Technologie kosmiczne, które pomagają pacjentom na Ziemi

Miniaturowe urządzenia diagnostyczne, roboty telemedyczne, mapy epidemiologiczne tworzone dzięki satelitom, koncepcje szpitala przyszłości – misje pozaziemskie realizowane przez Europejską Agencję Kosmiczną (European Space Agency, ESA) są źródłem wielu innowacji medycznych. Na ten temat rozmawiamy z Arnaudem Runge, inżynierem medycznym w Europejskim Centrum Badań i Technologii Kosmicznych ESA.

Kosmonauci biorący udział w misjach kosmicznych znajdują się z dala od infrastruktury medycznej na Ziemi. W jaki sposób dba się o ich zdrowie?

Podstawowym elementem opieki zdrowotnej w kosmosie jest sam astronauta. Każdy uczestnik misji załogowej przechodzi szkolenie, aby do pewnego stopnia radzić sobie z nagłymi przypadkami medycznymi. W przyszłości bardzo prawdopodobne jest, że jeden z członków załogi będzie miał wykształcenie z zakresu medycyny ratunkowej, aby udzielić pomocy w każdej sytuacji. Załoga jest oczywiście wspierana przez nowoczesne technologie. Jakie dokładnie – to zależy od profilu misji.

Przykładowo, astronauci pracujący i mieszkający na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), która krąży w odległości 400–500 km wokół Ziemi, mogą odbywać telekonsultacje z lekarzami na Ziemi. Tak samo, jak dzieje się to w przypadku regularnych kontroli stanu zdrowia, które są przeprowadzane za pośrednictwem wideokonferencji. Dane z lokalnych czujników są przesyłane przez bezpieczne połączenie satelitarne.

Obecnie pracujemy też nad prototypem technologii kompaktowego systemu monitorowania – takiego, jaki jest stosowany w karetkach pogotowia. Będzie on mógł zbierać i przesyłać dane fizjologiczne. Inną technologią jest robotyczny systemem do wykonywania badań ultrasonograficznych. Interpretacja wyników USG jest złożona i wymaga wysokiego poziomu wiedzy specjalistycznej, którą niekoniecznie dysponuje załoga.

Oczywiście w przypadku przyszłych misji, realizowanych w dużo większej odległości od Ziemi, będziemy musieli przemyśleć koncepcje telemedycyny. Ze względu na dużą odległość między specjalistą a astronautami nie będą możliwe operacje w czasie rzeczywistym.

W takim przypadku, telemedycyna będzie realizowana w sposób asynchroniczny. Przykładowo, w celu przekazania drugiej opinii, informacji zwrotnej. Gdy średni czas dostarczenia wiadomości wynosi ok. 40 minut, czynności medyczne wykonywane w czasie rzeczywistym nie wchodzą w rachubę. Technologie, nad którymi obecnie pracujemy koncentrują się na zapewnieniu załodze jak największej autonomii. Oznacza to zastosowanie rozwiązań wykorzystujących sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe, ale także automatyzację procesów, pomoc robotów w podejmowaniu decyzji i interwencjach medycznych. Musimy również pomyśleć o technologiach, które mogą się znaleźć na pokładzie. Proszę pamiętać, że ich masa i wielkość są mocno ograniczone ze względu na brak miejsca.

Technologie kosmiczne to jedne z najbardziej zaawansowanych innowacji. Czy mógłby Pan nakreślić, w jaki sposób powstają, aby zapewnić powodzenie końcowej misji?

Zapewne zna Pan słynne powiedzenie, że w kosmosie „błąd nie wchodzi w grę”. Dotyczy to oczywiście także medycyny kosmicznej: nikt nie chce, aby problem zdrowotny stał się powodem przerwania misji. Dlatego właśnie inżynieria kosmiczna opiera się na bardzo solidnym podejściu. Głównymi filarami są bezpieczeństwo i jakość.

Rozwój innowacji kosmicznych odbywa się zgodnie z zestawem norm i procedur sprawdzonych wielokrotnie w praktyce. Tutaj nie ma miejsca na jakiekolwiek niespodzianki. Interesujące jest porównanie inżynierii kosmicznej i medycyny – mają one wiele podobieństw. Priorytetem jest zapobieganie tzw. pojedynczym punktom awarii. Omawiane systemy mają uprzywilejowaną redundancję, czyli dodatkowe, nadmiarowe zabezpieczenia. Wymagają też wielu surowych testów i certyfikacji. W efekcie, produkt medyczny zakwalifikowany do użytku w przestrzeni kosmicznej jest niezwykle wytrzymały.

Czy może Pan podać przykłady technologii kosmicznych, które obecnie są stosowane w opiece zdrowotnej na Ziemi?

Technologie kosmiczne, w szerokim tego słowa znaczeniu, obejmują technologie opracowane na potrzeby eksploracji kosmosu i lotów kosmicznych. To jednak także komunikacja satelitarna, technologia Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) oraz danych z obserwacji Ziemi. Wszystkie rozwiązania mogą odgrywać kluczową rolę w rozwiązaniach dla opieki zdrowotnej. Zarówno jako czynnik umożliwiający, co oznacza, że bez wkładu technologii kosmicznej produkt lub usługa nie jest możliwa, ale także w charakterze wyróżnika – dzięki technologiom kosmicznym produkt lub usługa mają przewagę konkurencyjną w stosunku do podobnych rozwiązań.

Tak jest na przykład w przypadku systemu monitorowania fizjologicznego, nad którym obecnie pracujemy (TEMPUS PRO). System oferuje funkcje podobne do innych urządzeń tego typu, jednak każde z nich zawiera chip pozycjonujący, który jest przydatny do śledzenia zespołu utylizacyjnego lub samego urządzenia. Został on zaprojektowany do sterowania przez satelitę w celu zdalnego przesyłania danych, podczas gdy rozwiązania konkurencyjne nie posiadają tego typu
funkcji.

Dzięki temu może on być wykorzystywany w nietypowych przypadkach. Na przykład w miejscach odseparowanych, ale gdzie dostępna jest łączność satelitarna. Urządzenie to można obecnie znaleźć na pokładach samolotów oraz ambulansów powietrznych.

Innym przykładem jest technologia, która została opracowana do zdalnego wykonywania badań ultrasonograficznych astronautów do celów naukowych. Ultradźwięki to wspaniała technika obrazowania w przestrzeni kosmicznej – jest kompaktowa, nieinwazyjna i niejonizująca. Niestety, jej główną wadą jest bardzo duża zależność od operatora i umiejętności wymaganych do prawidłowego wykonania badania. Dlatego ESA pracuje nad koncepcją zrobotyzowanego systemu tele-ultrasonograficznego, w którym specjalista zdalnie manipuluje sondą ultradźwiękową w celu uzyskania odpowiednich obrazów. Na Ziemi, tego typu rozwiązanie pozwoli zredukować podróże pacjentów do ośrodków specjalistycznych, nieraz oddalonych o dziesiątki kilometrów od miejsca zamieszkania.

Ponadto, dane obserwacyjne oraz pozycyjne służą do tworzenia map epidemiologicznych, pomagając organom sanitarnym w podejmowaniu decyzji odnośnie środków, jakie należy podjąć, aby ograniczyć przykładowo rozwój pandemii. Technologia znajduje zastosowanie w przypadku COVID-19, ale również epidemii Eboli i chorób wektorowych, czyli patologii przenoszonych np. przez zwierzęta i owady.

W ESA prowadzimy szereg programów wspierających transfer wszystkich wspomnianych technologii kosmicznych. Ich celem jest ponowne wykorzystanie oprogramowania opracowanego dla astronomii w urządzeniach obrazowania medycznego. Prowadzimy też program pod nazwą „Zastosowania biznesowe i rozwiązania kosmiczne”, który wspiera finansowo firmy chcące opracować produkty i usługi oparte na technologii kosmicznej do zastosowań na Ziemi.

Dlaczego agencje kosmiczne pracują nad własnymi rozwiązaniami z dziedziny medycyny i nie korzystają z dostępnych już innowacji?

Często zdarza się, że musimy opracować jakieś rozwiązanie, ponieważ to, co jest dostępne na rynku, nie spełnia naszych wymagań. Zdarzą się też sytuacje, że pewnych technologii po prostu nie ma, bo są niezwykle niszowe. ESA wypełnia w ten sposób luki w rozwoju technologii medycznych.

Weźmy też pod uwagę, że jednym z argumentów decydujących o zastosowaniu kosmicznego sprzętu medycznego jest jego niewielka waga, masa i objętość. Stąd często udaje nam się opracować przenośne i małe urządzenia, które znajdują następnie zastosowanie na Ziemi w ośrodkach opieki zdrowotnej lub jako systemy pomocy mobilnej.

Obecnie pracujemy nad kompaktowym systemem obrazowania medycznego opartym na promieniowaniu rentgenowskim. Potencjalnie może być używany w każdym gabinecie lekarskim. Innym przykładem jest zestaw biomechanicznych systemów chroniących astronautów przed szkodliwymi skutkami mikrograwitacji, w tym spadku masy mięśniowej i gęstości kości. Te technologie mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w programach rehabilitacyjnych na Ziemi.

Inną korzyścią są badania związane z naukami medycznymi prowadzone bezpośrednio na stacji kosmicznej. W jednym z nich staramy się zrozumieć mechanizmy propriocepcji (red. zmysł czucia głębokiego lub kinestezja, który umożliwia odbieranie informacji o położeniu, ruchu i działaniu poszczególnych części ciała w przestrzeni) i osteoporozy. Być może doprowadzą one do opracowania nowych metod leczenia.

Aby w przyszłości organizować długie misje kosmiczne z udziałem ludzi, na przykład w celu eksploracji nowej planety, na pokładzie będzie musiał się znajdować mały szpital…

Jednym z wyzwań dla przyszłych załogowych misji kosmicznych jest ilość (a więc masa i objętość) przedmiotów, które można zabrać ze sobą. A to oznacza, że będziemy musieli bardzo selektywnie dobierać sprzęt medyczny. Jest to ogromne wyzwanie dla opieki medycznej w przestrzeni kosmicznej, ale także ogromna szansa dla rozwoju technologii. Priorytetem będzie tworzenie wielofunkcyjnych i zintegrowanych systemów, aby zapewnić jak największą ich wszechstronność.

ESA wspólnie z Brytyjską Agencją Kosmiczną finansują projekt, którego celem jest stworzenie szpitala przyszłości. Jakich efektów możemy się spodziewać?

Współpraca pomiędzy ESA, Brytyjską Agencją Kosmiczną oraz Brytyjską Służbą Zdrowia NHS nie jest pierwszą tego typu inicjatywą. Kilka lat temu, z okazji 70. rocznicy powstania NHS, agencje nawiązały współpracę i przeznaczyły pulę 4 milionów funtów na wsparcie projektów w różnych sektorach, takich jak wykrywanie nowotworów, wzmocnienie opieki psychiatrycznej czy poprawa dostępu do opieki zdrowotnej. Biorąc pod uwagę pozytywne efekty tej inicjatywy, w 2021 r. postanowiono odnowić współpracę i wykorzystać szansę na modernizację brytyjskiej opieki zdrowotnej.

Wraz z Brytyjską Agencją Kosmiczną, przy wsparciu NHS, ESA chce pokazać, w jaki sposób technologie kosmiczne mogą przyczynić się do rozwoju szpitali przyszłości i odegrać kluczową rolę w rozwoju nowych usług. Projekty, które zamierzamy wesprzeć, nie będą dotyczyły wyłącznie sprzętu medycznego, ale wszystkich innowacji związanych z funkcjonowaniem szpitala: drony do usprawnienia logistyki, inteligentne wahadłowce do transportu medycznego, technologie sanitarne w celu utrzymania czystości środowiska szpitalnego itp.

Paradoksalnie, celem niektórych rozwiązań będzie utrzymywanie pacjenta z dala od szpitala poprzez udoskonalenie profilaktyki, rozwój teleopieki domowej i telekonsultacji. Każdy zwycięski projekt zostanie najpierw poddany krótkiemu studium wykonalności. Jeśli zakończy się sukcesem, przejdzie do fazy demonstracyjnej, aby zbadać potencjalne korzyści.

Podsumowując, w jaki sposób ESA jest zaangażowana w rozwiązywanie problemów związanych z opieką zdrowotną na Ziemi? Trzeba pamiętać, że ESA jest agencją kosmiczną, a nie innowatorem w sektorze medycznym. Naszą rolą jest wspieranie i ułatwianie rozwoju technologii; jesteśmy też pośrednikiem w kontaktach z niektórymi społecznościami użytkowników. ESA, jako organizacja międzynarodowa, umożliwia też nawiązanie współpracy z dużymi instytucjami, takimi jak Światowa Organizacja Zdrowia oraz partnerzy rządowi, w celu inicjowania nowych form. A wszystko to w ramach projektów, które będziemy nadzorować i które posłużą do zademonstrowania wartości technologii kosmicznej.

Czytaj także: Czy nowy humanoid od Tesli wkrótce pomoże pielęgniarkom? >