Людина чи робот: історія створення роботизованих медичних протезів

В іноземних ЗМІ тема війни в Україні не сходить з перших шпальт. У The Wall Street Journal наводять орієнтовні цифри українців постраждалих внаслідок бойових дій. За даними ресурсу від 20 до 50 тисяч осіб втратили одну або кілька кінцівок і ця цифра може лише збільшуватися. Журналісти звертають увагу, що такої кількості постраждалих не було в останніх збройних конфліктах на Заході та порівнюють це з масштабами Першої світової.

Питання протезування та ортезування стали для українського суспільства актуальними та, на жаль, з кожним днем військові та цивільні продовжують отримувати поранення, які потребують ампутації. Який рівень протезування в Україні та які сучасні рішення пропонує наука, розповідаємо у цьому матеріалі.

Історія та види протезів

До роботи над цією темою моїм хибним уявленням було те, що протезування повністю стосується медицини. Однак над створенням протезів працюють багато спеціалістів, у тому числі й технічні, а тому у процес залучені не тільки лікарі чи реабілітологи, а й науковці, інженери, конструктори, фахівці з біомеханіки. Біомеханіка — це наука, яка вивчає статику й рух людини, завдяки їй групи спеціалістів працюють над протезами, які замінюють відсутні сегменти кінцівок або частини тіла.

Протези людству відомі давно, але такими, якими ми їх уявляємо вони стали у минулому столітті. Світові війни та серйозні травми, які вони приносили людству, були рушіями розвитку сфери протезування. Ще у 50-х роках радянські вчені займались розробкою протезів верхніх кінцівок із біоелектричним управлінням, а Харківський інститут був одним з трьох закладів, який спеціалізувався на протезуванні в той період.

Перші колінні протези на мікропроцесорному управлінні розробили у Великій Британії на початку 1990-х років. Ця розробка дозволила отримати більш природну ходу та адаптивність до зміни швидкості руху. Сучасні протези вдосконалюються не тільки більш міцними, доступними та легшими матеріалами (вуглецеве волокно, силікон, полімери), а й завдяки досягненням медицини та технологій. Існують штучні кінцівки, які імітують вигляд шкіри, а деякі обладнуються датчиками, які використовують сигнали від залишкових м’язів і перетворюють їх на рухи протеза. Це дозволяє користувачам контролювати кінцівку за допомогою власних м’язових скорочень і самостійно тримати деякі предмети, ходити та виконувати побутові справи, які раніше були недоступними для людей з ампутаціями.

Протези класифікують за різними параметрами, наприклад за рівнем ампутації (вище або нижче коліна для протезів нижніх кінцівок). Пересічній людині простіше розділити протези за типом керування: механічний (без електроніки) і біонічний/міоелектричний (з датчиками для зчитування сигналів від м’язів). Другий тип вважається найсучаснішим, також зустрічається під назвою роботизований протез. Такий тип використовує цільову (TMR) або сенсорну реіннервацію м’язів (TSR). Ці техніки побудовані на хірургічній зміні маршруту імпульсу від нервів до непошкоджених м’язів (наприклад на грудній ділянці). Спеціальні датчики контролюють скорочення м’яза і створюють рух відповідної частини роботизованого протеза.

Деякі науковці працюють над створенням протезів, які повинні сприймати сигнал від людського мозку та переводити їх в рух у протезі. Простіше кажучи, щоб користувач керував кінцівкою за допомогою думки. У DARPA (Агентство передових оборонних дослідницьких проєктів США) спеціалісти продовжують роботу над удосконаленням технологій, яка дозволить прив’язати штучну кінцівку безпосередньо до нервової системи — умовно, щоб протез «злився» з тілом, зробивши з людини кіборга.

Окремо варто виділити протези спортивного призначення. Сучасні центри дозволяють враховувати тип спорту та навантаження, щоб створити протези нижніх кінцівок для бігу, стрибків, їзди на велосипеді, футболу, лижного спорту та інших видів спорту. У людства вже навіть є випадок, коли наявність протеза вважалась перевагою у спортсмена — південноафриканський спринтер Оскар Пісторіус у 2012 році став першим спортсменом-інвалідом, який змагався на олімпійських іграх у Лондоні. Наявність спеціальних протезів вважалась деякими критиками фактором переваги над іншими спринтерами.

Для того, щоб створити протези для різних видів спорту спеціалісти використовують понад 350 моделей гомілковостопного суглоба та понад 200 колінних модулів. А сам модульний підхід протезування, який дозволяє індивідуально підходити до потреб кожного користувача розробили у 60-х фахівці найбільшої компанії світу у цій галузі OttoBock (Німеччина). Також виробництвом і розробкою протезів займаються PSYONIC (США), Hy5 Bionics (Норвегія), Unlimited Tomorrow (США) та інші підприємства.

Досвід України

В Україні також існує велика кількість організацій, які займаються протезуванням: Superhumans Center, Ортотех-Сервіс, Esper Bionics (R&D офіс в Києві), PARASHAR INDUSTRIES, Всеукраїнський центр реабілітації та протезування «Здоров’я» та інші. Деякі з центрів займаються як обслуговуванням, так і збіркою протезно-ортопедичних виробів або навіть виробництвом власних розробок. Таким прикладом є український стартап Esper Bionics, де самостійно виготовляють роботизований протез Esper Hand.

Ця біонічна рука вагою 380 г оснащена 6-ма двигунами та пальцями, якими можна керувати сенсорним екраном гаджетів. Керування біонічною рукою, за словами виробника, імітує природний рух завдяки власній розробці — системі Esper Control. Вона реалізована завдяки 24 датчикам, які виявляють і обробляють рух 20 м’язів передпліччя, щоб активувати рух протеза.

Ще одна українська компанія Allbionics, яка працює з 2022 року працює над виробництвом біонічних протезів за допомогою 3D-сканування. Їх вироби створюються індивідуально під користувача, починаючи від кріплення до готового виробу. Завдяки тому, що компанія має реабілітаційні центри на території України, пацієнти можуть звертатися як за виготовленням, так і за ремонтом і обслуговуванням протезів.

На платформі Brave Inventors представлений проєкт роботизованого біонічного протеза від компанії Versibionics. Команда розробників вже має готовий винахід і шукає ресурси від інвесторів для налагодження виробництва. Українські інженери наголошують на тому, що їх розробка у 5-7 разів дешевша у порівнянні із західними аналогами та має низку переваг.

По-перше, український протез має модульну конструкцію та двигуни у кожному пальці, що дозволяє здійснювати ними рухи окремо. По-друге, біонічна рука від Versi має рухоме зап’ястя з усіма степенями свободи по осі XYZ (на 180 градусів по одній і 60 по іншій в автоматичному режимі). Окрім цього протез підтримує вібровідгук і датчики, які допоможуть розпізнавати температуру поверхонь. Українську розробку можна буде застосовувати для різних вікових груп, у тому числі для дітей.

Окрім технологічних компаній в Україні діє велика кількість фондів, які допомагають з протезуванням закордоном: Protezfoundation, Unbroken, Благодійний фонд «‎Громадянин»‎, а також єдиний банк даних Фонду соціального захисту осіб з інвалідністю, де зберігається інформація про всіх запротезованих осіб у різних закладах, фондах, організаціях, що допомагає компенсувати витрати державними коштами.

Майбутнє галузі

На прикладі компаній-стартапів стає зрозуміло, що майбутнє протезів повністю залежить від технологій. Вагоме місце займе технологія 3D-друку, яка вже широко використовується у протезуванні. Вона дозволяє швидко замінювати деякі деталі у модульних протезах та знижує вартість виробів, роблячи біонічне протезування доступнішим для більшої кількості людей.

А от ширшого застосування набуде підтримка штучного інтелекту, який дозволить протезу «навчатися», адаптуючись до звичок і вподобань користувача. Аналіз різних дій — від ходи до хвату користувача, дозволить не просто імітувати, а забезпечувати плавні та природні рухи.

Окрім цього системи ШІ здатні продовжити термін служби протеза та рівень його комфорту для користувача. У цьому впевнені науковці у Південній Кореї, які працюють над гільзою для протеза з еластомерною підкладкою. Штучний інтелект буде змінювати форму підкладки, яка повинна точно охоплювати кінцівку, на яку одягається протез. Таким чином, зміни в кінцівці будуть нівельовані не повною заміною протеза, а зміною підкладки, а тому обслуговування виробу буде дешевшим, а використання комфортнішим.

Також нейромережеві інтерфейси дозволять зробити контролери протеза більш точними, надаючи можливість керувати штучною кінцівкою «силою думки». Наприклад у Швейцарії нейроінженери з ETH Zürich працюють над протезом з повною імітацією нервової діяльності. Комп’ютерна система імітує сенсорний зворотний зв’язок, щоб нерви реагували на різні подразники (тиск, дотик тощо). Команда науковців намагається повернути користувачам відчуття руху коліна та зворотний зв’язок від підошви стопи на землі, що впливає не лише здатність швидше ходити чи навчитися користуватися протезом, а й полегшити фантомні болі пацієнтів.

Brave Inventors - національна платформа винахідників та винаходів воєнного часу. Тут можна розмістити свої військові винаходи, розповісти про розробки та прототипи, знайти необхідне фінансування чи ментора, а також отримати більше можливостей для співпраці з виробниками, підприємствами та бізнесами. Підтримати винаходи можна за посиланням.