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.
«Звёздные войны» незабываемая эпопея галактического путешествия, большинство сцен первых трех фильмов сразу вошли в историю мирового кинематографа. Одна из таких - момент, когда Люка Скайуокера оснащают высокотехнологическим протезом руки, потерянной в ходе поединка с Дартом Вейдером. Искусственная рука работает и выглядит, как настоящая к тому же, вероятно, передаёт тактильные ощущения. Практически является совершенным «бионическим», как принято называть сегодня такие вещи, протезом. Однако земным ученым до тех технологий, которые использовались когда-то давно, в далёкой галактике, ещё работать и работать.
Название «бионический» произошло от слова «бионика», т.е. прикладное направление науки, изучающая использование в технических устройствах, а также в системах принципов организации, функций, структур и свойств живой природы. Бионика неразрывна и параллельна множествам наук, например, биология, химия, кибернетика, физика, электроника, связь, навигация, морское дело и др.
Одним из самых важных направлений исследования, связанной с бионикой, являются бионические протезы и импланты. Главная особенность таких протезов заключается в их возможности воспроизводить функции утраченных конечностей и недостающих органов. Ниже приведены примеры относительных успехов из данной области.
Бионические протезы рук
В отличие от искусственных ног создание рук, выполняющих те же функции, что и природные, - чрезвычайно сложная задача. Трудно воспроизвести не только деликатные движения кисти, пальцев, но и способность осязания. На кончиках пальцев у человека расположены осязательные органы, самые чувствительные нервные окончания (недаром в средние века одной из пыток было срывание ногтей). Поэтому нет ничего удивительного в том, что к настоящему времени на сто процентов успешного проекта бионической руки не осуществлено. Однако есть интересные попытки.
Touch Bionics – компания, занимающаяся разработкой активных протезов i-LIMB, это проект в 2007 году стал коммерческим. Производимые компанией протезы являются миоэлектрическими устройствами, что означает «считывающие» биоэлектрические потенциалы, образующиеся в результате сокращения мышц на уцелевшей области конечности. i-Limb разработан таким образом, что на каждое сокращение разных мышц, он реагирует, осуществляя отдельные движения.
Пациент, обладающий данным протезом, может брать и удерживать любые предметы; серия i-LIMB Ultra делает возможным движение пальцев по отдельности; работа протеза основана на управляемом программном обеспечении, куда записан целый ряд стандартных движений и захватов, кроме того можно регулировать силу сжатия, что является просто незаменимым в определенных ситуациях.
Если i-LIMB находится в течение некоторого времени без действия, то протез возвращается в исходное положение. Изначально i-LIMB Pro разрабатывался для ветеранов боевых действий, которые утратили в бою свои конечности. Важно отметить, что эта разработка никак не связана с нервной системой человека. Иными словами, можно научиться им пользоваться, но невозможно научить сам протез выполнять действия, не заложенные программой. Bebionic3 - аналогичная модель i-LIMB является проектом миоэлектрической бионической руки. В число функций входит 14 разных положений и захватов, выполнение разных действия, например, использование компьютерной мыши и нажатие на курок водного пистолета. Не смотря на возможности i-Limb и Bebionic3 и дизайн, протез не может стать полноценной заменой настоящих рук, до этого еще далеко.
Ближе к настоящему предвещает стать проект ученых Технического университета Чалмерса. Сотрудники университета в конце прошлого года сообщили о том, что им удалось создать протез, работающий частично методом миоэлектрики и частично с помощью нервной системы: поступающие из мозга биоэлектрические сигналы перехватываются имплантируемыми электродами, которые затем пересылают полученное во встроенный компьютер. Система декодирует их в команды управления моторами. Обладатель может управлять как всеми пальцами сразу, так и по отдельности.
Разработчики уверяют, что их творение, по уровню интуитивности управления превосходит имеющихся на рынке активных протезов. Естественно, высшим пилотажем будут, искусственные руки, управление которых будет зависеть исключительно от нервных сигналов.
Наряду с учеными из университета Чалмерса американский медицинский журнал Lancet опубликовал материал нейробиолога Эндрю Швартца. Парализованная 53-летняя женщина, в результате тяжелого нейродегенеративного заболевания не может двигать телом, начиная с шеи. В ее мозг вживили крошечные электроды, благодаря которым теперь она может в полной мере управлять искусственной рукой. Теперь речь идёт уже о протезе, который управляется непосредственно мозгом. Как поясняет сам Швартц, разработанная им система «воспроизводит двигательные намерения обладателя».
Финансирование ученый получил от агентства передовых оборонных исследований при DARPA. Уже сегодня можно увидеть публикации нового прототипа бионического протеза, который передает в мозг тактильные сигналы, через специальные сенсоры, расположенные на кончиках искусственных пальцев, ладоней и запястья. В результате человек в буквальном смысле может чувствовать расположение протеза и то, что он сжимает. Это примитивные ощущения, но все же первый шаг к реальным. Кроме того, протез имплантируется с помощью материала, который можно носить не дольше месяца.
Бионические ноги
Не смотря на то, что протез ноги не требует большого функционала, как руки, однако создать бионическое устройство, которое обладатель практически не будет чувствовать сложно. Сделать его по ощущениям как натуральный до сих пор никому не удалось. А ведь здесь также работы ведутся довольно активно. На протяжении нескольких лет изучением разработок бионических протезов нижних конечностей занимается Университет Вандербильта. Их основной упор сосредоточен на создании коленного двигателя и двигателя около ступни. Первым носителем их устройства студент Крейг Хатто 23 лет. Несколько лет назад после нападения акулы он лишился ноги. Исходя из видеоматериалов, он может вполне хорошо ходить и по ровным поверхностям, и по наклонным, а снаружи только небольшая хромота заметна.
Искусственная нога это автономное устройство, которое оснащено достаточно мощным компьютером и не менее мощным программным обеспечением. Протез самостоятельно реагирует на каждое малейшее изменение. Также известно, что Хатто с этой ногой прошел расстояние до 14 км.
Еще одним творением Университета Вандербилта, только на этот раз вместе с Реабилитационным институтом Чикаго, была нога инвалида Зака Воутера, который смог подняться на 103 этажную высотку Виллиса в Чикаго. Данный протез сходится с нервными волокнами ноги, поэтому, грубо говоря, управляется «силой мысли».
Кроме перечисленных есть еще множество других достойных разработок, причём не только протезов. К примеру, «бионическая нога» Tibion, которая практически является экзоскелетом для ног. Она рассчитана на пожилых людей с парализованными конечностями, к примеру, в результате инсульта.
Искусственное сердце
Затрагивая тему бионических протезов, нельзя обойти стороной искусственное сердце. Проекты этого направления ведутся в течение уже более полувека, первые эксперименты проводились в начале 1950 года. А первая успешная имплантация сердца была проведена в 1982 году: результат работы Роберта Ярвикова – устройство Jarvik-7, было встроено двум пациентам. Первый смог прожить после имплантации 112 дней, второй - до 620 дней.
В ходе множества попыток полностью заменить настоящее сердце, разработчикам удалось создать устройства, которые предназначены на временную замену до получения донорского. К числу таких «сердцезаменителей» относятся Phoenix-7, SynCardia, AbioCor. На сегодня управлением по контролю за лекарствами и продуктами (США) одобрено только два устройства искусственного сердца: первая в 2004 году - SynCardia temporary Total Artificial (в результате 10 лет испытаний), вторая в 2006 году – AbioCor Replacement Heart.
К сожалению, первый опыт вживления AbioCor в 2009 году трагично закончилась. Пациент скончался через два месяца. После этого разработчик AbioCor прекратил производство искусственного сердца. Поэтому SynCardia, сейчас является лидером в данной области.
У искусственного сердца наблюдаются две неприятности. Часто организм отказывается принимать имплантируемое устройство и начинает активно его отторгать, также у пациентов, перенесших операцию по протезированию клапанных механизмов органа, наблюдается, как психологи его назвали, кардиопротезный психопатологический синдром. Он заключается в фиксации внимания пациента на работе имплантированного клапана, так как его работа сопровождается характерными звуковыми явлениями. Если представить, что внутри вас действует инородное тело и производит непонятный шум, то чувства этих пациентов сразу станут понятны…
Слуховые аппараты
В ряд бионических протезов также можно отнести и кохлеарные имплантаты, которые представляют собой медицинские устройства, включающие микрофон, звуковой процессор, а также передатчик, устанавливаемые снаружи, как на волосах, так и на коже больного, в состав устройства входит и приёмник, который имплантируется подкожно. Посредством хирургического вмешательства цепочки электродов вводятся внутрь слуховой улитки.
Основное предназначение кохлеарного имплантата состоит в стимуляции расположенного в улитке волокон слухового нерва посредством электрических импульсов. Аппараты выписываются людей с тяжёлым случаем потери слуха сенсоневральной этиологии. Импланты данного типа - это не ноу-хау. Методики стимуляции слухового нерва берут начало в 1950 годах, к началу 1951 относится первая попытка создания слухового устройства, которое предназначалось для использования в клинических условиях.
Первое «бионическое ухо», т.е. мультиэлектродный имплантат, пытались создать в 1978 году. Проект разрабатывался в Университете Мельбурна. В результате эксперимента разработчикам удалось реализовать коммерческий продукт, который ближе к 20 столетию частично вернул слух сотне тысячам больных всех возрастов (среди пациентов были и 6-месячные дети) со всего мира. Слуховой аппарат доступен среднему покупателю, вместе со всем процессом лечения обходился в 45-125 тысяч.
Устройства, впрочем, очень недёшевы: 45-125 тысяч за весь процесс лечения.
Искусственные глаза
Принцип работы Argus II заключается в следующем: специальная антенна, устанавливается на глазное яблоко (или около) и на специальные очки, которые оснащёны камерой и соединены с переносным компьютером. Сигнал поступает с камеры в компьютер, где проходит дальнейшую обработку, после чего переводится на приёмник и преобразуется в команду вживлённым электродам приступить к стимуляции уцелевших клеток сетчатки глаза, а также зрительного нерва.
Устройство содержит 60 электродов, что довольно не много, однако пациенты начинают различать формы предметов и читать буквы больших размеров. Не говоря о способности ориентироваться в пространстве, учитывая, что она сама по себе очень ценна. Сегодня существует множество компаний и научных учреждений, занимающихся разработкой аналогов данной системы, только с большим числом электродов, с помощью которых удастся слепым людям вернуть частично зрение.
Так еще одним имплантом стал Bio-Retina – это сенсор, разрешение которого 24х24 пиксель (в общем 576 пик.), его помещают на не функционирующую сетчатку и подключают напрямую к глазному нерву. Имплант переводит все данные от каждого пикселя в электрические импульсы так, что мозг смог вычленить оттенки серого цвета на получаемых изображениях.
Bio-Retina получает питание через специальные очки, которые проецировать на сенсор инфракрасное излучение. Устройство работает за счет получения трех милливатта энергии, вырабатываемых маленькой солнечной батареей. Этот проект новый и пока нет ни одного человека с имплантируемым Bio-Retina, однако первые пациенты намечаются уже в этом году.
Теперь ясно, что бионическое протезирование является процветающей быстроразвивающейся областью науки, к тому же в какой-то мере коммерциализованной. Не смотря на это, все бионические устройства, и могут имитировать работу «живых» органов, но не в силах заменить настоящие. И вряд это станет возможным в ближайшие десятилетия, так как слишком сложно устроен организм человека и слишком многое остается не разгаданным и непонятным.
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.
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.
Как работает бионическая рука April 23rd, 2017
8 летняя Тилли впервые использует бионическую руку.
Я почему то думал, что до таких функциональных протезов наука на планете Земля еще не дошла. Однако же...
Как же это работает?
вот тут про эти протезы
До недавнего времени протезы прикреплялись к человеческому телу механически и не имели никакой связи с нервной системой. Они могли сгибаться в своих железных шарнирах-суставах, но для выполнения каждого движения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь. Таким образом человек сигнализировал своей ноге, что впереди лужа и ее нужно обойти, а руке — что нужно аккуратно взять яйцо и приготовить яичницу или, наоборот, крепко зажать в руке инструмент. Чтобы научить человека управлять новой конечностью таким образом, требовалось долгое время, да и набор команд был довольно ограниченным, поэтому мелкая моторика оставляла желать лучшего.
Но ученые, вдохновленные воображением писателей-фантастов, смогли сделать невероятное — присоединить механическую руку к человеческой нервной системе.
На перехват
Когда человеку без руки хочется пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который идет по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути «перехватить» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных сформировать команды управления роботизированной рукой? Именно по этому пути идут многочисленные научные группы, стремясь разработать протезы, считывающие нервные сигналы и преобразующие их в движения.
В американских Хьюстонском университете и Университете Райса велись эксперименты со снятием моторных нервных сигналов методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью электродов на коже головы. Сложность в том, что ЭЭГ — это набор большого количества разных сигналов, и задача выделить среди них те, которые управляют движением конечности, сродни поискам иголки в стоге сена.
Исследователи из Технического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) совместно с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того чтобы располагать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал сильно зашумлен, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшивая электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна, и нельзя заранее сказать, где именно следует расположить электроды для максимального соотношения «сигнал-шум».
Самообучение роботов
В настоящее время самым перспективным методом управления бионическими протезами считается считывание электрических потенциалов с мышц культи — электромиография (ЭМГ). Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом — все еще сложная проблема.
В лаборатории прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института пытаются перевернуть эту проблему с головы на ноги, то есть «обучить» протез правильно понимать команды человеческого мозга. Команда GalvaniBionix, состоящая из студентов и аспирантов МФТИ во главе с заведующим лабораторией Тимуром Бергалиевым использует для считывания электрических потенциалов с мышц не одну пару электродов, а множество. Такой подход позволяет добиться значительного повышения уровня полезного сигнала и реализовать алгоритмы «самообучения». Каждая комбинация сигналов, пришедшая с разных электродов, соответствует определенному действию руки, а задача в том, чтобы составить библиотеку соответствий, к которой будет обращаться система при получении нового набора импульсов. «Программное обеспечение учится правильно распознавать команды мозга, подстраиваясь под конкретного человека, — объясняет Бергалиев. — Нам удалось продемонстрировать работоспособность прототипа системы: человек с ампутированной конечностью с помощью «мышечных сигналов» мог перемещать курсор по экрану. В дальнейшем мы планируем использовать алгоритмы машинного обучения для анализа частоты регистрации различных комбинаций сигналов и с помощью этих данных улучшить распознавание».
Тимур Бергалиев, заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института, руководитель проекта GalvaniBionix:
«Для управления протезами мы разрабатываем технологию, которая подстраивается под индивидуальность человека. На культе мы размещаем не одну пару электродов, как это обычно делается, а несколько. Чем больше электродов мы используем, тем б? льшую выборку сигналов для анализа получим. Да, таким образом мы сильно усложняем работу компьютера, поскольку процессору сложнее анализировать множество сигналов. Но зато значительно упрощается жизнь пациента».
Электрические руки
Протезирование начиналось с чисто косметических (пассивных) протезов, предназначенных сугубо для воссоздания естественного внешнего вида утерянных конечностей. Однако достижения технологии позволили разработать управляемые различными методами протезы.
Тяговое управление использует механические тяги для передачи движения протезу.
Электромиографическое управление основано на считывании биоэлектрических потенциалов, возникающих при сокращении мышц на уцелевшей части руки.
Электроэнцефалографическое управление использует считывание электрических потенциалов в мозгу посредством электроэнцефалографии (ЭЭГ). Сигналы с датчиков, размещенных на поверхности кожи головы, декодируются компьютером и преобразуются в команды, управляющие протезом.
Управление с помощью электронных имплантатов — вживленных в кору головного мозга электродов, с помощью которых регистрируется активность корковых нейронов.
Так что будущее уже рядом:
источники