В каком году были использованы протезы. История имплантируемой техники. Протезы конечностей. Протезирование в средние века
За последние несколько лет хирургия и, в частности, протезирование достигли невероятных высот. В Австралии, например, разрабатывают нейрокомпьютерный интерфейс, который позволит парализованным пациентам контролировать роботизированные протезы, а в Великобритании придумали искусственную руку, которая видит предметы перед собой.
Такие разработки, безусловно, облегчают жизнь людям, вынужденным носить искусственные конечности. Но когда же были изобретены первые протезы — 200 лет назад? В эпоху средневековья? На самом деле, намного раньше: история ампутации конечностей и последующего протезирования восходит к античности.
Первые пробы
Войны в Древней Греции не щадили солдат: около 80% раненых погибали в день сражения, а из оставшихся 20% - каждый третий умирал от полученных травм, уже вернувшись домой.
Конечно, замена потерянных конечностей становилась одной из самых важных задач медицины. В Древней Греции начали применять ампутацию еще в конце V — начале IV века до нашей эры. Судя по Гиппократовскому корпусу «О вправлении суставов», это были самые простые ампутации кистей рук, стоп и пальцев. Кроме того, в своем труде Гиппократ предостерегает от удаления всей руки или ноги.
Примерно в это же время начала развиваться ортопедическая хирургия, и у древних греков появились первые протезы, которые стали альтернативой костылям и палкам для опоры. Например, Геродот — древнегреческий «отец истории» — в своем труде рассказывает, как во время греко-персидской войны (499−449 гг. до н.э.) персидский гадатель Гегесистрат, заключенный спартанцами в тюрьму, ампутировал себе часть ноги и смастерил взамен деревянный аналог.
Древние египтяне использовали похожую технологию. Археологам удалось обнаружить в гробницах искусственные пальцы ног из дерева. Как говорят исследователи, признаки износа демонстрируют их жизненную необходимость, а не эстетическую функцию.
Хирургия как область медицины значительно продвинулась в эпоху Эллинизма (323−31 гг. до н.э.). Успехи были в значительной мере достигнуты благодаря практикующим врачам из Александрии, которые глубоко изучали анатомию человека и даже проводили вивисекцию преступников, приговоренных к смертной казни.
Это помогло древнегреческим медикам понять систему кровообращения, в частности — как остановить кровотечение. Они обнаружили, что ампутацию можно проводить медленнее и осторожнее, чем раньше. И это понижало риск смерти пациента на операционном столе.
Детали из железа и бронзы
На юге Италии, в городе Капуя, археологи нашли в гробнице искусственную ногу, датированную концом IV — началом III века до нашей эры. Она имела деревянную сердцевину, покрытую бронзой. Протез крепился на место при помощи кожаного пояса, который, как полагают исследователи, позволял легче двигаться.
Еще один пример — римский генерал Марк Сергий Сил. Он потерял правую руку во время Второй Пунической войны (218−201 гг. до н.э.). Вместо того, чтобы уйти в отставку генерал смог достать железную руку, которую впоследствии использовал, чтобы держать щит, научившись управлять мечом левой рукой.
Протезы, обнаруженные и изученные археологами, показывают, что, скорее всего, они были спроектированы и изготовлены с учетом индивидуальных особенностей и предпочтений человека. Вполне возможно, что их создавали те же ремесленники, которые делали для воинов оружие и доспехи.
Темные пятна истории
В истории протезирования есть еще загадки: в частности, исследователи до сих пор не знают, как искусственные конечности вживлялись солдатам — в медицинских трактатах нет упоминания об этих процедурах.
Кстати, после окончания эпохи и вплоть до XVI века протезы практически никак не модифицировались, пока французский королевский хирург Амбруаз Паре не придумал механическую версию искусственных конечностей, которые могли сгибаться как настоящие.
В целом искусственные конечности не сильно продвинулись с тех пор. Тем не менее этот железный протез, принадлежащий Готцу фон Берлихингену (1480 – 1562), немецкому рыцарю, служащему императору Священной Римской империи Карла V, показывает, как именно в протезах появились петли.
Искусственные конечности вроде этих были дорогими, но позволяли владельцам, потерявшим конечность, продолжать боевую карьеру. Пальцы на шарнирах позволяли поднимать щит, держать бразды или даже стрелу. Эту конечность для фон Берлихингена изготовил оружейный мастер.
Спустя столетия, огромное количество жертв американской гражданской войны привело к тому, что спрос на протезы взлетел до небес. Многие ветераны занялись разработкой собственных протезов в ответ на ограниченные возможности предлагаемых конечностей.
Джеймс Хэнгер, один из первых людей с ампутированными конечностями войны, запатентовал «протез Хэнгера». Самуэль Деккер (на фото) тоже сделал собственную искусственную конечность и стал пионером модульного дизайна протезов.
В конструкции на снимке у Декера есть ложка, прикрепленная к его механическим рукам, указывающая на способность выполнять все повседневные действия с помощью протезов. Сегодня же проекты протезов требуют большего, чем просто замены утерянной конечности, они должны предлагать молодым инвалидам определенный возврат способностей. Но поколение времен Декера впервые в истории могло позволить инвалидам жить полноценной жизнью.
В 1900-х годах пионеры дизайна протезов начали развивать идею специализированных искусственных конечностей. Проекты протезов становились все более специальными и все менее сугубо декоративными.
Накладные кончики на большой палец и мизинец на изображении ниже служили одной определенной цели. Это пример искусственной руки пианистки, которая выступала в Роял Альберт Холл в Лондоне в 1906 году. Растопыренные пальцы позволяли ей брать одну октаву целиком. Несмотря на ее момент славы, имя пианистки сейчас неизвестно. Музей наук, в котором сейчас хранится этот экземпляр, сделал все возможное, чтобы открыть ее личность.
Современные методы
Впервые протезы были запущены в серийное производство в ответ на огромное количество жертв в Первой мировой войне. В США, армейский госпиталь им. Уолтера Рида производил множество искусственных конечностей для возвращающихся ветеранов. Этот пример демонстрирует инструмент для сварки и другие инструменты, интегрированные в протезы для инвалидов, которые возвращались к работе после войны.
И не только к работе, впрочем. В коллекции Национального музея медицины и здоровья США также есть накладка для игры в бейсбол. Армейский госпиталь Уолтера Рида до сих пор остается центром производства протезов в США, спустя сто лет.
После Первой мировой войны технологии продолжали развиваться. Д. В. Дорренс изобрел искусственную руку с захватом незадолго до Первой мировой войны, и после войны она стала популярной среди рабочих, которые смогли вернуться к работе, используя протез для захвата и манипуляций объектами. Это один из немногих проектов, которые остались относительно неизменными за последний век. Дорренс продемонстрировал свою многофункциональность в 1930-х годах, управляя автомобилем с использованием своего протеза.
В Великобритании госпиталь королевы Марии в Рохамптоне стал центром для изготовления протезов во время Второй мировой войны. Открылся он в 1939 году. В первый год 10 987 участников войны обратились в центр и еще 16 251 искусственная конечность были отправлены по почте. На пике войны фабрику расширили. Впрочем, благодаря прогрессу хирургических методов, лечению инфекций и доступности переливания крови после Первой мировой войны, необходимость ампутации значительно снизилась.
Разбираемся в истории создания самого главного спасателя наших улыбок.
Сегодня несъемное протезирование — настоящая палочка-выручалочка для многих из тех, кто страдает отсутствием зубных рядов. Мы решили выяснить, как началась история одной из самых полезных разработок в мире стоматологии.
Привет из Рима
Как свидетельствует история, протезирование началось с Римской империи. По календарю — V век до нашей эры, в местных законодательных документах впервые упоминают про золотую проволоку для шинирования.
Выражаясь обычным языком, это процесс укрепления нестабильных, подвижных зубов. Так история зубных протезов началась в Риме с классических для того времени материалов. Золото, слоновая кость, дерево и даже зубы другого человека. Зачастую изготавливали протезы местные мастера, которые хоть сколько-нибудь понимали в аналогичных процессах установки. Вместо стоматологов тогда выступали… загибайте пальцы: ювелиры (золото же, оно и понятно), кузнецы, даже служители цирюльни и массажисты. Трудно представить, как проходила установка в случае с отдельными специалистами. Но при этом есть данные об их высокой квалификации и врачевальном мастерстве.
Первые зубные протезы
Восток — дело тонкое. И не только он
Дебютировал в той части земного шара по установке протеза Абуль-Касим — арабский хирург. Он декларировал: протезирование зубов — медицина, которая позволяет вылечить или исправить дефект в полости рта человека. Уверены, что на арабском звучало иначе.
При частичной адентии в древности зуб нещадно удаляли — это был единственный альтернативный способ лечения. Сомнительный, но все же. Заменить челюсть — прерогатива исключительно обеспеченных людей, по нашим меркам — весьма сомнительными методиками.
До 18 века зубные протезы ставят в полость рта на специальной проволоке из золота или серебра. Искусственные зубы изготавливаются из костей животных, иногда крупного рогатого скота.
Пример протеза одного из политических деятелей и вовсе устрашает. Джордж Вашингтон, тот самый первый президент Соединенных Штатов Америки, использовал довольно необычную конструкцию. Кость бегемота в качестве основы для протеза, на которой располагалось восемь зубов. Как свидетельствуют источники, они были человеческие.
Президент США и предположительно его вставная челюсть
Нечто посовременнее
Полноценная история зубных протезов начинается с времен Людовика XV и его придворного стоматолога Пьера Фошара. Он делал конструкции для протеза приближенным к королю людям, при дворе. Настоящий фанат своего дела, Пьер Фошар впервые сделал фиксирующие протез зуба утолщенные проволоки с пружинами. Тогда еще не изобрели оттиски, а вот пружины могли помочь в гибкой установке, исходя из индивидуальных особенностей пациентов.
Стоит также вспомнить профессионализм Пьера Фошара в разработке штифтовых зубов — прототипа будущих мостов. Ну и совсем хорошая новость: французский стоматолог впервые стал пытаться подобрать цвет протеза, подходящий к оттенку родных зубов.
Вспомним Россию
Некоторые знают про «Дентистику, или зубное искусство о лечении зубных болезней, с приложением детской гигиены» — первое и единственное пособие о том, как лечить зубы. В начале позапрошлого века лекарь Соболев и Петербургская медико-хирургическая академия, что называется, открыли Америку. Книга состояла из параграфов о правильном процессе установки протезов. Но в ней также отдельно было описание того, как делать искусственные зубы не стоит. До начала 20 века в России как таковое протезирование не являлось самостоятельным направлением в медицине и стоматологии. Конструкции изготавливали вручную, игнорируя особенности строения кости пациентов и их заболевания.
Современная ортопедия
История зубных протезов у современной стоматологии развилась более явно с конца 19 века. Именно тот период ознаменовал активное изучение ортопедических конструкций. Стоматология начинает свое развитие как наука, а история подкрепляет опыты и данные. Восстановление жевательной функции и более щадящее вживление протезов — основная задача стоматологов. Протезирование зубов набирает обороты, развивается среди специалистов каждой из стран. Спустя время переходит в разряд стандартной услуги клиник.
Несъемный протез, наши дни
Несъемное протезирование — инновационное направление стоматологии. Система All-on-4 учитывает все особенности пациента, подходит даже при наличии диабета и других заболеваний. А самое главное — изготавливается и устанавливается несъемный протез всего за 24 часа!
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.
