Искусственный аналог сердца и не только. Как в Самаре воплощают амбициозные идеи ученых
Уже применили на практике
Для самарских ученых экспертные сферы — космическое машиностроение, авиастроение, двигателестроение. В регионе создают приборы для изучения космоса и зондирования Земли, проводят исследования в области искусственного интеллекта, появилось много разработок и в медицине. Организации высшего образования взаимодействуют в рамках федеральных программ "Приоритет-2030" и проекта "Передовые инженерные школы" (ПИШ), научно-образовательного центра (НОЦ) мирового уровня "Инженерия будущего".
Многие разработки успешно применяются на практике. На базе центра серийного производства Самарского государственного медицинского университета Минздрава России (СамГМУ) выпускаются разработанные в университете реабилитационные тренажеры Revi и первая российская система хирургической навигации "Автоплан". Эти разработки применяются в ряде учреждений страны уже для тысяч пациентов. Налажено производство разработанного в Самарском университете им. Королева тренажера-маски для восстановления после коронавируса, а в сфере тяжелой промышленности используются универсальные виброопоры для железнодорожной, нефтехимической, энергетической и другой техники, в том числе в космических аппаратах.
Мощный научно-производственный кластер в Самарской области сложился исторически. Более сотни предприятий, среди которых около 80 крупных заводов и фабрик, в годы Великой Отечественной войны эвакуировали в Куйбышев — "запасную столицу". Наиболее знаковые из них работают на "передовой" российской промышленности и сейчас: АО "РКЦ "Прогресс", ПАО "ОДК-Кузнецов", АО "Авиаагрегат", АО "Металлист-Самара", АО "Авиакор-авиационный завод" и другие. Квалифицированных специалистов для авиационной промышленности в регионе начали готовить с 1942 года, когда в Куйбышеве открыли авиационный институт. Сегодня это опорный для ракетно-космической отрасли вуз России — Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева.
"В регионе 23 университета, и это конкурентное преимущество, позволившее создать интересную среду, которая, на наш взгляд, дает неплохие результаты. В Самарской области создана благоприятная атмосфера для развития коллабораций между университетами и промышленными предприятиями", — отмечает врио руководителя департамента науки и высшего образования Самарской области Марк Шлеенков.
Но создать проект на бумаге или даже промышленный образец мало, важно пустить его в серию и применять, и вузы обладают для этого производственной базой. Например, СамГМУ совместно с индустриальным партнером в рамках ПИШ наладил серийное производство персонифицированных эндопротезов — индивидуальных медицинских имплантов.
"В университете создана уникальная научно-инновационная инфраструктура полного цикла "от идеи в рынок", позволяющая сопровождать научные разработки и исследования на всех стадиях готовности продукта для максимальной адаптации к требованиям здравоохранения. Создан Центр серийного производства, Инжиниринговый центр, Центр прорывных исследований "IT в медицине", — рассказал ректор СамГМУ Минздрава России, профессор РАН, заслуженный деятель науки РФ Александр Колсанов.
Пролить свет на меланому
Представим, что в обычной поликлинике или кабинете профосмотра без направлений за несколько минут можно проверить родинки и определить, не опасны ли они. Ученые Самарского университета им. Королева, СамГМУ и областного онкологического диспансера (СОКОД) уже несколько лет работают над созданием прибора, позволяющего выявить меланому на ранней стадии. Он бесконтактный, не травмирует кожу, не причиняет боль, прост в использовании.
"Меланома кожи сложно диагностируется на ранней стадии и, хотя составляет всего 9% в структуре злокачественных заболеваний кожи, ответственна за большинство случаев смерти от новообразований кожи. Идея заключалась в том, чтобы миновать одну из самых проблемных зон в онкологии — биопсию. При некоторых заболеваниях она может быть опасна и сложна технически, поэтому мы прибегли к неинвазивному способу", — объяснил куратор проекта, доцент кафедры онкологии СамГМУ, врач-онколог СОКОД Александр Морятов.
В основу разработки легла гипотеза о том, что свет по-разному взаимодействует с объектами на коже. Любая биологическая ткань, в том числе пигментные пятна, имеет свои оптические характеристики, которые можно анализировать.
Оптическая диагностика сегодня — перспективное направление в медицине, но начало ей положили в XIX веке, рассказал профессор кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета им. Королева Иван Братченко. Тогда врачи для выявления гидроцефалии у детей ставили за головой пациента горящую свечу и смотрели, прозрачен ли череп или заполнен жидкостью. В современных реалиях ученые оттолкнулись от идеи о том, что свет с различными характеристиками и разной длиной волн по-разному взаимодействует с тканями организма, в том числе со здоровыми и больными.
"На кафедре разрабатывали различные оптические устройства и в какой-то момент предложили попробовать что-то непосредственно в клиниках. Так работа началась", — отметил ученый.
Путь к производству
На кафедре лазерных и биотехнических систем Самарского университета им. Королева медицинские приборы разрабатывают больше 30 лет. В доковидные времена здесь создали пульсоксиметр, сейчас здесь работают над приборами оптической диагностики.
Систему спектрального анализа проблемных участков кожи разработали под руководством профессора Валерия Захарова. Прибор облучает поверхность кожи лазером и фотографирует ее во многих спектральных диапазонах, ведь здоровые и больные клетки отличаются по своему спектру. Затем искусственный интеллект по специально написанной программе обрабатывает отраженный сигнал в режиме реального времени. Медики делают вывод о том, в какой зоне риска находится изучаемый объект: безопасная родинка; злокачественная опухоль, не требующая лечения; или есть подозрение на меланому, при котором нужно незамедлительно обращаться к врачу.
"Техническая часть, математика — это Университет им. Королева. На нас — биологическая и медицинская часть", — подчеркнул Морятов. Медики предоставляют также уникальную практическую площадку, ведь важно оценить разработку в деле. Первые широкие тесты прибора завершились в СОКОД еще в 2017 году. Специалисты отмечают, что точность результата, полученного оптическим способом, приближается к 97%, в то время как стандартное клиническое исследование определяет меланому с точностью 50–60%. С течением времени аппарат несколько раз трансформировался, чтобы стать более простым и дешевым в производстве, а программное обеспечение, наоборот, совершенствуется. В авторитетных российских и зарубежных научных изданиях опубликовано более 50 статей и монографий, посвященных новому способу диагностики меланомы. И даже появился термин, который уже вошел в обиход, — "оптическая биопсия".
После включения разработки в программу стратегического академического лидерства "Приоритет-2030" перспективы выйти на производство уже не просто прототипа, а предсерийного прибора стали осязаемыми.
"Участие в программе "Приоритет-2030" позволяет вузу реализовывать больше наукоемких проектов для достижения технологического суверенитета нашей страны в сфере здравоохранения. После завершения разработки будет получен действующий образец прибора (прототип), затем проведут предсерийные испытания ex vivo, изучат его технические характеристики и возможности, и только после этого можно будет приступать к клиническим испытаниям и выводу разработки в серию", — сообщил Александр Колсанов.
Александр Морятов добавил, что в 2024 году ученые завершат работу над прототипом прибора, а в 2025 году начнутся его биологические испытания. До того как разработка выйдет в серию, должно пройти множество испытаний, подтвердивших его эффективность и безопасность. Для изготовления прибора потребуются компетенции коллег из федерального центра — по этому направлению выстроено сотрудничество с Институтом физики твердого тела РАН.
Медицинская диагностика будущего
Пока прибор для диагностики меланомы дорабатывается, исследования и стартапы в этом направлении ведут студенты и молодые ученые. Недавно младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории "Фотоника", ассистент кафедры лазерных и биотехнических систем Самарского университета им. Королева Ирина Матвеева стала одним из победителей конкурса молодых ученых, приуроченного к 300-летию РАН, с проектом "Методы анализа спектральных данных для диагностики новообразований кожи".
Возможности оптической диагностики готовятся применять и в других локализациях, ведь свет может проникать практически всюду. Уже есть наработки по оптической диагностике новообразований легкого. Лазерный зонд, встроенный в бронхоскоп или эндоскоп, позволит сделать мультиспектральный снимок новообразований и других внутренних органов.
Следующий шаг — жидкостная биопсия, определение заболеваний по анализу крови с применением оптических методов. Как рассказал Братченко, с коллегами из СамГМУ разработан единый тест, определяющий у человека заболевания сердечно-сосудистой системы, легких, почек, аутоиммунные проблемы. В перспективе — неинвазивная диагностика, без взятия биоматериала, посредством лазерного излучения. Прибор для такого анализа может выглядеть как привычный пульсоксиметр, только "прищепка" будет считывать параметры крови. Но о сроках внедрения таких новинок говорить пока рано, отметил ученый.
Вместе развивают также нейротехнологии и IТ-медицину. Кроме того, СамГМУ и Университет им. Королева разрабатывают устройства для исследования патологий сердца, изучают процессы, происходящие внутри артерий при нарушениях сердечного ритма и развитии атеросклероза, и даже разрабатывают временную замену сердцу. "Ведется проект "искусственное сердце" по созданию полностью автономного искусственного аналога сердца для использования у пациентов, которым запланирована пересадка сердца, на период ожидания", — сообщил Александр Колсанов.
"Результатом сотрудничества стала разработка новых технологий и приборов, в частности способа лазерной экспресс-диагностики пародонтита, технологии изготовления имплантов из титановых сплавов и персонифицированных эндопротезов, неинвазивной скрининг-диагностики на основе тепловизионной системы и информационных технологий, комплексного метода оптической неинвазивной диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований кожи", — рассказал ректор Самарского университета им. Королева, доктор экономических наук, профессор Владимир Богатырев.
Заметая углеродный след
Экологические вопросы тоже под силу самарской научно-практической коллаборации. В Самарской области создан первый в стране аграрный карбоновый полигон "Агро Инженерия". "Первая песочница, в которой мы начали играть в рамках карбонового полигона, — НОЦ "Инженерия будущего", который реализуется в нашем регионе. Был создан комитет, на базе которого встречались представители разных университетов — Самарского университета им. Королева, Самарского государственного аграрного университета (СамГАУ) и СамГМУ", — рассказал Шлеенков.
На двух научно-исследовательских площадках общей площадью 4785,8 га изучают процессы выделения и поглощения парниковых газов в условиях разных экосистем. "Самарский университет им. Королева как оператор проекта разрабатывает технологии дистанционного измерения и мониторинга парниковых газов на основе газовой хроматографии и гиперспектрального зрения.
Ученые аграрного университета исследуют, как процессы выделения и поглощения углерода зависят от видов почв и растительного покрова, а также разрабатывают агротехнологии, снижающие эмиссию парниковых газов и повышающие депонирующую способность почв. Микробиологи СамГМУ изучают влияние таких агротехнологий на микробиом (совокупность микроорганизмов, обитающих или находящихся в почве — прим. ТАСС) почвенного покрова", — пояснил Богатырев.
Цель проекта — создать методику подсчета углеродного следа, поглощаемого почвой в результате хозяйственной деятельности человека, и это значимый шаг на пути к углеродной экономике.
В небе и в космосе
Самара по праву считается космической столицей, ведь в городе работают крупнейшие предприятия отрасли и профильный вуз. Университет им. Королева поэтапно создает и успешно апробирует все новые космические аппараты, но полная реализация проектов была бы невозможна без участия коллег по научной деятельности и промышленных предприятий.
"Ключевой проект, который уже активно реализуется на орбите, — космический аппарат по дистанционному зондированию Земли "Аист-2Т". Главным исполнителем здесь выступил РКЦ "Прогресс", но мне сложно сказать, кого не привлекали к этому проекту: Самарский университет им. Королева, Самарский государственный технический университет (СамГТУ), определенные исследования давали Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики и Приволжский государственный университет путей сообщения. Проект позволил консолидировать лучшие передовые практики в каждом университете и сделать конкурентоспособный продукт", — подчеркнул Шлеенков. С помощью "Аиста" можно делать стереоскопические фотографии Земли, создавать цифровые модели местности и вести мониторинг чрезвычайных ситуаций.
Другая совместная разработка — спутник "Бион-М", миссия которого — биологические исследования в космосе. Генеральный заказчик проекта — Институт медико-биологических проблем РАН, собирает аппараты РКЦ "Прогресс", а научную сторону прорабатывают ученые Самарского университета им. Королева, СамГМУ и других вузов. Первый аппарат "Бион-М" уже работает на орбите. В октябре на конференции "Созвездие Роскосмоса: траектория науки" в Самаре сообщили, что запуск второго "Биона" запланирован на март 2025 года.
В интересах Национального центра физики и математики ученые Самарского университета им. Королева создали экспериментальный образец аналоговой фотонной вычислительной системы. На ее основе планируется создание к 2030 году фотонной вычислительной машины класса "мегасайенс", которая сможет обрабатывать большие массивы данных с рекордной производительностью и получать фундаментальные результаты в области искусственного интеллекта и машинного обучения.
В Самарской области сегодня работает один из трех российских научно-производственных центров беспилотных авиасистем. Еще 10 лет назад, когда отрасль в России только начинала зарождаться, активное участие в ее формировании принял Самарский университет им. Королева. Сегодня перед учеными стоит задача сделать свою разработку лучшей.
"Профильный университет может сделать беспилотник, но он никогда не сделает его конкурентоспособным в одиночку", — отметил Шлеенков, пояснив, что для достижения лучшего результата нужно соединение сильных сторон разных научных организаций. Тогда одни, к примеру, сделают винты из самого современного углепластика, а другие оснастят аппарат продвинутыми "мозгами". Именно в такой синергии, чтобы получить лучший продукт, и должен быть заинтересован квалифицированный заказчик. В Самарской области в беспилотной сфере это ООО "Транспорт будущего".
"Зачем вузы взаимодействуют друг с другом? В каждом университете всегда идет борьба между кафедрами, лабораториями, и всегда выигрывает сильнейший. В каждом университете есть свои сильные компетенции, и только во взаимодействии появляется возможность их объединить", — подвел итог Шлеенков.
Дарья Малеева
