Когда человек теряет конечность, то самая главная его мечта - снова ощутить руку или ногу. И не просто ощутить, а выполнять конечностью все движения, доступные до травмы или болезни: взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на обе ноги. Вернуть утраченные возможности позволяет бионический протез, или сложное устройство, улавливающее нервные импульсы.
Как появились «умные» протезы?
Прототип «живых» протезов придумали и описали фантасты. Это в их произведениях на смену утраченным в сражениях рукам, ногам, глазам и сердцам приходили механические помощники, работающие лучше живых органов. Самый известный пример - Терминатор Камерона, взявший от человека только внешний облик.
Мало кто знает, что прообраз современных протезов относится еще к 19-му веку, когда в деревянную ногу вставляли металлический шар, чтобы сделать нижнюю часть подвижной. Но в 20-м веке эти примитивные устройства заменил бионический протез, созданный на стыке нескольких наук: медицины, инженерии, бионики и электроники.
Ученые разных стран оспаривают первенство в этом вопросе, но факты таковы, что первый действующий бионический протез руки был представлен на ортопедической выставке в немецком городе Лейпциге в 2010 году. За несколько лет, прошедших с этого события, в мире было разработано огромное количество протезов стоп, ног и даже собачьих лап.
Что такое бионика?
Это целая наука, изучающая живую природу и возможность перенесения принципов работы живых существ в промышленные аналоги. Инженеры подсматривают идеи у природы и воплощают их в своих устройствах и сооружениях. В этом смысле бионические протезы - только капля в море. Так, известные всем застежки-липучки всего лишь копируют способ передвижения семян репейника. Присоски заимствованы у пиявок. При конструировании подводных лодок взяли за образец дождевого червя - у него все «отсеки» автономные. Невероятно выносливый металлический ажур Останкинской и Эйфелевой башен - это многократно увеличенная копия трубчатой кости человека. Переплетения металла, которые всех так восхищают - копия строения костной ткани, сочетающей прочность и гибкость.
Даже многоэтажный дом, в котором одновременно живут такие разные семьи, списан с пчелиных сот. Идея жизни разных людей в «ячейках» под одной крышей с общими коммуникациями копирует уклад жизни пчелиной семьи.
Бионические воплощения есть во многих предметах, окружающих нас: автомобильных шинах, самолетах, камерах наблюдения, водных судах и самых обычных
Как работает простейший бионический протез?
После травмы или в ходе болезни Оставшаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.
Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения - огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных движений, на которые способна живая конечность.
Как проходит от мозга к протезу?
Чтобы понять, как работают бионические протезы, нужно вспомнить нормальную физиологию человека.
Движения, которые мы совершаем многократно в течение дня, называются автоматическими. Подъем, поход в туалет, умывание, чистка зубов, одевание - все это никаких мыслей у нас не вызывает. Тело делает все что нужно как бы само собой. Но на самом деле начало любого движения - мысль. То есть вначале мы думаем: нужно почистить зубы, сварить кофе, одеться. Мозг посылает сигналы тем мышцам, которые в данном движении задействованы. Мышца может сокращаться или расслабляться только по сигналу мозга. Но процесс проходит настолько быстро и слаженно, что мы не успеваем осознать происходящее. В случае с протезом все сложнее: вначале сигнал о движении считывается электродом, расположенным рядом с выведенным на мышцу нервом, а затем отправляется на процессор внутри протеза. Этот процесс тоже достаточно быстрый, но скорость совершения действий все равно уступает живой конечности.
Искусственные человеческие «запчасти»
С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов.
Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела - с ног, например.
Идеи из будущего
Инженеры и ученые в своих фантазиях неудержимы. Так, ученые даже смогли «обойти» поврежденную сетчатку глаза, транслируя изображение окружающего прямиком на зрительный нерв. Человек, ослепший вследствие травмы, при сохранности зрительного нерва может рассчитывать на то, что снова увидит родные лица или прекрасный рассвет.
Уже появились устройства, улучшающие работу мозга. Так, с дрожательным параличом или болезнью Паркинсона можно справиться при помощи вживленного электрода.
Людям, ставшими неподвижными вследствие паралича, вживляют электроды прямо в мозг, чтобы они могли управлять искусственными руками и ногами. Для человека, полностью зависящего от окружающих, возможность самообслуживания - несказанная радость.
Обсуждается вопрос о вживляемых под кожу чипах, способных заменить ключи, банковскую карточку и одновременно.
А что у нас?
Наиболее известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, - это Московский протезно-реабилитационный центр. Здесь собирают протезы из модулей, используется продукция Германии, Исландии и России.
Протез каждого человека имеет индивидуальные особенности. Это и уровень ампутации, и вес, и рост, и род занятий, особенности походки и мелких движений, возраст. Используется много самообучающихся модулей. Приспосабливается не только человек к протезу, но и протез к человеку. Самообучающийся модуль, оснащенный встроенным искусственным интеллектом, запоминает особенности походки и маршрута движения. Модуль «учит» не только ширину шага и нагрузку на конечность, но и запоминает количество и высоту ступеней, выбоин и ямок на пути. Модули копируют действия мозга, подготавливающего шаг или другое движение.
Сколько стоит «живой» протез?
Стоимость бионического протезирования пока высока и может достигать в сложных случаях миллионов рублей. Однако возврат к полноценной жизни трудно оценить в материальном исчислении. По сути, установка бионических протезов - единственная возможность для инвалида вернуться к нормальной жизни: строить и осуществлять планы, содержать семью, добиваться карьерных вершин.
Самое главное - это вернуться в сообщество здоровых, надеющихся на себя людей. Люди с «живыми» протезами продолжают вести привычный образ жизни, танцуют и даже получают спортивные награды. То есть протез становится частью человека настолько, что трудно отличить действия живых мышц от их бионических аналогов.
Протезирование: этапы развития
По сравнению с обычным бионический протез кисти - настоящий прорыв. Совсем недавно человек, потерявший кисть, мог рассчитывать только на две возможности: между локтевой и лучевой костью формировался кожный лоскут, чтобы человек мог захватывать крупные предметы, или к культе присоединялся крюк. И то, и другое было неудобно и малоэстетично. Сегодня даже формирование культи под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней послеоперационного периода с пострадавшим работает протезист, помогая подобрать наилучшее сочетание деталей. Культю формируют и тренируют, а части будущего протеза максимально приспосабливают к оставшимся возможностям. С кожей соприкасается нежная манжета из силикона со встроенными чипами. Потертостей от современных протезов не бывает. Программа для каждого изделия разрабатывается индивидуально, в зависимости от того, чем человек занимается. Задача - максимальное восстановление функции.
Помощь инвалидам
Человек, утративший конечность, в обязательном порядке проходит медико-социальную экспертизу. Одновременно с установлением для каждого разрабатывается программа социальной реабилитации. Реабилитация предполагает использование в первую очередь технических средств, способствующих возвращению человека к труду. Все бионические протезы конечностей входят в обязательный перечень таких технических средств. У человека есть выбор: в рамках программы реабилитации получить готовое изделие или приобрести его самостоятельно с последующим получением денежной компенсации. Размер компенсации рассчитывается по средней стоимости аналогичных протезных изделий.
Над чем трудятся разработчики?
Современные бионические протезы рук отлично выполняют тонкие движения, но человек не получает от них тех ощущений, к которым привык. Так, протезом можно погладить человека по волосам, но нельзя ощутить тепло кожи головы и мягкость волос. Устранением именно этого недостатка занимаются сейчас ученые. Специалисты уже научились сращивать кости с титаном, а датчики движений и чувств соединять непосредственно с живым нервом. Так, бионическая рука полностью заменяет живую, и человек получает которых был лишен много лет. Непосредственное соединение нервов и мышц с техническим приспособлением намного увеличивает скорость движений, приближая ее к природной.
Из каких частей состоит бионическая нога?
Современный бионический протез ноги включает несколько обязательных элементов, таких как:
- силиконовая манжета со встроенными датчиками;
- опора - титановый стержень, формой напоминающий голень;
- шарнирный модуль с микродвижками и процессором;
- блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы.
Последние модели протезов ведущих немецких компаний имеют особое покрытие, очень похожее на кожу. Синтетическая кожа имеет двойное назначение: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам.
Немного фантазии
Сегодня живут на одной с нами планете несколько человек, имеющих 2 и даже 3 бионических протеза одновременно. Изобретена синтетическая кожа, меняющая жесткость. Придуманы экзоскелеты, помогающие ходить парализованным людям. Разрабатываются изделия, управляемые силой мысли. Проводятся эксперименты по выращиванию нервов в микроканалах. Теоретически недалек тот день, когда можно будет вырастить нерв нужной длины. Ученые пытаются стереть грань между живой природой и техническим устройством. Количество движений, совершаемых бионическими протезами, постоянно увеличивается, возрастает и их сложность.
Все это дает большие надежды на то, что человек станет сильнее болезни.
Протезирование конечностей становится рутинной процедурой, возвращающей человека в привычное русло. Возможно, наступит тот день, когда любую часть человеческого тела можно будет заменить искусственной. По крайней мере, очень хочется в это верить.
Начиная со времен Средневековья и до сегодняшнего дня человечество пытается создать такие протезы, которые были бы максимально похожи на утраченную конечность не только по своему внешнему виду, но и по функционалу. Облегчить жизнь больным, которым в прежние времена не давалось никаких шансов на реализацию в социуме и улучшение самочувствия, позволяет современная медицина и наука. Бурное развитие технического прогресса позволяет создавать удивительные вещи, которые делают жизнь больных более свободной, позитивной и насыщенной.
Наука будущего
В настоящее время возникла новая дисциплина, сочетающая в себе технику и биологию. Бионика - наука, занимающаяся исследованиями нервной системы, ее клеточек, а также изучением рецепторов. Цель подобной работы состоит в создании инновационных приборов.
Бионика является прикладной дисциплиной, и на сегодняшний день ее развитие происходит достаточно быстрыми темпами. Ведь человечество всегда стремилось обладать такими способностями, которые не были даны ему от природы. Конечно, живое тело может многое. Однако существуют вещи, которые человеку просто не под силу. Это, к примеру, отсутствие возможности разговаривать с людьми, находящимися вне пределов слышимости, а также способность летать. Но человек всегда стремился компенсировать свое несовершенство. Для этого он использовал самые различные внешние приспособления. Так, например, были изобретены телефон и самолет. Но что касается медицинской сферы, здесь все более сложно. При этом каждому из нас понятно, что доктора, в тех случаях, когда с телом пациента что-либо происходит, проводят его «ремонт», пользуясь самыми последними достижениями в этой области.
Бионика - это наука, которая смогла сложить вместе две эти, на первый взгляд, довольно простые концепции. Кроме того, она позволяет нам немного заглянуть в будущее. Ведь там, вполне возможно, врачи начнут активно улучшать своих пациентов, «меняя» им «непригодные», «износившиеся» органы и системы. Кроме того, велика вероятность, что бионика позволит сделать нас такими, какими не смогла создать природа, то есть более сильными и быстрыми. Именно в этом и заключается суть этой науки.
Необычные приспособления
Одно из основных направлений бионики рассматривает вопросы изготовления современных протезов и имплантов. Подобные технологические устройства размещают там, где ранее была утерянная конечность.
Свое название бионический протез получил от слова «бионика». Для создания своих изделий, помимо техники и биологии, данная дисциплина использует достижения электроники и кибернетики, физики и химии, навигации и т.д.
Установленный человеку бионический протез или имплант начинает взаимодействовать с клетками нервной системы. И, несмотря на то что подобные устройства изготавливаются из искусственных материалов, они позволяют пациенту контролировать свои движения. Это становится возможным благодаря методу мышечной реиннервации. Его основной принцип заключен в том, что нервы, когда-то отвечавшие за уже ампутированную ногу или руку, соединяются с оставшимися на конечности мышечными тканями. Они-то и передают сигналы на протезные электронные датчики.
После того как у человека удалили конечность, в его теле остаются нервы, отвечающие за двигательную активность. Врачи с помощью сложной хирургической операции соединяют их с зонами наиболее крупных мышц. Например, в случае ампутированной руки, с грудной.
Как работают бионические протезы? Когда у человека возникает желание пошевелить пальцами, его мозг направляет сигнал для грудной мышцы. Здесь в работу включаются электроды. Они принимают данный сигнал и передают импульс по проводам к процессору, находящемуся внутри бионической конечности. Это и позволяет протезу совершать задуманное движение.
Интересно, что искусственная конечность способна чувствовать даже тепло, давление и прикосновение. Ведь врачи производят соединение живого чувствительного нерва с участком кожи, расположенным на груди. Подобный метод назвали целевой сенсорной реиннервацией. Сенсоры, расположенные на искусственной конечности, направляют сигнал к участку кожи. Далее этот импульс передается в кору головного мозга, и человек, например, способен ощутить высокую температуру и одернуть руку.
На сегодняшний день можно говорить о том, что бионические протезы конечностей только внедряются в жизнь. И пока еще существует проблема качественного управления подобными устройствами.
Бионические руки
Создание подобного протеза заняло у ученых много времени. Конечно, задача перед исследователями стояла не из легких. Как создать настолько умный протез, чтобы он смог воссоздавать все движения своего хозяина, даже самые деликатные? Ведь кончики пальцев кистей человека природа снабдила самыми чувствительными нервными окончаниями, которые и обеспечивают точность при выполнении различных заданий.
Конечно, на сегодняшний день ученым пока не удалось повторить естественные возможности человеческой руки на все сто процентов. Однако имеется несколько довольно интересных попыток, которые позволили максимально точно приблизить искусственную конечность к естественной.
Какими бывают бионические протезы? История создания этих устройств насчитывает пока еще совсем немного времени. Это и становится основной причиной того, что их использование на данный момент не столь массовое. Первые бионические протезы были разработаны учеными, работающими в чикагском Институте реабилитации. Именно им удалось создать устройство, которое позволило пациенту управлять своей рукой и даже распознавать целый ряд ощущений. Первая бионическая рука была поставлена Клаудии Митчелл. Эта женщина, которая в прошлом служила в американском морском флоте, в 2005 г. попала в аварию. Для того чтобы спасти пациентке жизнь, хирургам пришлось провести ей операцию по ампутации левой руки. Причем по самое плечо. Искусственная рука была присоединена к нервам, которые остались без изменения.
Сегодня такой бионический протез выпускается разными производителями. Рассмотрим некоторые из них.
Протезы i-LIMB
Одной из компаний, выпускающей бионические руки, является Touch Bionics. Изначально она производила свои изделия для ветеранов войны. Такая рука-протез может не только брать, но и удерживать предметы. При этом ее пальцы способны двигаться по отдельности и воспроизводить несколько стандартных записанных движений. Интересно, что такой бионический протез может сжимать предметы с разной силой.
Что лежит в основе работы данного устройства? Это микроэлектрический аппарат, способный считывать биоэлектрический потенциал уцелевшей части руки. Далее следует передача информации на программное устройство. Оно и обеспечивает проведение дальнейшего функционирования бионической конечности. Компьютерная система, которой снабжена искусственная рука, содержит в себе определенный перечень стандартных захватов и движений.
Протезы Bebionic3
Эта бионическая рука аналогична описанной выше. С ее помощью человек способен выполнять четырнадцать различных движений и захватов, воспроизводя различные действия.
Данный миоэлектрический протез в настоящее время находится на стадии доработки, но в скором времени может стать полноценной заменой утраченной руки.
Биорука, созданная в Техническом университете Чалмерса
Ученые из этого учреждения создали уникальный протез. Частично он может работать от миоэлектрики, а частично - благодаря импульсам, передаваемым нервной системой инвалида. В руку человека имплантируются электроды, которые и считывают передаваемые мозгом сигналы. Далее эти импульсы поступают в компьютерное устройство, которое перераспределят их в управляемые моторикой. В результате рука-протез способна воспроизвести движения пальцами как одновременно, так и каждого по отдельности.
На сегодняшний день создателями данной модели проводятся работы по ее усовершенствованию. Они ставят перед собой задачу формирования такого протеза, который бы управлялся исключительно нервными импульсами, передаваемыми головным мозгом.
Устройство Эндрю Швартца
Изготовление протезов, выполненных по разработкам этого нейробиолога, позволило изменить жизнь парализованных людей. Первой пациенткой, которой была проведена операция по установке данной биоруки, была женщина, которая страдала от тяжелейшего нейродегенеративного заболевания. Именно этот недуг привел пациентку к потере двигательных функций во всем теле. В мозг женщины были имплантированы специальные электроды, с помощью которых и осуществлялось управление биорукой.
В прототипе нового протеза верхней конечности тактильные сигналы передаются при помощи сенсоров, встроенных в кончики искусственной ладони, запястья и пальцев. Подобное нововведение позволяет пациенту ощущать не только расположение самого протеза. Он чувствует и сжимаемые биорукой предметы.
Конечно, на сегодняшний день можно сказать о том, что подобные ощущения не могут сравниться с естественными, данными нам природой. К тому же материал, из которого выполнен имплантат, не должен находиться в живом организме более месяца. Но тем не менее можно с уверенностью говорить о том, что первые шаги по созданию «умного» протеза уже сделаны.
Бионические ноги
На первый взгляд создание искусственной нижней конечности нового поколения кажется задачей более легкой по сравнению с той, которая стояла перед учеными при создании «умной» руки.
Однако на сегодняшний день исследователям так и не удалось значительно приблизиться к ее решению. Изготовление протезов, способных заменить нижние конечности, конечно, ведется на протяжении уже нескольких лет. Причем исследователи представили уже целый ряд наиболее удачных моделей.
Испытания бионических ног
Учеными университета Вандербильта проводится усиленная работа по созданию двигателей для колена и ступни. Первый пациент, который испытал на себе возможности этой искусственной конечности, - двадцатитрехлетний парень Крейн Хатто. Свою ногу он потерял в схватке с акулой. Анализируя видеоматериалы о походке молодого человека, можно с уверенностью сделать вывод о том, что Крейн хорошо перемещается по разным поверхностям. Хромает он лишь слегка и самостоятельно может пройти расстояние до 14 км. Такой протез способен реагировать даже на самые незначительные изменения во время движения человека.
Еще одна удачная разработка, которую испытали ученые из Университета Вандербилта, а также исследователи Реабилитационного центра из чикагского института, - искусственная нога, установленная Заку Воутеру. Используя технические возможности данного протеза, этот пациент самостоятельно поднялся на 103 этаж небоскреба.
Принцип действия данной модели заключен в том, что протез управляется сигналами, посылаемыми головным мозгом. При этом устройство соединяют с нервными окончаниями, которые имеются в оставшемся участке конечности.
Бионога Tibion
Кроме вышеперечисленных разработок, существуют и другие, не менее достойные модели искусственных нижних конечностей. Одна из них - бионога Tibion. Конструкцию этого протеза исследователи максимально приблизили к тем параметрам, которые имеет скелет естественной ноги. Подобная разработка предназначается для пожилых пациентов, имеющих обездвиженные нижние конечности, например, после инсульта.
Требования к биопротезам
Для того чтобы искусственные конечности были достаточно эффективны в своей функциональности, они должны отвечать таким требованиям:
Иметь основу из легкого и прочного материала (обычно это титановые сплавы), что особенно важно при протезировании нижних конечностей;
Обладать надежной электроникой, что позволит с точностью передавать импульсы с мышц оставшегося участка;
Иметь автономное питание, которое позволит обеспечить работу микродвижка и процессора в течение длительного времени;
Обладать износоустойчивыми деталями, которые имитируют коленный или локтевой сустав;
Максимально быть приближенными по своему анатомическому сходству с ампутированной конечностью.
Установка искусственных конечностей в России
Где в нашей стране может быть поставлен бионический протез? Россия - страна, где подобные устройства не производятся. Однако тем, кто попал в беду и стал инвалидом, помогут в Реабилитационно-ортопедическом центре, который находится в Москве. В течение последних десяти лет специалисты данного учреждения занимаются вопросами протезирования нижних конечностей. В РОЦ изготавливаются современные модульные протезы с применением высокотехнологичных разработок немецкой компании Otto Bock и исландской фирмы Ossur. К таким искусственным конечностям относят современные биопротезы, которые оснащены микропроцессором.
Они способны обеспечить максимально естественную походку. Эти протезы используют такие модули:
1. Rheo Knee. Это коленный модуль самообучающегося типа. Он настолько «умный», что постоянно и непрерывно адаптируется к пациенту, а также к окружающей его среде. В этом модуле применяются самые передовые технологии в виде датчиков нагрузки, которые снимают измерения с частотой 1000 раз в течение секунды.
2. Proprio Foot. Это первая в мире стопа с искусственным интеллектом. Ее ставят пациентам, пережившим операцию по удалению голени. Модуль производит даже автоматическое сгибание щиколотки. Это означает, что по своей функциональности он близок к здоровой стопе.
3. Symbionic Leg. Это полностью бионическая нога. Для ее работы используется объединенное питание, а также управление от одного микропроцессора стопой и адаптивным суставом колена.
Весьма эффективным для инвалидов является бионический протез ноги. Цена на него в РОЦ вместе с установкой находится в пределах от 1 до 3 млн руб.
Конечно, бионические протезы малодоступны для обычных людей. Однако это легко объясняется их сложным устройством и большими функциональными возможностями. Например, бионический протез ноги, цена на который, конечно же, очень велика, позволяет не только нормально ходить, подниматься и спускаться по лестнице, но и заниматься спортом, не отказывая себе в ведении активной жизни.
Какие еще органы можно заменить электроникой?
Под бионическими протезами понимают и кохлеарные имплантаты, которые вживляются в органы слуха. Это особые устройства, представляющие собой систему, в которой находится микрофон, звуковой процессор, а также передатчик звукового сигнала. Последняя из этих деталей фиксируется либо на кожу, либо под волосами. Приемник, являющийся неотъемлемым элементом данного протеза, имплантируется в подкожные ткани пациента, а электроды вводятся внутрь слуховой улитки.
С 1950 года ученые проводят эксперименты, целью которых является создание искусственного сердца. Первая операция по имплантации такого протеза была проведена в 1982 г.
Самым удивительным изобретением по праву считается искусственный глаз. Это сложное устройство, способное частично заменить орган зрения. Оно начинает работать после установки антенны в районе глазного яблока. Изображение попадает на особые очки, которые снабжены камерой и соединены с компьютером, обрабатывающим картинку.
Потеря любой конечности или любого органа для человека - это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.
В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.
Стальные руки рыцарей
Этот протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Это устройство - один из трёх протезов шевалье Götz von Berlichingen . Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.
В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза . Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.
Бионические протезы в России
На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей - благодаря этой компании дети получают за счёт государства. В этом видео - испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.Протез Stradivary - миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.
Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и тяговые механические протезы детям - такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.
По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.
Первое - это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.
Второе - вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.
Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10-12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.
Человечество со времен средневековья и по сегодняшний день стремится создать протезы, наиболее похожие на утраченную конечность как внешне, так и функционально. Будущее - за бионическими протезами, которые механически наиболее приближены к функционалу тела здорового человека, однако проблема качественного управления такими устройствами на сегодняшний день до сих пор не имеет готового решения.
За последние 5 лет появилось много компаний, занимающихся разработкой бионических протезов. В основном фокус делается на дешёвые бионические устройства из пластиковых деталей, выполненных в том числе при помощи технологий 3D печати. Есть уже готовые продукты, например, от OpenBionics, которые сейчас находятся на стадии одобрения в FDA . Механическая часть у таких игроков на рынке, как OttoBock или iLimb , тоже развивается, но это развитие направлено не на удешевление протезов, а скорее на механику движений (плавность, естественность, точность). При подобном подходе функциональная часть протеза развивается, но управляемость остается прежней.
От Крюка до бионики
История протезов начинается еще в давние времена - наиболее древним считается протез глаза , который относят к III тысячелетию до н. э. В средние века стали появляться хорошо известные «пиратские» деревянные опоры вместо утраченных ног или крюки вместо кисти. Такие протезы выполняли ограниченный ряд функций, в которых нуждался конкретный человек, исходя из его рода деятельности. Подобный подход можно встретить в протезировании и сегодня.
Когда речь идет о реабилитации после ампутации руки, наиболее простым решением является косметический протез. Помимо эстетического назначения, такие протезы не выполняют практически никаких функций и не имеют преимуществ по сравнению со средневековыми протезами-крюками.
Другое решение - это тяговые протезы. Их кисти уже могут сжиматься и разжиматься за счет, например, движений лучезапястного или локтевого сустава оставшейся части руки. Эти движения руководят механическим натяжением нитей, приводящих «пальцы» в действие. Такая кисть «умеет» только сжимать кулак и разжимать его. Она отличается быстродействием и неплохой надежностью. Тяговые протезы разрабатываются отечественными инновационными компаниями, также их можно сделать самостоятельно по инструкции (что практикуется и в странах третьего мира).
Третий класс - механические протезы, управляемые мышечной активностью. Такие устройства, как правило, выполнены из металла, имеют большую прочность, но обладают только двумя степенями свободы - сжатие и разжатие . Управлять механическим протезом не очень удобно: для того, чтобы разжать кулак, нужно напрячь внешнюю сторону предплечья, а для того, чтобы сжать - наоборот, напрячь внутреннюю сторону предплечья. Это так называемый триггерный способ управления: либо мышечная активность есть - тогда движение активируется, либо мышечной активности нет. К сожалению, такая система управления может приводить к ложным срабатываниям. Механические протезы обладают «внешностью» косметических и функциональностью тяговых, питаются от аккумулятора, который размещается на протезе. Металлический каркас и мотор, приводящий в движение кисть, позволяют называть конструкцию надежной: например, если требуется держать какой-то предмет, механическая рука сможет сжать его сильно и надолго, и это практически не потребует усилий со стороны человека. Неудобное управление и ограниченная функциональность - основные недостатки механических протезов.
Последний, четвертый класс - бионические протезы, в которых каждый палец управляется отдельным мотором - это дает большее преимущество в плане манипуляций с предметами. Система управления бионической кистью такая же, как и у механической, на основе сжатия и разжатия - поэтому этими протезами сложно пользоваться. Для облегчения использования добавляют какие-либо внешние переключатели - рычажки на протезе или приложения на смартфоне.
Дороговизна и малофункциональность
«Бионичность» подразумевает помимо восполнения механических функций потерянной руки, естественность её использования. Разработчики сфокусированы на оптимизации строения протезов - нужны максимально прочные, эргономичные, функциональные с точки зрения механики решения. Тем не менее, задача обеспечения максимальной функциональностью управления, не имеет готового решения на рынке. А неудобные и ограниченно функционирующие протезы стоят от $30 000 до $70 000 .
Все сегодняшние R&D проекты сфокусированы на двух направлениях: удешевление самого протеза и улучшение системы управления . Если для первой проблемы существуют более-менее подходящие решения, то в области разработки систем управления все только начинается.
В идеале человек, пользующийся протезом, не должен замечать системы управления. То есть интерфейс между человеком и протезом использует естественные механизмы управления, которым человек обучался ещё в детстве. Таким образом, остро стоит вопрос, какой интерфейс взаимодействия между человеком и протезом стоит использовать и как подстроить это взаимодействие под индивидуальные особенности каждого?
Совершенное взаимодействие с человеком
Для удешевления производства используются технологии 3D печати. Стоимость таких протезов невысока за счет использования пластиковых деталей, а компаний, которые занимаются 3D печатью протезов, достаточно много по всему миру, в том числе и в России. Зарубежные компании создают модели бионических протезов и выкладывают их в открытый доступ, способствуя развитию и доступности протезирования. Другие компании-разработчики оптимизируют и дорабатывают дизайн и механику свободно доступных 3D моделей.
А вот решить задачу по улучшению взаимодействия человека с протезом намного сложнее. Наиболее «естественный» подход - это полноценная трансплантация руки . Мышцы и нервы при этом работают точь-в-точь как в здоровой руке, но процедура весьма дорогостоящая, требующая донорский материал, дополнительную терапию и риски отторжения. Безусловно, за таким методом, в том или ином виде будущее, которое наступит только после революций в смежных областях - лет через 100. Пока актуально создание устройств реабилитации, в достаточной мере восполняющих функции утраченной кисти и позволяющих управлять собой естественным образом.
Можно выделить четыре основных типа взаимодействия человека с протезом:
Первый , наиболее радикальный - разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга. Такой интерфейс обладает теми же недостатками, что и трансплантированная рука. Особенно уместны импланты в мозг в случае, когда по каким-либо причинам нарушена связь головного мозга и руки. В остальных случаях стоит дополнительно оценивать пользу/риск от использования такого интерфейса.
Второй способ управления - использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам. Метод считается перспективным, но имеет ряд технических сложностей, которые мешают появлению в продаже интерфейса на его основе. Во-первых, из-за особенностей регистрации карты мозговой активности систему нужно «обучать» заново при перемещении электродов. А во-вторых, сам сигнал очень неустойчив к различного рода электрическим наводкам и помехам.
Третий: имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части руки. Такой способ имеет все те же проблемы , что трансплантация и мозговые импланты, к тому же требует длительной и индивидуальной работы врачей.
И последний тип интерфейса - электромиография (ЭМГ). Простейшая его реализация - триггерная - используется в механических протезах, руководя сжатием или разжатием кисти. В бионические протезы внедрена точно такая же система управления. Но, как уже было сказано, ЭМГ в них используется только для двух степеней свободы - сгибание и разгибание пальцев. Также к ним может быть добавлена и третья степень свободы - одновременное напряжение обеих мышц, на которых измеряется ЭМГ активность.
Электромиография - это метод анализа мышечной активности, основанный на измерении разности потенциалов в двух точках, между которыми под кожей по мембранам мышечных волокон распространяется потенциал действия (именно этот потенциал представляет собой распространение волны мышечной активности от зоны, куда поступает потенциал действия моторного нейрона, заставляющей «работать» наши мышцы). Такой способ позволяет записывать сигнал мышечной активности с минимальным уровнем шума. Большая часть движения пальцев и кисти тесно связана с мышцами предплечья. Это легко проверить, положив одну руку на предплечье (чуть ниже локтя) и пошевелив пальцами другой руки - можно почувствовать, как при этом сокращаются различные мышцы предплечья. Использование системы управления, индивидуально настроенной на паттерны движений кисти конкретного человека, приближает нас к созданию естественного интерфейса между человеком и протезом. С одной стороны, он не инвазивен и обладает большой функциональностью, с другой – быстро настраивается и устойчив к внешним воздействиям. Проблемой может стать атрофия оставшихся мышц, однако метод позволяет извлечь максимум сохранившихся естественных паттернов мышечной активности.
Текущий статус разработок в мире
Системы управления протезом также развивается, но компаний, сфокусированных на этой задаче значительно меньше. В основном, разработчики используют уже готовые электромиографические усилители и, получив сигнал, примитивно его обрабатывают. (так или иначе всё сводится к «триггерной» системе, вопрос только в количестве порогов и в количестве каналов записи ЭМГ). В некоторых случаях, прибегают к кластерному анализу, но такое в основном встречается в научных статьях, где также утверждается, что такие методы не приспособлены для использования в реальной жизни за счет изменчивости мышечной активности. В триггерных системах используются смартфоны или иные устройства, переключающих режимы схватов, по аналогии с существующими протезами. Тем не менее, в сочетании с дешевизной 3D печати и схожей системой управления «дорогих» протезов, данные компании займут свою долю на рынке. Существует и другой подход к решению задачи управляемости - более детальная обработка ЭМГ сигнала и выделение паттернов конкретных движений, чтобы впоследствии воспроизводить их на протезе после обучения с помощью machine learning. То есть нужно обучить систему управления каждому индивидуальному движению для конкретного пациента, которое будет воспроизводиться при повторном напряжении мышц, соответствующих конкретному движению. Данное обучение системы управления может происходить в течение 1-2 минут, при этом точность распознавания движений будет зависеть от качества алгоритмов обработки ЭМГ и алгоритмов machine learning и будет составлять не менее 99% в зависимости от многообразия распознаваемых движений. Такая система управления может быть встроена практически в любой бионический протез, что выделит его на рынке среди конкурентов. Компаний, ведущих разработку в этой области, во всем мире не так уж и много. В нашей стране этим тоже занимается ряд компаний (компания «Мионикс», которую представляет автор, - одна из них - Forbes)
Также ведутся разработки систем обратной связи - от вибрационной тактильной обратной связи до искусственной кожи, интегрированной с нервной системой человека. Это отдельный пласт разработок, который безусловно необходим для тонких манипуляций со сложными объектами, например, хрупкими или мягкими. Без обратной связи протез, как реабилитационное устройство, не будет полноценной заменой утраченной конечности. Примечателен факт, что, как правило, разработка обратной связи не пересекается с разработкой улучшенной механики протеза и тем более системой управления бионическими протезами.
Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития - создание готового удобного в управлении протеза, который можно купить, надеть и пользоваться без сложного процесса обучения. К сожалению, в настоящий момент такой продукт не создан, а спрос на него каждый год растёт. Мы верим, что в ближайшем будущем сможем увидеть дешевый протез с удобной, простой и персонализированной системой управления и обратной связью. Такие системы управления также дадут толчок к развитию экзоскелетов, управляемых небольшими мышечными усилиями.
Потеря любой конечности или любого органа для человека - это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.
В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.
Стальные руки рыцарей
Этот протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Это устройство - один из трёх протезов шевалье
Götz von Berlichingen
Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.
представлен в Музее науки в Лондоне.
Так выглядели протезы XIX и XX века. Представлены в Музее науки.
На этой фотографии немецкий солдат работает в мастерской, используя протез левой руки. Фотография
в Национальном музее Первой Мировой Войны в Канзасе.
Это швейцарский протез. В лучших традициях - с разными сменными насадками.
Этот протез
представлен
в Музее науки в Лондоне. Он сделан для 17-летнего парня в 1959 году.
Источник: sciencemuseum.org.uk
Одними из первых получателей протезов были военнослужащие. В этом случае производитель протезов из Бруклина на рекламном плакате сообщил, что горд работой с вооружёнными силами США.
Как можно заметить, протезы этого типа за несколько десятков лет не особенно изменились.
Современные бионические протезы
Давайте разберёмся сперва, что такое «бионические протезы». Бионика - это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Живая природа помогает учёным находить решения для технических устройств. Различают биологическую бионику, которая изучает процессы в биологических системах, теоретическую, которая строит математические модели этих процессов и техническую. Нам сейчас важна техническая бионика: она применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач, как и в случае с протезами.
Ранее специалисты подразумевали под «бионическими» протезами такие устройства, которые похожи на часть тела, которую они замещают. С точки зрения современных понятий эти протезы - те, которые управляются электроникой и биотоками, то есть используют миографию или энцефалограмму.
Британская компания RSLSteeper, имеющая на данный момент около 90 лет опыта в протезировании, вывела бионический протез кисти руки BeBionic на международный рынок в 2010 году. На тот момент искусственная рука для взрослого имела только четыре функциональных захвата, но уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, использовать банкомат и держать маленькие предметы. Пользователь с помощью устройства может разбивать яйца и держать в руке одноразовый стаканчик - потому что даже сила нажатия регулируется командами, снимаемыми датчиками с мышц.
Отсутствие массового спроса и низкая конкуренция - основная причина, по которой бионические протезы очень дорого стоят. В 2013 году протез ладони стоил до ста тысяч долларов.
Как удешевить протез? Нужно сделать дешевле его производство. В 2013 году успешно завершилась краудфандинговая кампания на IndieGoGo по созданию открытого и доступного протеза ладони, большую часть деталей для которого можно распечатать на 3D-принтере. Устройство имеет независимые приводы для каждого пальца, тактильную обратную связь и считывает сигналы через кожу для управления. В ладони устройства находятся электроприводы и управляющая плата на Arduino.
Макет детской версии Dextrus, стилизованной под руку Железного Человека.
В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза подключили к нервной системе человека. Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.
Бионические протезы в России
На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей - благодаря этой компании дети получают
тяговые протезы
за счёт государства. В этом видео - испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.
Протез Stradivary - миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.
Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и
тяговые механические протезы детям - такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.
По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.
Первое - это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.
Второе - вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.
Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10–12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.