Автомобильные аварии, природные катаклизмы, экстремальный спорт и многое другое… опасности, последствия которых невозможно предугадать. Даже в условиях современной медицины возникают ситуации, когда врачи могут спасти человека, но не сохранить поврежденный орган. Бывает так, что ущерб настолько велик, что восстановить ногу или руку невозможно. На помощь приходит протезирование.
История протезирования берет свое начало с древних времен, об этом свидетельствуют находки из египетских захоронений. Мореплаватели средних веков часто изображаются с повязками на глазах и костылями. В эпоху великих морских открытий любой уважающий себя пират просто обязан был носить деревянную ногу и стальной крюк вместо руки, потерянной в жестоких боях. На суше дела обстояли не лучше. При любых подозрениях на заражение хирурги ампутировали поврежденный орган. Из-за отсутствия элементарных знаний о гигиене происходило это довольно часто. Это спасало жизнь, но, к сожалению, превращало человека в инвалида.
В попытках хотя бы частично вернуть конечность мастера прошлого придумывали нехитрые приспособления. Искусственные руки и ноги крепились ремнями с металлическими застежками и были крайне неудобными. Средневековые протезы, как правило, были деревянными и несли обычно только лишь эстетические функции. Со временем стали использовать металл, появились изделия, в которых обычный деревянный макет руки мог быть заменен, например, на вилку или нож, что, несомненно, добавляло ему функциональности. Но создать руку, способную хотя бы частично заменить потерянную, смогли лишь в конце двадцатого века. В середине 90-х годов группой исследователей был разработана система, с помощью которой пользователь мог двигать механическим протезом и шевелить пальцами, движение в которых осуществлялось благодаря шаровым шарнирам, снабженным электромоторами.
Что же представляет собой современный протез?
С миниатюризацией компьютерных технологий электронная начинка искусственных рук постоянно росла. Современные образцы в буквальном смысле являются управляемыми компьютером роботами. В последних моделях нейронных протезов используются технологии, дающие возможность не только управлять ими с помощью мысли, но и позволяет осуществлять обратную связь. Датчики в механической руке передают покалывающие сигналы на остатки ампутированной конечности: чем большее давление оказывается на датчик, тем сильнее сигнал. Это позволяет мозгу пациента со временем привыкнуть к ним и воспринимать их как исходящие от собственного органа.
Многие фирмы в настоящее время занимаются изготовлением механических протезов или проводят исследования в этой области. Одной из первых была британская Touch Bionics, которая начала свой путь на рынке с выпуска полностью съемных роботизированных протезов кистей рук и отдельных пальцев. Данная система имеет взаимозаменяемые узлы, программируется через беспроводной интерфейс Bluetooth и питается от аккумуляторов.
В настоящий момент наиболее продвинутой из разработок данной фирмы является бионическая кисть, управляемая с помощью так называемой миоэлектрической системы. Также присутствует возможность дополнительной настройки пользователем. Человек сам устанавливает силу хвата, реакцию на различные предметы, скорость реагирования кисти и другие параметры, а затем передает всю эту информацию беспроводным каналом непосредственно в электронную кисть. Протез управляется с помощью сигналов, возникающих при сокращении мышц сохранного участка руки, которые считывается специальными датчиками. Настройка прибора настолько точна, что пользователь может без особых усилий смять жестяную банку, но при этом сохранить в целости хрупкое яйцо.
Ранние разработки имели возможность только лишь сжимания и разжимания ладони. Продукция BeBionic явилась первой биомеханической рукой, способной к вращению. Новшеством также стало то, что связь с компьютером реализована беспроводным интерфейсом, в котором управление было реализовано с помощью USB.
Внешняя поверхность бионической кисти выполнена из силикона, благодаря чему достигнута максимальная схожесть с натуральной конечностью. На первый взгляд аппарат и вовсе не отличишь от человеческой руки. Для наиболее незаметной интеграции протеза компанией предложено два десятка оттенков исполнения. На сегодня компания предлагает максимально функциональный киберпротез, способный полностью заменить потерянную конечность. Пожалуй, основным недостатком можно выделить очень высокую стоимость данной искусственной кисти.
Есть и другие разработки. Как вам идея управлять протезом непосредственно силой мысли? Фантастика? Вовсе нет.
Для начала группа исследователей Университета Брауна осуществила эксперимент по управлению курсором мыши при помощи разума. Подопытный без каких-либо физических действий перемещал курсор по экрану одними лишь мозговыми импульсами. В более позднем проекте эта же команда представила механическую руку, управляемую двумя имплантированными в моторный отдел коры головного мозга микросхемами. Возникающие в мозге человека микротоки улавливаются и передаются к компьютеру, который осуществляет перевод мыслей в команды для механической руки. Исследования велись на двух полностью парализованных участниках. Одна из исследуемых, Кэти, парализована последние 15 лет. Однако с помощью аппарата ей удалось научиться выполнять некоторые простые задачи.
Американские коллеги из Питсбургского университета Эндрю Шварц и Дженнифер Коллингер развили данную технологию и увеличили количество имплантированных электродов, что позволило пациенту совершать более сложные действия. В основе работы многообещающих проектов британцев и американцев лежит принцип распознавания сигналов мозга компьютером. Компьютер словно учится понимать команды испытуемого. После вживления микросхем пациент представляет, что совершает какие-либо действия с рукой, а компьютер запоминает мозговые сигналы. После чего при повторном считывании подобных сигналов робот уже знает, какое действие необходимо совершить. Чем больше нейронов удается считать, тем более сложные операции способна распознать система. После небольшой практики американский подопытный смог не только двигать рукой в трех измерениях, но и перемещать различные предметы, например, кубики, и даже научился подносить ко рту еду и напитки. Ученые постоянно совершенствуют алгоритмы системы для улучшения скорости и точности и надеются в будущем многократно увеличить количество микросхем. Также они хотят доказать безопасность вживленных имплантатов.
Но как же все-таки добиться полной замены утраченного органа? Ведь настоящей рукой человек не только может совершать разнообразные механические действия.
Он чувствует прикосновения, ощущает тепло и холод. С утратой конечности человек теряет и способность осязать.
Доктор Пол Седерна из Мичиганского университета уверен, что человечество способно решить и эту проблему. Он ставит задачей вывести протезирование на новый уровень, полностью восстановить функции руки биомеханическим протезом. В основе его работы исследования не только над усовершенствованием самих протезов, но и над улучшением их интеграции с человеком. Опыты, проводимые им, в случае успеха позволят людям с ампутированными конечностями, к примеру, писать на бумаге, определять на ощупь температуру объектов, к которым они прикасаются.
Доктор Седерна считает, что необходимо установить четкую связь между мозгом и биомеханическим протезом. Такие протезы он надеется соединять непосредственно с нервными окончаниями, имеющимися на конце культи, ведь несмотря на удаление, нервы продолжают контролироваться мозгом. Мозг продолжает посылать импульсы, которые будут преобразованы в команды для созданных Полем Седерной и его командой протезов. Таким образом в пользование пострадавшему представляется протез, практически не отличающийся по функциональности от нормальной руки.
И хотя клинические испытания с людьми еще в перспективе, опыты над животными показали эффективность этих методов.
И все же основной проблемой в разработках являются механические мышцы и их питание. Современные приводы слишком медленны, излишне громоздки, их двигатели неэффективны в потреблении энергии. Поэтому отдельным и наиболее перспективным направлением считается разработка искусственных мышц. Такие мышцы смогли бы значительно расширить возможности как целых механических скелетов для полностью парализованных людей, так и отдельных человеческих протезов. Необходим материал, способный сокращаться и расширяться по сигналу, как это делают мышечные волокна живых организмов. Такие материалы уже есть, именно над совершенствованием их свойств трудятся ученые по всему миру. Есть и рабочие образцы. На одной из ежегодных научных конференций в Сан-Диего даже провели импровизированные соревнования по армрестлингу между людьми и роботами, оснащенными искусственными мышцами. Победу одержали люди – ни один из существующих прототипов не может пока сравниться с человеческими мускулами. Но специалисты считают, что это дело времени.
Что ж, протезирование как наука продвинулась очень далеко, особенно в последние годы, развиваясь от довольно простых устройств до сложнейших машин, выполненных из новейших износостойких материалов и управляемых множеством датчиков и процессоров. Но есть и другой путь. На смену механическим имплантатам, возможно, в скором времени придут живые. Инженеры-генетики в настоящее время учатся выращивать любой орган для последующей пересадки пациенту из его же собственных клеток. Такому сменному органу не нужны будут ни батарейки, ни сервисное обслуживание. Но это уже другая история.
Игорь Муратов
Источник: reporter-ua.com