Искусственные ноги и «умные» руки: как появилось протезирование и какие технологии есть сейчас?
В разные эпохи в качестве протезов использовали железные детали, деревянные подставки, металлические или каучуковые гильзы. Сейчас научились изготавливать «умные» протезы, которые помогают полностью восстановить двигательные функции человека. Что представляли собой первые протезы, как развивается эта область медицины и какие технологии существуют сейчас? Рассказываем вместе с Русланом Бабинцевым, исполнительным директором компании «Моторика».
***
По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире только один человек из десяти нуждающихся в протезировании получает помощь. В России, по данным на 2021 год, в протезировании нуждаются 50 тысяч человек.
Получить протез бесплатно Принять участие в инвазивных исследованиях по очувствлению протезов и купированию фантомных болей
Как появилось протезирование? Когда были изготовлены первые искусственные конечности?
По данным археологов, протезирование применяли еще в Древнем Египте. Деревянный протез пальца на ноге обнаружили у мумии, возрастом по меньшей мере 3000 лет. Он состоял из двух частей, которые крепились друг к другу кожаной нитью.
Первую найденную археологами искусственную ногу изготовили, по примерным оценкам, не позднее чем в 300 году до н.э.
Хотя кажется, что прорыв в протезировании случился недавно и прежде попыток сделать протезы не декоративными, а функциональными, не предпринималось, известно, что у немецкого рыцаря и участника Крестьянской войны в Германии (1524–1525) Гетца фон Берлихингена был протез руки, который позволял держать предметы. Искусственная рука управлялась с помощью пружин на кожаных ремнях. Протез Берлихингена сохранился и выставляется в музее в Ягстхаузене.
Отцом современного протезирования принято считать французского хирурга Амбруаза Паре, который жил в XVI веке. В 1536 году он сделал несколько навесных протезов ног, которые можно было фиксировать ниже коленного сустава.
В конце XVII века Питер Вердайн придумал ножной протез, который не требовал дополнительной фиксации, – результат его работы впоследствии лег в основу протезирования суставов.
В начале XIX века Джеймс Поттс разработал протез из деревянного стержня со стальным коленным суставом и шарнирной ногой, которая крепилась кетгутовыми нитями (саморассасывающийся хирургический шовный материал) от колена до лодыжки. Этот протез назвали ногой Англси в честь первого человека, удостоенного титула маркиза Англси, – Генри Уильяма Пэджета; он потерял ногу в битве при Ватерлоо и воспользовался изобретением Поттса.
В начале XX века придумали заменить сталь алюминием, и протезы стали легче и удобнее. Правда, это не решало проблему трения, которое они создавали при соприкосновении с кожей, отчего ношение было болезненным.
Первым изменить это попытался изобретатель Исидро Мартинес в 1975 году, когда сделал место крепления искусственной ноги к культе более анатомически правильным. В следующие десятилетия появились протезы, которые полностью восстанавливают функции потерянной конечности и возвращают человека после ампутации к полноценной жизни.
То же самое произошло и с протезам рук, которым прежде уделялось меньше внимания. Долгое время чаще всего это были просто деревянные и стальные декоративные конструкции, либо протезы, к которым крепились те или иные инструменты (ножницы, щипцы) – это было актуально для рабочих. Только в XX веке в США и Японии стали разрабатывать похожие на современные протезы рук.
Какие протезы делают сейчас? Что умеют искусственные руки и ноги?
Сегодня можно изготовить искусственные зубы, глаза, молочные железы и так далее. Например, импланты роговицы требуются людям с роговичной слепотой.
Недавнее исследование шведских ученых показало, что их можно изготавливать из коллагена, который содержится в свиной коже. Кроме того, в США были изобретены импланты сердечных клапанов, который могут расти вместе с сердцем – это актуально для маленьких пациентов, поскольку им с взрослением больше не потребуется проводить операции по замене клапана. Однако чаще при слове «протез» мы думаем все же об искусственных руках и ногах.
Как объясняет Руслан Бабинцев, исполнительный директор компании «Моторика», все протезы конечностей делятся на два типа: косметические и функциональные. Первые играют исключительно декоративную, пассивную роль. Это могут быть, например, протезы рук или ног, которые никак не управляются и ничего не умеют.
Вторые же – сложные конструкции, которые помогают человеку взаимодействовать с окружающей средой. Функциональные протезы рук бывают трех видов:
рабочие (выполняют узкие функции: для рук это, например, молоток, зубило, ключ, ножницы);
активные тяговые (работают с помощью тяги тросов мышцами культи; требуется только сила пользователя);
бионические (жесты работают за счет микродвигателей; движения считываются электромиографическими датчиками, реагирующими на сокращения мышц культи).
Бионические протезы рук, в свою очередь, делятся на еще на два вида:
однохваты (выполняют только один жест – сжать/разжать кисть);
многохваты (помимо базового жеста сжать/разжать кисть, протез умеет выполнять предварительно программируемые движения, жесты, которые меняются с помощью приложения смартфона, например сердечко или козу).
Протезы нижних конечностей также могут либо выполнять чисто опорную функцию, либо быть бионическими, то есть работать за счет микродвигателей и обеспечивать восстановление двигательных функций. Существуют также протезы для спортсменов, которые позволяют полноценно тренироваться, например заниматься бегом.
Какие протезы конечностей самые современные и удобные? Как они работают?
Бионические протезы – самые передовые на рынке. Работает бионический протез так: на культю, например, руки, крепится гильза, которую изготавливает врач-протезист индивидуально для каждого пациента. В гильзе находятся датчики мышечной активности, взаимодействующие непосредственно с искусственной рукой. Управление протезом осуществляется через электроды с помощью биоэлектрических потенциалов мышц. Протез «улавливает» мышечные импульсы и реагирует на них хватом и щупом.
Проблема бионических протезов заключается в том, что они не подходят пациентам с плохо развитыми мышцами в ампутированной конечности. «Поэтому мы часто рекомендуем поносить тяговый протез, чтобы развить мышцу и впоследствии перейти на бионику», – говорит Руслан Бабинцев.
Для изготовления бионических протезов используют металл, поликарбонат, силикон (и его графеновую модификацию для touchscreen экранов); также требуются микроэлектроника, микродвигатели и специальные тросы.
Как протезирование будет развиваться дальше? От каких проблем это избавит людей в будущем?
Протезы станут чувствительными, а их движения – естественными. По словам Руслана Бабинцева, есть как минимум два активно развивающихся направления в протезировании: инвазивные технологии и управление бионическими пальцами с помощью искусственного интеллекта в связке с оптомиографическими датчиками.
Инвазивные технологии (осуществляются на нейромодуляционной платформе «NEMO Sensitive») помогут пациенту начать чувствовать, твердый или мягкий предмет он держит в искусственной руке, а также оценивать его размер. Для этого на кончиках пальцев протеза устанавливают датчики давления, а в культю имплантируют электроды. Датчики принимают сигнал от предметов и по электродам передают его в мозг человека через периферическую нервную систему.
Эксперименты показывают, что люди с завязанными глазами действительно чувствуют предмет в искусственной руке. Как объясняет Руслан Бабинцев, инвазивные технологии эффективны в борьбе с фантомными болями после ампутирования. Кроме того, проводятся исследования по очувствлению протезов ног.
Управление бионическими пальцами с помощью искусственного интеллекта в связке с оптомиографическими датчиками поможет придать движениям протеза естественность.
Руслан Бабинцев рассказывает: «Использование жестов в бионических протезах требует преднастройки и их количество ограничено. Как работает искусственный интеллект? Пользователь делает “фантомное” движение, то есть двигает конечностью так, как будто она без травмы. Искусственный интеллект изучает движение, фиксирует изменения, которые были в этот момент в мышцах, коже, кровотоке, сухожилиях культи, и воспроизводит нужный человеку жест. Управление превращается в естественные движения руки, без дополнительных преднастроек и переключений».
Оптомиографические датчики улавливают настолько мелкие изменения в тканях, что их применение даст людям с плохо развитыми мышцами в ампутированной конечности тоже пользоваться бионическими протезами. А еще больший диапазон считываемых данных повысит плавность и ускорит отклик на жест до 0,02 секунды, даст возможность восстановить мелкую моторику.
К последним новостям протезирования конечностей относится также изобретение учеными Оксфордского университета протеза, который регулируется дыханием пациента. Оно приводит в действие небольшую турбину Теслы, которая управляет движениями протезов пальцев рук.
Больше о тренировках, питании, спортивной медицине и спорте как занятии – в разделе «Здоровье»
Подписывайтесь на телеграм-канал Sports.ru о здоровье
Фото: «Моторика»; wikipedia.org; pexels.com/Polina Tankilevitch, Anna Shvets, MART PRODUCTION, cottonbro studio, Lara Jameson; nyamcenterforhistory.org; collection.sciencemuseumgroup.org.uk
