هوش مصنوعی چگونه می‌تواند به سلامت فضانوردان کمک کند؟

انسان‌ها در طول میلیون‌ها سال برای زندگی روی زمین به تکامل رسیده‌اند. یکی از اهداف بشر امروزی، فرستادن انسان به مأموریت‌های فضایی طولانی‌مدت است که پیش‌نیاز اصلی آن بقا در این بازه‌ی طولانی است. ناسا در حال برنامه‌ریزی برای فرستادن انسان به سیارکی تا سال ۲۰۲۵ و فرستادن انسان به مریخ در دهه‌ی ۲۰۳۰ است. در سفر ناسا به مریخ، به‌عنوان طولانی‌ترین مأموریت فضایی سرنشین‌دار، فضانوردان باید سه سال در فضا دوام بیاورد. اگرچه فضانوردان می‌توانند با شرایط جدید سازگار شوند، سفرهای فضایی طولانی‌مدت بر بدن انسان فشار می‌آورد و فضانوردانی که به زمین بازمی‌گردند، به مشکلات بینایی، تعادل، قدرت، هماهنگی و فشارخون دچار می‌شوند.

تصویر رنگی طبیعی مریخ که طیف‌سنج نوری فضاپیمای روزتا و سیستم پردازش تصویر از راه دور مادون قرمز (OSIRIS) ثبت کرده است.

روی زمین ماهیچه‌های بدن انسان دربرابر جاذبه مقاومت می‌کنند؛ اما در فضای بدون جاذبه، ماهیچه‌ها ضعیف می‌شوند و فضانوردان جرم ماهیچه‌ی خود را از دست می‌دهند؛ در‌نتیجه در شرایط ریزگرانش، ممکن است فضانوردان در کمتر از ۶ ماه، ۵۰ درصد از جرم ماهیچه‌ی خود را از دست بدهند. در فضا، به‌دلیل افزایش دفع مواد معدنی بدن تراکم استخوان‌ها ماهانه ۱ درصد کاهش می‌یابد؛ در‌حالی‌که نرخ اتلاف استخوان افراد مسن روی زمین، تقریبا ۱ درصد در سال است. به‌همین‌دلیل، فضانوردان درمعرض خطر پوکی شدید استخوان قرار می‌گیرند که می‌تواند به شکستگی و قوز منجر شود؛ درنتیجه، خطر سقوط ۴۰ درصد و خطر شکستگی لگن ۲۵ درصد و به‌طور کلی خطر مرگ، ۸۲ درصد افزایش می‌یابد.

فضانوردان در سفرهای فضایی طولانی‌مدت، به بازخورد مستقیم کیفیت ماهیچه‌ها و استخوان‌ها نیاز دارند. ناسا برای توسعه‌ی روش‌های نوآورانه‌ی حفظ سلامت انسان در فضا مشغول همکاری با مؤسسه‌ی TRISH (مؤسسه‌ی پژوهش‌های انتقالی سلامت فضایی) است. TRISH گروهی اشتراکی تحت رهبری کالج پزشکی بایلر است که CalTech و MIT را شامل می‌شود. این گروه از جدیدترین پژوهش‌های پزشکی استفاده می‌کند و برای انتقال روش‌های پیشرفته به فضانوردان، مدلی به‌نام «میز کار تا سفر فضایی» را پیاده‌سازی می‌کند.

مؤسسه‌ی بهداشت دقیق هوش مصنوعی در مرکز سرطان دانشگاه هاوایی، هونولولو.

بررسی ASTRO3DO

در سالی که گذشت، TRISH مجوز پژوهشی به‌نام ASTRO3DO (ترکیب بدن منعطف دربرابر فضا و تحلیل شکل بدن برای مأموریت‌های طولانی‌مدت) را به دکتر جان شفرد، از مؤسسه‌ی بهداشت دقیق هوش مصنوعی (AI-PHI) در مرکز سرطان دانشگاه هاوایی داد. این پژوهش شامل همکاری بین AI-PHI و ناسا و UCSF است. دکتر جان شفرد، هم‌بنیان‌گذار و پژوهشگر ارشد AI-PHI، در سراسر جهان به‌خاطر تخصصش در تحلیل تصاویر پزشکی با هوش مصنوعی به‌شهرت رسیده است.

دکتر پیتر سادوفسکی، هم‌بنیان‌گذار و یکی از مدیران یادگیری ماشین در AI-PHI، یکی از متخصصان برجسته در حوزه‌ی یادگیری عمیق است. دکتر شفرد و دکتر سادفسکی مشغول اجرای پیشرفته‌ترین پژوهش‌های هوش مصنوعی در سراسر دنیا هستند. این دو دانشمند برای پژوهش مذکور با دکتر ژان سیبونگا، دانشمند بیوپزشکی و سرپرست علمی آزمایشگاه معدنی مرکز فضایی جانسون ناسا و دکتر آنور سایور، دکتری پزشکی و استادیار و جراح ارتوپد در UCSF سان‌فرانسیسکو، همکاری می‌کنند.

تغییر شکل بدن آشکارترین نشانه‌ی ضعف عملکرد انسان است

واضح‌ترین علامت هشدار برای ضعف عملکرد انسان تغییر شکل بدن است. شکل بدن نتیجه‌ی فرایندهای اومیک (وابسته به زیست‌شناسی برای مثال ژنومیک، پروتئومیک و...) است. پژوهشگران AI-PHI در حال بررسی رابطه‌ی اطلاعات شکل بدن با شاخص‌های سلامتی مثل قدرت و ترکیب بدن هستند و از این شاخص‌ها برای نظارت بر خطر ضعف بدن استفاده می‌کنند. آن‌ها می‌توانند با تحلیل این داده‌ها با استفاده از هوش مصنوعی، اطلاعات زیادی به‌دست آورند.

هدف بررسی ASTRO3DO توسعه‌ی روش‌های سودمند به‌منظور کمک به آماده‌سازی فضانوردان برای سفرهای فضایی طولانی‌مدت مثل سفر ناسا به مریخ است. این تیم مشغول طراحی اسکنرهای نوری سه‌بعدی است که از هوش مصنوعی برای نظارت بر ترکیب بدنی فضانورد در فضا استفاده می‌کند. هدف شناسایی عملکرد بهینه و امکان‌پذیری دوربین‌های نوری سه‌بعدی برای جمع‌آوری نماهای مختلف بدن و بررسی دقت ترکیب کلی بدن ازطریق روش نور سه‌بعدی است.

دکتر شفرد می‌خواهد آموخته‌های این بررسی را روی فضانوردان پیاده‌سازی کند. تیم پژوهشی برای جمع‌آوری داده‌ها چند دوربین را داخل کپسول فضایی جاسازی می‌کنند. فضانوردان در‌حالی‌که در فضا شناور هستند، به دور خود می‌چرخند و بدین‌ترتیب می‌توان کل بدن را ثبت کرد. نظارت بر شکل بدن با اسکنرهای سه‌بعدی، بازخورد ارزشمندی درباره‌ی تغییرات سلامت انسان فراهم می‌کند و اسکنرهای سه‌بعدی امن و کم‌هزینه و دردسترس هستند.

تصاویر نوری سه‌بعدی را هوش مصنوعی برای سنجش ترکیب بدن ازجمله چربی و خمیدگی و جرم استخوان اندازه‌گیری می‌کند.

تیم پژوهشی ASTRO3DO روش‌های نوآورانه‌ای را توسعه می‌دهد که تهدیدهای سلامتی و عملکرد انسان را کاهش می‌دهند و روش‌های بهینه‌ای برای نظارت به فضانوردان ارائه می‌کنند و به آن‌ها در اندازه‌گیری و جرم استخوان‌ها و آماده‌سازی برای مأموریت‌های اکتشافی طولانی‌مدت کمک می‌کنند. فضانوردانی که از مأموریت‌های فضایی طولانی‌مدت بازمی‌گردند، دچار مشکلاتی مثل سارکوپنیا (کم ماهیچگی) و سوء‌هاضمه و حتی پوکی استخوان می‌شوند که به شکستگی لگن یا ستون فقرات و قوز منجر می‌شود.

پژوهش یادشده با استفاده از اسکن‌های نوری سه‌بعدی و تنظیم توزیع مایعات بر ریسک سستی عضلات نظارت می‌کند. مدل‌های سه‌بعدی فعلی می‌توانند ترکیب بدن و ستون فقرات را دقیق تخمین بزنند؛ اما تجربه‌ی عادت به فضا را دربر نمی‌گیرند. تیم شفرد برای شبیه‌سازی فضا سخت‌افزار و الگوریتم‌ها و مدل‌های الحاقی ریزگرانش را بررسی می‌کند و نمونه‌ی اولیه‌ی فضایی برای آزمایش ریزگرانش در پروازهای سهموی را می‌سازند. هدف طولانی‌مدت این پژوهش ایجاد دستگاه سازگار با فضا و روشی برای اندازه‌گیری سستی فضانورد و خطر شکستگی استخوان براثر سقوط است. فرضیه‌ی اصلی این است که مدل‌های فعلی ۳DO از ترکیب‌های بدن را می‌توان با سخت‌افزارهای فضایی و مشکلات خوگرفتن با محیط فضا تطبیق داد.

اهداف این بررسی عبارت‌اند از:

 اندازه‌گیری عملکرد بهینه و عملیاتی‌سازی فضایی دوربین‌های نوری سه‌بعدی برای جمع‌آوری نماهای بدن با تعریف وضوح، نرخ فریم‌بندی، دقت ثبت و جزئیات کنتراست با استفاده از مدل‌های اندام‌سنجی؛

بررسی و شناسایی دقت و درستی ترکیب بدنی ۳DO (خمیدگی، چاقی، درصد چاقی، سنجش تراکم استخوان (BMD))، مناطق مشخص (چربی شکمی و چربی زیرپوستی و BMD کمری) و اندام‌سنجی خودکار با استفاده از تغییر حالت، اسکن نمای محدود، تحلیل با حذف حالت و مقایسه با روش‌های معیار (DXA و ۳DO با وضوح زیاد)؛

شناسایی محدودیت‌های دقت ترکیب بدن ۳DO و اندام‌سنجی خودکار به‌دلیل آثار عادت به فضا با استفاده از شرایط مشابه (حالت بدن، طرز قرارگرفتن بدن، جاذبه‌ی معکوس و چکمه‌های معکوس)، شناوری (زیر آب) و ریزگرانش (حرکات آکروباتیک).

ساخت و توصیف عملکرد نمونه‌ی اولیه‌ی سازگار با فضا در شرایط ریزگرانش در پروازهای سهموی.

پژوهش یادشده به توسعه‌ی روش‌های جدیدی برای اندازه‌گیری ترکیب بدنی فضانوردان در فضا منجر می‌شود که درمعرض از‌دست‌دادن استخوان و ماهیچه قرار دارند. همچنین، کاربردهای مستقیمی در بیماران مبتلا به سرطان دارد که به شرایط مشابهی به‌نام سوء‌هاضمه‌ی سرطان مبتلا هستند. اندازه‌گیری ترکیب بدن نیز حوزه‌ی نسبتا جدیدی در پژوهش‌های سرطان است که کاربردهای مستقیمی مثل درک تأثیر چاقی و شکل بدن بر توسعه‌ی نتایج سرطان دارد. نتایج بررسی ASTRO3DO را می‌توان به‌طور مستقیم بر پژوهش‌های سوء‌هاضمه‌ی سرطان اعمال کرد و از یافته‌ها برای درک بهتر و پیشگیری از ضعف عضلانی مرتبط با سرطان و بهبود کیفیت زندگی بیماران سرطان استفاده کرد. دکتر شفرد نیز در مرکز سرطان دانشگاه هاوایی در حال بررسی بیماران مبتلا به سوءهاضمه است.

دانشمندان سراسر جهان با استفاده از پیشرفته‌ترین روش‌ها ازجمله هوش مصنوعی می‌کوشند برای حداقل‌سازی اتلاف ماهیچه در فضا، امکان نظارت بر سلامت و بهبود تغذیه و تنظیم آموزش تناسب‌اندام را به فضانوردان بدهند؛ درنتیجه، روزی می‌توان آسیب‌های بدن انسان ازجمله آسیب‌های سال‌خوردگی را برطرف کرد و عملکرد سیستم ایمنی برای افراد مسن را بهبود داد. این پژوهش به انسان‌ها در سفر ایمن به مریخ کمک می‌کند و در‌عین‌حال، روش‌هایی کاربردی برای افزایش طول عمر انسان‌های روی زمین ارائه می‌دهد.