Искусственный интеллект в комплексной реабилитации инвалидов. (Обзор литературы)

По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат), на конец 2023 г. в Российской Федерации проживали более 11 млн инвалидов [1]. Эта многочисленная группа населения нуждается в качественной, всесторонней и своевременной реабилитации и социальной помощи. За последние годы система комплексной реабилитации и абилитации инвалидов и детей-инвалидов активно развивается в Российской Федерации. Для ее успешного внедрения и распространения необходимо использовать современные методы, появление которых часто обусловлено изменяющейся реальностью. Так, в период пандемии COVID-19 появилась необходимость в развитии телереабилитации, которая может улучшить доступность реабилитационных услуг, а цифровые технологии могут вывести на новый уровень качества соблюдение и мониторинг домашних упражнений [2]. Однако проблемы внедрения технологичных решений остаются. Недавно появилась возможность технологически усовершенствовать комплексную реабилитацию инвалидов с помощью технологий искусственного интеллекта (ИИ).

Применение технологий ИИ показало большие перспективы в медицине, особенно в областях профилактики, диагностики [2] и мониторинга заболеваний. Алгоритмы машинного обучения и нейронные сети позволяют анализировать огромные объемы данных пациентов, выявлять скрытые закономерности и прогнозировать развитие заболеваний [3—7]. Однако новые технологии часто недостаточно широко применяются из-за проблем с удобством использования, полезностью и стоимостью [2]. Важно проводить внедрение новых технологий корректно и уместно, оценив предполагаемую пользу от их применения заранее. В настоящее время вопросы использования технологий ИИ в комплексной реабилитации инвалидов с учетом особенностей реабилитационных мероприятий для разных групп пациентов недостаточно изучены. В ранней работе был проведен анализ зарубежных исследований по поводу применения ИИ в реабилитации с технической точки зрения распространения методов ИИ и областей их использования (профилактика инвалидизации населения, диагностика нарушений здоровья, сопровождение во время упражнений, применение игровых технологий в совокупности с ИИ) [8].

Цель исследования — определение применения технологий ИИ с медицинской точки зрения и их распределение по целевым реабилитационным группам (ЦРГ) и направлениям комплексной реабилитации инвалидов на основе обзора зарубежных исследований за 2019—2023 гг.

Для проведения обзора литературы по теме применения технологий ИИ в реабилитации инвалидов была использована международная база данных (БД) PubMed. Выполнен поиск зарубежных исследований по комбинации ключевых слов artificial intelligence AND disability за 2019— 2023 гг. Отбор публикаций проходил в два этапа с учетом принципов доказательной медицины, описанных в руководстве PRISMA (https://www.prisma-statement.org/prisma-2020). На 1-м этапе предпочтение отдавали систематическим обзорам (Systematic Review), метаанализам (Meta-Analysis) и рандомизированным контролируемым исследованиям (РКИ). На 2-м этапе были отобраны публикации, полностью соответствующие тематике, на основе прочтения аннотаций и полноразмерных текстов статей.

По запросу Artificial Intelligence AND disability в БД PubMed за последние 5 лет (2019—2023 гг.) было найдено 1636 публикаций (рис. 1).

Рис. 1. Количество публикаций по годам в базе данных PubMed по теме ИИ в реабилитации инвалидов.

На 1-м этапе отбора исследований по фильтрам «систематический обзор» и РКИ из 1636 публикаций оставили 300 публикаций, из которых на 2-м этапе, в ходе детального изучения, отобрали 52 публикации, соответствующих теме «использование ИИ в реабилитации инвалидов». Классификация 52 публикаций привела к выделению 4 основных групп применения технологий ИИ в реабилитации с их разбивкой: по реабилитационным группам; по методам обработки информации; по техническим решениям для задач реабилитации; по направлениям комплексной реабилитации инвалидов (рис. 2). Следует отметить, что такое разделение условное и было использовано для систематизации полученных результатов анализа и их визуализации.

Рис. 2. Схема распределения применяемых технологий искусственного интеллекта в реабилитации инвалидов в зарубежном опыте.

СППР — система поддержки принятия решений; ТСР — технические средства реабилитации; АДК — альтернативная и дополненная коммуникация; VR — virtual reality (технология виртуальной реальности); ЦРГ — целевая реабилитационная группа.

Распределение технологий ИИ по методам обработки информации и задачам реабилитации, для которых они применяются, были рассмотрены в предыдущей работе [8]. Основной задачей настоящей работы являлся анализ распределения технологий ИИ по ЦРГ и направлениям комплексной реабилитации инвалидов. Для этого было проанализировано 52 зарубежных исследования с дальнейшим их распределением по направлениям комплексной реабилитации и ЦРГ, для которых разработанные технологии ИИ могут быть применены. Из всех направлений комплексной реабилитации инвалидов, указанных в Федеральном законе №651-ФЗ от 25.12.2023 «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (ФЗ 651)¹, 5 направлений были упомянуты в исследованиях: медицинская реабилитация, социальная реабилитация, профессиональная реабилитация, протезно-ортопедическая помощь, обеспечение инвалидов техническими средствами реабилитации (ТСР) (рис. 3). Поскольку некоторые из исследований являются обширными систематическими обзорами и описывают не одну разработку в сфере ИИ, а несколько, применяемых в разных направлениях и для разных ЦРГ, они были учтены в нескольких направлениях комплексной реабилитации одновременно.

Рис. 3. Распределение зарубежных исследований по упоминанию направлений комплексной реабилитации.

Технологии ИИ для решения задач медицинской реабилитации были описаны в 6 исследованиях [9—14]. Первое исследование является систематическим обзором на тему применения технологий ИИ в физической и реабилитационной медицине (ФРМ) [9]. Авторы сообщили о том, что проанализированные ими технологии ИИ можно разделить на 5 категорий: системы на основе приложений; роботизированные устройства, заменяющие функции; роботизированные устройства, восстанавливающие функции; игровые системы и носимые устройства. Авторы отметили, что оценка результатов применения технологий ИИ, касающаяся физической функции, активности, боли и качества жизни, связанного со здоровьем, проводилась в небольшом количестве исследований. Клинические эффекты применения технологий ИИ были непоследовательными и неоднозначными [9], что указывает на необходимость дальнейшего изучения эффективности технологий ИИ для ФРМ. Еще в одном исследовании, посвященном технологиям ИИ в ФРМ, была описана система поддержки принятия решений с элементами прогнозирования возможных результатов проводимого курса ФРМ [11].

Три исследования были направлены на медицинскую реабилитацию для пациентов, перенесших инсульт [10, 13]. Авторы исследований предложили осуществлять реабилитацию пациентов после инсульта с применением элементов игровых технологий, телереабилитации [13] и систему поддержки принятия решений с элементом оценки состояния после инсульта [10]. Также было предложено использование чат-бота для управления информацией о медицинских и реабилитационных назначениях и кодов Международной классификации функционирования, ограничений жизнедеятельности и здоровья (МКФ) [14].

По направлению «Протезно-ортопедическая помощь» ряд авторов предлагают использовать роботизированные или электронные протезы и ортезы с управлением на основе ИИ [15—18].

Согласно Федеральному закону от 25.12.2023 №651-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»², в направление профессиональной реабилитации входит в том числе содействие в получении общего и профессионального образования. Большинство исследований, относящихся к направлению профессиональной реабилитации, связаны с использованием технологий ИИ в образовательной деятельности инвалидов [19—23]. Одно из исследований посвящено профилактике инвалидизирующих происшествий на рабочем месте [24]. И еще одно исследование затрагивает систему управления большими данными, связанными со случаями инвалидизации на рабочем месте [25].

Социальная реабилитация делится на социально-средовую, социально-педагогическую, социально-психологическую, социально-бытовую реабилитацию и абилитацию и социальную занятость. Отобранные исследования в основном описывают применение технологий ИИ (поддержки в виде чат-бота, Интернет вещей) в социально-бытовой реабилитации и направлены на улучшение жизненных условий инвалидов с нарушениями зрительных функций [26], с деменцией [27] и другими нарушениями когнитивных функций [28].

Направление комплексной реабилитации инвалидов «Обеспечение инвалидов техническими средствами реабилитации» упоминается в зарубежных исследованиях чаще других. В разных работах предлагаются разнообразные программные решения (в том числе в виде приложений для гаджетов) [16, 21—23, 28—32], умные кресла-коляски [33] и умные устройства [20] для мониторинга и диагностики состояния инвалида. Большинство из этих ассистивных технологий и устройств можно расценивать в качестве ТСР для инвалидов.

В настоящем исследовании были использованы ЦРГ, представленные в Приказе Министерства труда и социальной защиты Российской Федерации от 26.07.2024 №374н «Об утверждении классификаций и критериев, используемых при осуществлении медико-социальной экспертизы граждан федеральными учреждениями медико-социальной экспертизы»³. Следует отметить, что понятие ЦРГ является новеллой в Российской практике реабилитации инвалидов и не имеет аналогов за рубежом. Использование в анализе ЦРГ позволяет систематизировать сведения о технологиях ИИ с точки зрения прикладных задач реабилитации инвалидов. На рис. 2 указаны только ЦРГ, которые упоминались в зарубежных исследованиях. Распределение доли применения технологий ИИ по ЦРГ продемонстрировано на рис. 4. Одни и те же исследования были учтены в разных ЦРГ, если они одновременно имеют отношение сразу к нескольким видам нарушений.

Рис. 4. Распределение применения технологий ИИ по целевым реабилитационным группам.

В соответствии с Приказом, к нарушениям психических функций (ЦРГ-1) относятся нарушения интеллектуального развития, расстройства аутистического спектра (РАС) и экзогенно-органические расстройства, а также эпизодические и пароксизмальные расстройства. Инновационные технологии с применением ИИ для этой целевой группы условно можно поделить на 3 категории: ИИ для возрастной категории людей с деменцией, болезнью Паркинсона, Альцгеймера и другими когнитивными нарушениями; ИИ для детей с РАС; ИИ в качестве инструмента альтернативной и дополненной коммуникации для детей с нарушениями психических функций.

Технологии ИИ предлагается использовать для раннего предсказания развития таких заболеваний, как боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, и других более редких заболеваний [18]. Для реабилитации людей с деменцией были проведены исследования по применению ИИ в мониторинге, роботах-помощниках и других приложениях с целью тренировок функций головного мозга, психологического воздействия, коммуникации и повседневной помощи [27]. Также для людей с деменцией, болезнью Паркинсона, когнитивными нарушениями и возрастной группы населения был разработан агент для общения — поддержка в виде чат-бота в рамках сопровождаемого проживания [28].

Также имеются разработки по применению ИИ (на основе машинного обучения) для ранней диагностики и скрининга детей с нарушениями психических функций, в частности детей с РАС и синдромом Ретта [34]. Эти же разработки применялись при диагностике синдрома Дауна (ЦРГ-10) с целью совершенствования понимания сложности сопутствующих заболеваний и ускорения идентификации биомаркеров [34].

В некоторых исследованиях были отдельно рассмотрены технологии ИИ для детей с РАС. Акцент был сделан на разработку системы прогнозирования нарушений здоровья [35], различных вспомогательных технологий и устройств (в том числе ТСР) для обучения детей с ментальными нарушениями в школе [19]. Авторы отметили необходимость индивидуального подхода к обучению детей с РАС. Анализ эмоций, поведения, жестов, мимики и речи детей с помощью технологий ИИ позволяет наладить взаимопонимание между учеником и учителем и скорректировать имеющийся индивидуальный план обучения. В качестве вспомогательного элемента предлагается использование умных роботов для проведения анализа и налаживания коммуникации. Роботы помогают детям с аутизмом социализироваться и развивать социальные навыки. Результаты исследований показывают, что роботы могут быть эффективными в долгосрочной терапии аутизма. Приложения помогают детям с аутизмом развивать языковые навыки и социальные взаимодействия [19].

Большая часть исследований была посвящена различным инструментам альтернативной и дополненной коммуникации на основе ИИ как для предоставления информации детям с нарушениями психических функций (упрощение текстов или преобразование их в картинки с применением принципов гибкости и персонализации простых текстов и учетом местного контекста, культуры и коммуны [23]; разработка ассистивных технологий в образовательном процессе [22]), так и для распознавания и интерпретации движений, эмоций и поведения детей с нарушениями психических функций [30, 32].

Для детей с дисграфией и нарушениями психических функций были разработаны технологии оценки письма с помощью интеллектуальной ручки SensoGrip, оснащенной датчиками для фиксации динамики почерка (для проведения оценки письма в более реалистичных сценариях) [20]; оценки и выявления нарушения по изображениям, сделанным от руки [21].

Некоторые разработки по применению технологий ИИ, описанные выше, также относятся к реабилитации инвалидов с нарушениями языковых и речевых функций (ЦРГ-2) путем оценки письма [20], выявления нарушений по изображениям [21], использования специализированных приложений и других ассистивных технологий для развития языковых навыков [19, 22]. В рамках речевой терапии была разработана технология распознавания речи с помощью ИИ при дизартрии [31] и других нарушениях [36].

В рамках создания технологий ИИ для инвалидов с преимущественными нарушениями сенсорных функций (слуха и зрения) (ЦРГ-3) были разработаны инструменты для восстановления зрения. Одно исследование было посвящено скринингу нарушений зрения у детей [37]. Другое обширное исследование описывает различные ассистивные технологии по распознаванию лиц в реальном времени, активности людей, эмоций и движений рта [38]. С помощью ассистивных технологий были достигнуты большие успехи в интеграции с устройствами вещей на основе ИИ, который обрабатывает и анализирует большой объем данных, генерируемых устройствами Интернета вещей, и применяет модели, в частности машинное обучение, для обнаружения закономерностей с целью генерации идей и осуществления поддержки принятия решений [26].

В рамках статьи под понятием «нарушения двигательных функций» были обобщены все нарушения, указанные в Приказе для ЦРГ-4, которая включает в себя нарушения нейромышечных, скелетных и связанных с движением (статодинамических) функций [39]. Технологии ИИ интегрированы в инструмент скрининга для выявления лиц с нарушениями опорно-двигательного аппарата.

Четыре исследования были направлены на реабилитацию пациентов, получивших нарушения двигательных функций в результате острых цереброваскулярных болезней. В одной из разработок чат GPT-4 используется для ведения истории пациента путем создания всесторонней информации о его назначениях и кодах МКФ, относящихся к инсульту [14]. Также была разработана система поддержки принятия решений для оценки состояния после инсульта, которая предназначена помочь специалисту получить более полное представление о нарушениях здоровья, уровне активности и участии лиц, перенесших инсульт, в период реабилитации [10]. Предлагается персонифицировать подход к игровой терапии в рамках телереабилитации с помощью технологий ИИ [13]. Еще одна система на основе ИИ под названием MAIA разрабатывается для интерпретации намерений пользователей и их перевод в действия, выполняемые ассистивными устройствами [40].

В трех исследованиях авторы предлагают использовать технологии ИИ для реабилитации пациентов с хронической болью в спине и болью в поясничном отделе. На основе технологий ИИ были разработаны системы диагностики боли в спине [12, 41] и приложение для самоконтроля и оценки [42].

Большой блок исследований посвящен нарушениям, связанным с утратой одной или обеих верхних или нижних конечностей. Разработки на основе технологий ИИ применяются для систем контроля протезов [15—17, 36]. Такие системы контроля могут повысить точность и скорость движений протеза, помогают кодировать и декодировать сигналы управления моторикой [43]. Одна из систем управления виртуальным протезом на основе технологий ИИ применялась для снижения фантомной боли в конечности в рамках зеркальной терапии. Реабилитация пациента предполагается с использованием игры вместе с дополненной и виртуальной реальностью в качестве дополнительного метода лечения, если зеркальная терапия не дает необходимого эффекта [36].

В других исследованиях технологии ИИ были применены для реабилитации пациентов:

— с ревматоидным артритом (применение ИИ для скрининга) [44];

— с болезнью Паркинсона (мониторинг показателей здоровья во время выполнения упражнений на дому в рамках телереабилитации) [45];

— с рассеянным склерозом (предсказание показателей расширенной шкалы оценки степени инвалидизации EDSS) [46];

— с детским церебральным параличом (ДЦП) — прогностическая модель обучения для выявления факторов, связанных с РАС у подростков с ДЦП. Двигательные навыки, способность к питанию, тип спастичности, умственная отсталость и коммуникативные расстройства были связаны с РАС. Прогностическая модель позволила адекватно идентифицировать подростков, подверженных риску РАС [47].

Технологии ИИ являются универсальным инновационным международным инструментом при решении прикладных задач, в частности реабилитации.

Количество исследований и разработок интеллектуальных систем в реабилитации за последние 5 лет значительно увеличилось, о чем свидетельствуют результаты проведенного исследования.

Активно развивается направление разработки различных устройств с применением технологий ИИ для реабилитации инвалидов и содействия им в социально-бытовой сфере, что можно расценивать как разработку новых ТСР, а также новых технических устройств, направленных на понимание лиц с нарушениями коммуникации, на обучение письму и в целом на помощь при обучении.

Результаты распределения применения технологий ИИ в реабилитации по ЦРГ в зарубежных исследованиях с 2019 по 2023 г. показали преимущественное распространение решений с использованием технологий ИИ для ЦРГ-4. Преобладание применения технологий ИИ в области восстановления двигательных функций связано с высоким потенциалом составления индивидуальных реабилитационных программ и мониторинга эффективности реабилитационных мероприятий средствами ИИ.

Проведенный анализ публикационного потока позволяет оценить перспективы и выявить области реабилитации и ЦРГ, где применение технологий ИИ исследовано в значительно меньшей степени. Дальнейшие исследования целесообразно развивать в направлении оценки потребности применения технологий ИИ в сфере реабилитации инвалидов и внедрения в нормативное правовое поле для дальнейшего применения на базе государственных бюджетных предприятий.

Исследование проведено в рамках выполнения государственного задания.

Участие авторов: сбор и обработка материалов, анализ полученных данных — Петрищева К.Н.; написание текста — Суфэльфа А.Р., Петрищева К.Н.; редактирование — Суфэльфа А.Р., Щербина К.К., Иванова Н.В., Пономаренко Г.Н.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

¹Вступил в силу 1 марта 2025 года.

²Вступил в силу 1 марта 2025 года.

³Вступил в силу 1 марта 2025 года.