Przełom w implantach ślimakowych: sztuczna inteligencja zstępuje w głąb ludzkiego ciała

W medycynie, kolejnym polem, gdzie sztuczna inteligencja znajduje zastosowanie, są urządzenia wszczepiane bezpośrednio do organizmu. Firma Cochlear, lider w technologii implantów słuchowych, zaprezentowała system Nucleus Nexa. Jest to pierwszy implant ślimakowy, który integruje algorytmy uczenia maszynowego, zarządzanie energią oraz możliwość bezprzewodowej aktualizacji oprogramowania, znacząco personalizując doświadczenia użytkowników.

Sztuczna inteligencja w służbie słuchu

Największym wyzwaniem inżynieryjnym było stworzenie systemu, który efektywnie działa w ekstremalnych warunkach energetycznych, a jednocześnie niezawodnie komunikuje się z ludzkimi tkankami nerwowymi. Sercem inteligentnego implantu jest klasyfikator środowiskowy SCAN 2, zdolny do analizowania dźwięków i kategoryzowania ich w czasie rzeczywistym jako: mowa, mowa w hałasie, hałas, muzyka lub cisza. Jak wyjaśnia Jan Janssen, globalny dyrektor techniczny Cochlear: „Te klasyfikacje są następnie wprowadzane do modelu drzewa decyzyjnego, co pozwala na dynamiczne dostosowanie przetwarzania dźwięku i sygnałów elektrycznych przesyłanych do implantu”.

Interesującym aspektem jest dynamiczne zarządzanie energią (Dynamic Power Management), gdzie sam implant uczestniczy w optymalizacji zużycia energii. Dane i zasilanie są przesyłane pomiędzy procesorem zewnętrznym a implantem za pośrednictwem zaawansowanego łącza RF. Dzięki temu układ scalony może minimalizować zużycie energii, opierając się na klasyfikacji środowiskowej dokonanej przez model uczenia maszynowego. Jest to odpowiedź na jedno z najtrudniejszych pytań w implantologii: jak utrzymać urządzenie w pełni funkcjonalnym przez kilkadziesiąt lat, bez możliwości wymiany baterii?

Precyzyjne filtrowanie dźwięków z ForwardFocus

System wyposażono również w algorytm ForwardFocus, który wykorzystuje dane z dwóch mikrofonów do tworzenia przestrzennych wzorców dźwięku i szumu. Zakłada on, że mowa dociera z przodu, podczas gdy zakłócenia z boków lub z tyłu. Dzięki temu algorytm może skutecznie tłumić hałas otoczenia. Kluczowym elementem jest automatyzacja – ForwardFocus działa bez potrzeby interwencji użytkownika, samodzielnie aktywując filtrowanie przestrzenne w zależności od analizy środowiska akustycznego, co znacznie redukuje obciążenie poznawcze pacjenta.

Przełomowa możliwość aktualizacji oprogramowania

Jednym z najbardziej innowacyjnych rozwiązań jest możliwość aktualizacji oprogramowania wszczepionego implantu. Dotychczas, po umieszczeniu implantu w ciele, jego funkcjonalność była statyczna. Nowe algorytmy przetwarzania sygnałów czy ulepszone modele AI nie mogły być implementowane w już wszczepionych urządzeniach. System Nucleus Nexa zmienia ten paradygmat. Poprzez zewnętrzne procesory, audiologowie mogą przesyłać aktualizacje oprogramowania układowego do implantu za pomocą dedykowanego łącza RF. Bezpieczeństwo tych operacji gwarantują zarówno ograniczenia fizyczne, jak i protokoły zabezpieczające.

Co więcej, implant przechowuje do czterech spersonalizowanych map słuchowych, co jest znaczącym krokiem w utrzymaniu indywidualnych ustawień. W przypadku awarii lub zagubienia procesora zewnętrznego, nowy może pobrać spersonalizowane dane bezpośrednio z implantu, zapewniając ciągłość użytkowania. „Dzięki inteligentnym implantom przechowujemy kopię spersonalizowanej mapy słuchu bezpośrednio w implancie. Tak więc, jeśli stracisz procesor zewnętrzny, możemy wysłać ci pusty procesor, a on pobierze mapę z implantu” – wyjaśnia Janssen.

Wizja przyszłości AI w medycynie

Obecne modele wykorzystują drzewa decyzyjne ze względu na ograniczenia energetyczne i wymogi interpretowalności w urządzeniach medycznych. Jednak, jak zaznacza Janssen, firma dąży do implementacji głębokich sieci neuronowych, które w przyszłości mogą jeszcze bardziej poprawić jakość słyszenia w trudnych warunkach akustycznych.

Cochlear bada również inne zastosowania AI, w tym automatyzację rutynowych kontroli i redukcję kosztów opieki przez cały okres użytkowania implantu. To wskazuje na szerszy trend w rozwoju medycznych urządzeń brzegowych (edge AI) – od reaktywnego przetwarzania sygnału do predykcyjnego monitorowania zdrowia i autonomicznej optymalizacji.

Wyzwania i ograniczenia

Wprowadzenie sztucznej inteligencji do urządzeń wszczepianych wiąże się z szeregiem wyzwań:

• Zasilanie: Urządzenie musi działać przez dziesięciolecia na minimalnym zużyciu energii.
• Opóźnienie: Przetwarzanie dźwięku musi odbywać się w czasie rzeczywistym, bez zauważalnych opóźnień.
• Bezpieczeństwo: Jako urządzenie medyczne stymulujące tkankę nerwową, awaria modelu może mieć poważne konsekwencje dla jakości życia.
• Możliwość aktualizacji: Implant musi wspierać ulepszenia przez ponad 40 lat bez wymiany sprzętu.
• Prywatność: Dane zdrowotne są przetwarzane na urządzeniu, a Cochlear stosuje rygorystyczne metody anonimizacji przed ich wykorzystaniem w programach badawczych.

Te ograniczenia wymuszają decyzje architektoniczne, z którymi nie spotyka się w przypadku wdrażania modeli ML w chmurze czy smartfonach. Każdy miliwat ma znaczenie, a każdy algorytm musi być zatwierdzony pod kątem bezpieczeństwa medycznego.

Przyszłość łączności i autonomii

Cochlear planuje wdrożenie technologii Bluetooth LE Audio i Auracast, które umożliwią przyszłe aktualizacje oprogramowania implantu. Te protokoły oferują lepszą jakość dźwięku i niższe zużycie energii, a co ważniejsze, pozycjonują implant jako element szerszych sieci wspomagania słuchu. Auracast umożliwi bezpośrednie połączenie z publicznymi strumieniami audio, przekształcając implant z izolowanego urządzenia medycznego w połączone urządzenie brzegowe AI, uczestniczące w otoczeniu komputerowym.

Długoterminowa wizja przewiduje całkowicie wszczepialne urządzenia z wbudowanymi mikrofonami i bateriami, eliminując całkowicie elementy zewnętrzne. Wówczas mówimy o w pełni autonomicznych systemach AI działających wewnątrz ludzkiego ciała, które dostosowują się do otoczenia, optymalizują energię i zapewniają łączność bez interakcji użytkownika.

Wdrożenie systemu Cochlear stanowi przykład dla innych producentów urządzeń brzegowych AI, pokazując, jak projektować inteligentne systemy z myślą o dziesięcioleciach działania, nie zaś o typowych cyklach życia produktów konsumenckich. Jak zauważył Janssen, „inteligentny implant, który wprowadzamy dzisiaj, to tak naprawdę pierwszy krok do jeszcze inteligentniejszego implantu”. Tempo tych innowacji zdecyduje o tym, czy AI w medycynie pozostanie prototypem, czy stanie się standardem opieki dla 546 milionów osób cierpiących na ubytek słuchu w samym regionie Pacyfiku Zachodniego.