то есть относительно расстояния от человеческого тела. Эта перспектива представленa следующими шестью категориями [9]:
1) infinitely far away technology/ бесконечно далекая технология: в дотехнологическую эпоху эволюции человека, то есть в то время, когда мы все еще эволюционировали в сложный организм, технологии не существовало;
2) external (shared) technology/ внешняя (совместно используемая) технология: наиболее важная технология (возможно), разработанная людьми, контролируемый огонь, может быть классифицирована так же, как, например, общественный транспорт, школы, телефонные сети и система здравоохранения;
3) external (personal) technology/ внешние (персональные) технологии: технологии, которые когда-то, возможно, были общими, но теперь стали ближе к нашему телу и стали личными, например, автомобили, мобильные телефоны, компьютеры и очки, могут быть сгруппированы в эту категорию;
4) internal (temporary) technology/ внутренние (временные) технологии: следуя тенденции сокращения физического расстояния между машиной и человеческим телом, примерами этой категории являются технологии, которые временно пересекают традиционную границу нашего тела, например, контактные линзы и биотелеметрические капсулы для приема внутрь. Мы отмечаем, что технологии этой категории могут быть легко введены и удалены пользователем, т.е. они провели в организме лишь ограниченное время;
5) internal (permanent) technologies/ внутренние (постоянные) технологии: кардиостимулятор, зубные и кохлеарные имплантаты, например, постоянно вводятся в организм с помощью медицинской процедуры, и пользователь не может их удалить. Ожидается, что эти технологии будут функционировать и сосуществовать с естественными человеческими органами в течение жизни пользователя без вмешательства пользователя, будут обладать сверхнизким энергопотреблением и обеспечивать естественное многоступенчатое перемещение протезов; и,
6) bio-mechanical integrated technology - биомеханическая интегрированная технология: очевидно, что если эта тенденция сохранится в том же направлении, соотношение внутренних (постоянных) технологий по отношению к размеру тела неуклонно растет. Поэтому разумно экстраполировать тенденцию в не столь отдаленное будущее и сделать вывод, что мы можем достичь фазы полной интеграции между нашим биологическим "я" и технологией, когда естественные органы будут органично сосуществовать с имплантированными.
Таким образом, на философском уровне естественно задать следующие вопросы: перестанут ли люди в какой-то момент быть людьми? Если да, то в какой момент это произойдет - когда люди станут тем, что мы сейчас считаем машинами? И вообще, где проходит граница между этими двумя понятиями?
Interface/ Взаимодействие между живыми и неживыми существами
Связь между живыми и неживыми существами была предметом человеческого любопытства с тех пор, как мы обрели самосознание, и сегодня это остается самой увлекательной темой для обсуждения. Как заявил Дж. Мюллер: “Хотя в явлениях живых существ, по-видимому, есть нечто такое, что не может быть объяснено обычными механическими, физическими или химическими законами, многое может быть объяснено таким образом, и мы можем без страха продвигать эти объяснения так далеко, как только сможем, до тех пор, пока мы придерживаемся твердой основы наблюдений и экспериментов.”
Этот отрывок из книги Мюллера [10] вдохновил Эмиля дю Буа-Реймона на открытие потенциала действия мембраны живой клетки [11], [12], который является фундаментальным механизмом передачи электрических сигналов по нейронам и активации внутриклеточных процессов.
Возможное открытие взаимодействия между живыми и неживыми существами на уровне мыслей (то есть “мозговых волн”) с тех пор вдохновляет писателей-фантастов и популярные средства массовой информации. На самом деле, эти научные достижения затрагивают самые глубокие убеждения и вызывают бурные дискуссии вокруг взаимосвязи между наукой, религией и нашим фундаментальным существованием. Эти повторяющиеся дискуссии характерны для нашего общества независимо от эпохи. Они прекрасно проиллюстрированы К. Саганом в его романе [13], превращенном в фильм, а также в других популярных средствах массовой информации, которые представляли эти противоречивые дискуссии на протяжении всей истории [14]
Интерфейс "Мозг-машина" для выполнения двигательных действий
Несмотря на опасения общества, поскольку механизм потенциального действия уже хорошо изучен, дальнейшие достижения в области микроэлектронных технологий позволили разработать нейронный зонд [15]. Недавние разработки, о которых сообщалось, продвинули идею нейронного зонда, введя концепцию “нейронной пыли”, большого количества беспроводных электродов, которые могут быть прикреплены непосредственно к нескольким нервам [16], таким образом создавая множество беспроводных сенсорных узлов внутри тела.
Следовательно, то, что широкая публика до сих пор считает научной фантастикой, а именно “управление машинами непосредственно с помощью мыслей”, стало реальностью. Однако на фундаментальном уровне, как только мозг генерирует электрические сигналы, а передаваемые нейроны (живые клетки) улавливаются нейронным зондом (т.е. неживым объектом, изготовленным из металла и кремния), проблема перестает быть трансцендентной или даже биомедицинской, и она становится становится строго проблемой обработки сигналов и инженерии, никакой магии не требуется. Затем, подобно хорошему иллюзионисту, живое существо, оснащенное имплантированной электроникой и алгоритмами обработки сигналов (он же интерфейс "мозг-машина", или BMI), способно двигать роботизированной рукой и выполнять действия, которые обычно выполняются нашими естественными конечностями, просто в процессе о естественном мышлении в мозге [17]. благодаря чипу BMI, имплантированному в ее мозг и управляющему роботизированной рукой, установленной поблизости, эта технология, финансируемая DARPA, достигла клинической стадии. В настоящее время уже есть несколько людей, использующих одну или даже обе бионические руки вместо своих утраченных конечностей [18].
Улучшенное понимание электрической активности моторных нейронов коры головного мозга, таким образом, прочно утвердило две новые темы исследований: разработка бионической руки и бионической стопы.
Бионическая рука
Протезы рук, изготовленные из дерева и металла с различными инструментами, прикрепленными на конце, которые были простыми, но удивительно эффективными, использовались на протяжении веков. Однако в наше время, несмотря на достижения в области инженерии и доступности, по состоянию на 2007 год до 75% пользователей отказывались от электрического протезирования [19]. Одной из главных причин отказа, помимо общественного признания и неловкости, было то, что роботизированные протезы рук тяжелы, сложны в освоении и имеют очень медленную реакцию из-за традиционной технологии управления, используемой для роботов промышленного типа. В настоящее время технология внешнего роботизированного протезирования быстро развивается за счет внедрения улучшенного интерфейса "мозг-машина", а также новых материалов, которые обеспечивают бесшовную интеграцию протезов в наши тела [20].
Бионическая нога
Как и протез руки, деревянные ноги использовались столь же долго. Несмотря на то, что они очень помогают поддерживать равновесие, пользователи часто описывали ощущение от их использования, как при ходьбе по песку без ощущения обратной связи от естественной стопы. Первое существенное изменение произошло с появлением широко разрекламированного протеза “Бегущий по лезвию”, который позволил человеку с двойной ампутацией участвовать в Олимпийских играх 2012 года [21]. Преимущество нового “лезвия” из углеродного волокна, показанного на рисунке 5(с), перед традиционной “деревянной ногой” было очевидным во многих отношениях. С инженерной точки зрения новые протезы были больше похожи на биологические конечности. Естественный “эффект подъема-опускания ноги” был достигнут за счет того, что лопасти накапливали механическую энергию во время фазы опускания и высвобождали ее во время фазы “выталкивания вверх”.
Продолжение (Часть 2)
История, противоречия и социальные последствия
Многие недавние достижения в области имплантируемых устройств не так давно были бы строго из области научной фантастики. В то же время общественность остается озадаченной [1], если не сказать противоречивой по поводу имплантируемых технологий. Повышение осведомленности о социальных проблемах, связанных с имплантируемыми устройствами, требует дальнейшего изучения.
В последнее время даже популярные СМИ публикуют истории, связанные с имплантируемыми технологиями. Например, в недавнем репортаже в канадской ежедневной газете автор пишет о пациенте, который оставался неподвижным с повреждением головного мозга более двух десятилетий после автомобильной аварии. Но она снова смогла общаться со своими родственниками с помощью аппаратного обеспечения для отслеживания движения глаз и программного обеспечения для обработки сигналов, запущенного на планшете. История рассказывает о финансовых, юридических и социальных проблемах, которые сопровождали это дело. Например, юридические аргументы вращались в основном вокруг права пациентки улучшить свое “качество жизни”. Общий смысл заключался в том, что пациент и его семья были довольны общими преимуществами этой технологии. Общественная дискуссия была сосредоточена на двух основных темах. Во-первых, что на самом деле требуется для обеспечения минимального “качества жизни” и сколько это стоит; во-вторых, должна ли сама технология и ее создатели получить признание за это и другие подобные “чудесные улучшения”, или это была просто Божья воля, которая действительно позволила это сделать.
Технология имплантации очень противоречива. Использование этих технологий открывает довольно широкий спектр вопросов, дилемм и аргументов, вращающихся вокруг морали и законности, коммерческой прибыли и подлинного альтруизма, религии и науки и техники, прав животных и прав человека, и это лишь некоторые из них. Приведенный выше пример показывает, что имплантируемая технология еще больше стирает границу между тем, что является живым (человеком), и тем, что является неживым (машиной). Существует необходимость в информированном обсуждении этих событий.
Историческая классификация
Миниатюризация и разработка биомедицинских имплантируемых устройств идут параллельно с развитием науки и техники, более конкретно в области микроэлектроники и микросхемных технологий, робототехники, источников питания и сбора энергии. Ранние исторические обзоры имплантируемых устройств [2] недавно дополнены рядом превосходных и всесторонних технических обзоров, которые показывают современное состояние [3]-[6], а также в популярных книгах [7]. Однако цель этой статьи состоит в том, чтобы внести свой вклад, рассмотрев историческую справку и некоторые ключевые разработки, которые позволили создать современные имплантаты, но в социальном и культурном контексте. Таким образом, в этом обзоре будет использован и включен довольно широкий круг ссылок, не все сугубо технические. Чтобы проиллюстрировать текущее состояние техники, на рисунке 1 показана карта человеческого тела, указывающая на некоторые из наиболее распространенных областей, на которые нацелены современные имплантируемые технологии, либо уже используемые в клинической практике, либо все еще находящиеся в разработке.
Технология и человеческое тело
С инженерной точки зрения, проектирование имплантируемых систем ограничено набором специфических системных требований, таких как:
а) биосовместимость,
б) биостойкость,
в) малый размер,
г) плотность, соответствующая нервной ткани, и
д) минимальная привязка к соседним структурам.
Возможной строго инженерной классификацией общих биомедицинских устройств применительно к человеческому организму является:
а) носимые устройства,
б) имплантируемые устройства и
в) устройства для приема внутрь [8].
Здесь, однако, я предпочитаю определять взаимосвязь между телом и технологией в несколько более широком смысле, то есть относительно расстояния от человеческого тела. Эта перспектива представленa следующими шестью категориями [9]:
1) infinitely far away technology/ бесконечно далекая технология: в дотехнологическую эпоху эволюции человека, то есть в то время, когда мы все еще эволюционировали в сложный организм, технологии не существовало;
2) external (shared) technology/ внешняя (совместно используемая) технология: наиболее важная технология (возможно), разработанная людьми, контролируемый огонь, может быть классифицирована так же, как, например, общественный транспорт, школы, телефонные сети и система здравоохранения;
3) external (personal) technology/ внешние (персональные) технологии: технологии, которые когда-то, возможно, были общими, но теперь стали ближе к нашему телу и стали личными, например, автомобили, мобильные телефоны, компьютеры и очки, могут быть сгруппированы в эту категорию;
4) internal (temporary) technology/ внутренние (временные) технологии: следуя тенденции сокращения физического расстояния между машиной и человеческим телом, примерами этой категории являются технологии, которые временно пересекают традиционную границу нашего тела, например, контактные линзы и биотелеметрические капсулы для приема внутрь. Мы отмечаем, что технологии этой категории могут быть легко введены и удалены пользователем, т.е. они провели в организме лишь ограниченное время;
5) internal (permanent) technologies/ внутренние (постоянные) технологии: кардиостимулятор, зубные и кохлеарные имплантаты, например, постоянно вводятся в организм с помощью медицинской процедуры, и пользователь не может их удалить. Ожидается, что эти технологии будут функционировать и сосуществовать с естественными человеческими органами в течение жизни пользователя без вмешательства пользователя, будут обладать сверхнизким энергопотреблением и обеспечивать естественное многоступенчатое перемещение протезов; и,
6) bio-mechanical integrated technology - биомеханическая интегрированная технология: очевидно, что если эта тенденция сохранится в том же направлении, соотношение внутренних (постоянных) технологий по отношению к размеру тела неуклонно растет. Поэтому разумно экстраполировать тенденцию в не столь отдаленное будущее и сделать вывод, что мы можем достичь фазы полной интеграции между нашим биологическим "я" и технологией, когда естественные органы будут органично сосуществовать с имплантированными.
Таким образом, на философском уровне естественно задать следующие вопросы: перестанут ли люди в какой-то момент быть людьми? Если да, то в какой момент это произойдет - когда люди станут тем, что мы сейчас считаем машинами? И вообще, где проходит граница между этими двумя понятиями?
Interface/ Взаимодействие между живыми и неживыми существами
Связь между живыми и неживыми существами была предметом человеческого любопытства с тех пор, как мы обрели самосознание, и сегодня это остается самой увлекательной темой для обсуждения. Как заявил Дж. Мюллер: “Хотя в явлениях живых существ, по-видимому, есть нечто такое, что не может быть объяснено обычными механическими, физическими или химическими законами, многое может быть объяснено таким образом, и мы можем без страха продвигать эти объяснения так далеко, как только сможем, до тех пор, пока мы придерживаемся твердой основы наблюдений и экспериментов.”
Этот отрывок из книги Мюллера [10] вдохновил Эмиля дю Буа-Реймона на открытие потенциала действия мембраны живой клетки [11], [12], который является фундаментальным механизмом передачи электрических сигналов по нейронам и активации внутриклеточных процессов.
Возможное открытие взаимодействия между живыми и неживыми существами на уровне мыслей (то есть “мозговых волн”) с тех пор вдохновляет писателей-фантастов и популярные средства массовой информации. На самом деле, эти научные достижения затрагивают самые глубокие убеждения и вызывают бурные дискуссии вокруг взаимосвязи между наукой, религией и нашим фундаментальным существованием. Эти повторяющиеся дискуссии характерны для нашего общества независимо от эпохи. Они прекрасно проиллюстрированы К. Саганом в его романе [13], превращенном в фильм, а также в других популярных средствах массовой информации, которые представляли эти противоречивые дискуссии на протяжении всей истории [14]
Интерфейс "Мозг-машина" для выполнения двигательных действий
Несмотря на опасения общества, поскольку механизм потенциального действия уже хорошо изучен, дальнейшие достижения в области микроэлектронных технологий позволили разработать нейронный зонд [15]. Недавние разработки, о которых сообщалось, продвинули идею нейронного зонда, введя концепцию “нейронной пыли”, большого количества беспроводных электродов, которые могут быть прикреплены непосредственно к нескольким нервам [16], таким образом создавая множество беспроводных сенсорных узлов внутри тела.
Следовательно, то, что широкая публика до сих пор считает научной фантастикой, а именно “управление машинами непосредственно с помощью мыслей”, стало реальностью. Однако на фундаментальном уровне, как только мозг генерирует электрические сигналы, а передаваемые нейроны (живые клетки) улавливаются нейронным зондом (т.е. неживым объектом, изготовленным из металла и кремния), проблема перестает быть трансцендентной или даже биомедицинской, и она становится становится строго проблемой обработки сигналов и инженерии, никакой магии не требуется. Затем, подобно хорошему иллюзионисту, живое существо, оснащенное имплантированной электроникой и алгоритмами обработки сигналов (он же интерфейс "мозг-машина", или BMI), способно двигать роботизированной рукой и выполнять действия, которые обычно выполняются нашими естественными конечностями, просто в процессе о естественном мышлении в мозге [17]. благодаря чипу BMI, имплантированному в ее мозг и управляющему роботизированной рукой, установленной поблизости, эта технология, финансируемая DARPA, достигла клинической стадии. В настоящее время уже есть несколько людей, использующих одну или даже обе бионические руки вместо своих утраченных конечностей [18].
Улучшенное понимание электрической активности моторных нейронов коры головного мозга, таким образом, прочно утвердило две новые темы исследований: разработка бионической руки и бионической стопы.
Бионическая рука
Протезы рук, изготовленные из дерева и металла с различными инструментами, прикрепленными на конце, которые были простыми, но удивительно эффективными, использовались на протяжении веков. Однако в наше время, несмотря на достижения в области инженерии и доступности, по состоянию на 2007 год до 75% пользователей отказывались от электрического протезирования [19]. Одной из главных причин отказа, помимо общественного признания и неловкости, было то, что роботизированные протезы рук тяжелы, сложны в освоении и имеют очень медленную реакцию из-за традиционной технологии управления, используемой для роботов промышленного типа. В настоящее время технология внешнего роботизированного протезирования быстро развивается за счет внедрения улучшенного интерфейса "мозг-машина", а также новых материалов, которые обеспечивают бесшовную интеграцию протезов в наши тела [20].
Бионическая нога
Как и протез руки, деревянные ноги использовались столь же долго. Несмотря на то, что они очень помогают поддерживать равновесие, пользователи часто описывали ощущение от их использования, как при ходьбе по песку без ощущения обратной связи от естественной стопы. Первое существенное изменение произошло с появлением широко разрекламированного протеза “Бегущий по лезвию”, который позволил человеку с двойной ампутацией участвовать в Олимпийских играх 2012 года [21]. Преимущество нового “лезвия” из углеродного волокна, показанного на рисунке 5(с), перед традиционной “деревянной ногой” было очевидным во многих отношениях. С инженерной точки зрения новые протезы были больше похожи на биологические конечности. Естественный “эффект подъема-опускания ноги” был достигнут за счет того, что лопасти накапливали механическую энергию во время фазы опускания и высвобождали ее во время фазы “выталкивания вверх”.
Продолжение (Часть 2)