Человек или робот: история создания роботизированных медицинских протезов

В иностранных СМИ тема войны в Украине не сходит с первых столбцов. В The Wall Street Journal приводят ориентировочные цифры украинцев пострадавших в результате боевых действий. По данным ресурса от 20 до 50 тысяч человек потеряли одну или несколько конечностей, и эта цифра может только увеличиваться. Журналисты обращают внимание, что такого количества пострадавших не было в последних вооруженных конфликтах на Западе и сравнивают это с масштабами Первой мировой войны.

Вопросы протезирования и ортезирования стали для украинского общества актуальными и, к сожалению, с каждым днем военные и гражданские продолжают получать ранения, требующие ампутаций. Какой уровень протезирования в Украине и какие современные решения предлагает наука, рассказываем в этом материале.

История и виды протезов

Для работы над этой темой моим ложным представлением была мысль, что протезирование полностью касается медицины. Однако над созданием протезов работают многие специалисты, в том числе и технические, поэтому в процесс вовлечены не только врачи или реабилитологи, но и ученые, инженеры, конструкторы, специалисты по биомеханике. Биомеханика — наука, изучающая статику и движение человека, благодаря ей группы специалистов работают над протезами, заменяющими недостающие сегменты конечностей или части тела.

Протезы человечеству известны давно, но такими, какими мы их представляем, они стали в прошлом веке. Мировые войны и серьезные травмы, которые они приносили человечеству, были двигателями развития сферы протезирования. Еще в 50-х годах советские ученые занимались разработкой протезов верхних конечностей с биоэлектрическим управлением, а Харьковский институт был одним из трех заведений, специализировавшихся на протезировании в тот период.

Первые коленные протезы на микропроцессорном управлении были разработаны в Великобритании в начале 1990-х годов. Эта разработка позволила получить более естественную походку и адаптивность к изменению скорости движения. Современные протезы усовершенствуются не только более прочными, доступными и более легкими материалами (углеродное волокно, силикон, полимеры), но и благодаря достижениям медицины и технологий.

Есть искусственные конечности, которые имитируют вид кожи, а некие оборудуются датчиками, использующими сигналы от остаточных мышц и превращающие их в движения протеза. Это позволяет контролировать конечность с помощью собственных мышечных сокращений и самостоятельно держать некоторые предметы, ходить и выполнять бытовые дела, ранее недоступные для людей с ампутациями.

Протезы классифицируют по разным параметрам, например по уровню ампутации (выше или ниже колена для протезов нижних конечностей). Обычному человеку проще разделить протезы по типу управления: механический (без электроники) и бионический/миоэлектрический (с датчиками для считывания сигналов от мышц). Второй тип считается самым современным, также встречающимся под названием роботизированный протез. Такой тип использует целевую (TMR) или сенсорную реиннервацию мышц (TSR). Эти техники построены на хирургическом изменении маршрута импульса от нервов к неповрежденным мышцам (например, на грудном участке). Специальные датчики контролируют сокращение мышцы и создают движение соответствующей части роботизированного протеза.

Некоторые ученые работают над созданием протезов, которые должны принимать сигнал от человеческого мозга и переводить их в движение в протезе. Проще говоря, чтобы пользователь управлял конечностью с помощью мысли. В DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов США) специалисты продолжают работу над усовершенствованием технологий, которая позволит привязать искусственную конечность непосредственно к нервной системе — условно, чтобы протез «слился» с телом, сделав из человека киборга.

Отдельно следует выделить протезы спортивного назначения. Современные центры позволяют учитывать тип спорта и нагрузки, чтобы создать протезы нижних конечностей для бега, прыжков, езды на велосипеде, футбола, лыжного спорта и других видов спорта. У человечества даже есть случай, когда наличие протеза считалось преимуществом у спортсмена — южноафриканский спринтер Оскар Писториус в 2012 году стал первым спортсменом-инвалидом, соревновавшимся на олимпийских играх в Лондоне. Наличие специальных протезов считалось некоторыми критиками фактором превосходства над другими спринтерами.

Для того чтобы создать протезы для различных видов спорта, специалисты используют более 350 моделей голеностопного сустава и более 200 коленных модулей. Сам модульный подход протезирования, который позволяет индивидуально подходить к потребностям каждого пользователя разработали в 60-х специалисты крупнейшей компании мира в этой области OttoBock (Германия). Также производством и разработкой протезов занимаются PSYONIC (США), Hy5 Bionics (Норвегия), Unlimited Tomorrow (США) и другие предприятия.

Опыт Украины

В Украине также существует большое количество организаций, которые занимаются протезированием: Superhumans Center, Ортотех-сервис, Esper Bionics (R&D офис в Киеве), PARASHAR INDUSTRIES, Всеукраинский центр реабилитации и протезирования «Здоровье» и другие. Некоторые из центров занимаются как обслуживанием, так и сборкой протезно-ортопедических изделий или даже производством собственных разработок. Таким примером является украинский стартап Esper Bionics, где самостоятельно производят роботизированный протез Esper Hand.

Эта бионическая рука весом 380 г оснащена 6 двигателями и пальцами, которыми можно управлять сенсорным экраном гаджетов. Управление бионической рукой, по словам производителя, имитирует естественное движение благодаря собственной разработке — системе Esper Control. Она реализована благодаря 24 датчикам, обнаруживающим и обрабатывающим движение 20 мышц предплечья, чтобы активировать движение протеза.

Еще одна украинская компания Allbionics, работающая с 2022 года, работает над производством бионических протезов с помощью 3D-сканирования. Их изделия создаются индивидуально под пользователя, начиная от крепежа до готового изделия. Благодаря тому, что у компании есть реабилитационные центры на территории Украины, пациенты могут обращаться как за изготовлением, так и за ремонтом и обслуживанием протезов.

На платформе Brave Inventors представлен проект роботизированного бионического протеза от компании Versibionics. У команды разработчиков уже есть готовое изобретение и они ищут ресурсы от инвесторов для налаживания производства. Украинские инженеры отмечают, что их разработка в 5-7 раз дешевле по сравнению с западными аналогами и имеет ряд преимуществ.

Во-первых, украинский протез имеет модульную конструкцию и двигатели в каждом пальце, что позволяет осуществлять ими движения по отдельности. Во-вторых, бионическая рука от Versi имеет подвижное запястье со всеми степенями свободы по оси XYZ (на 180 градусов по одной и 60 по другой в автоматическом режиме). Кроме этого, протез поддерживает виброотзыв и датчики, которые помогут распознавать температуру поверхностей. Украинскую разработку можно будет применять для разных возрастов, в том числе для детей.

Кроме технологических компаний в Украине действует большое количество фондов, которые помогают с протезированием заграницей: Protezfoundation, Unbroken, Благотворительный фонд «Гражданин», а также единый банк данных Фонда социальной защиты лиц с инвалидностью, где хранится информация обо всех запротезированных лицах в различных учреждениях, фондах, организациях, что помогает компенсировать расходы государственными средствами.

Будущее отрасли

На примере компаний-стартапов становится ясно, что будущее протезов полностью зависит от технологий. Весомое место займет технология 3D-печати, которая уже широко используется в протезировании. Она позволяет быстро заменять некоторые детали в модульных протезах и снижает стоимость изделий, делая бионическое протезирование более доступным для большего количества людей.

А вот более широкое применение получит поддержка искусственного интеллекта, который позволит протезу «обучаться», адаптируясь к привычкам и предпочтениям пользователя. Анализ различных действий — от хода до хвата пользователя, позволит не просто имитировать, а обеспечивать плавные и естественные движения.

Кроме этого, системы AI способны продлить срок службы протеза и уровень его комфорта для пользователя. В этом уверены ученые в Южной Корее, работающие над гильзой для протеза с эластомерной подкладкой. Искусственный интеллект будет изменять форму подложки. Последняя должна точно охватывать конечность, на которую одевается протез. Таким образом, изменения в конечности будут нивелированы не полной заменой протеза, а изменением подложки, поэтому обслуживание изделия будет дешевле, а использование комфортнее.

Также нейросетевые интерфейсы позволят сделать контроллеры протеза более точными, предоставляя возможность управлять искусственной конечностью «силой мысли». Например, в Швейцарии нейроинженеры из ETH Zürich работают над протезом с полной имитацией нервной деятельности. Компьютерная система имитирует сенсорную обратную связь, чтобы нервы реагировали на различные раздражители (давление, прикосновение и т. п.). Команда ученых пытается вернуть пользователям чувство движения колена и обратную связь от подошвы стопы на земле, что влияет не только на способность быстрее ходить или научиться пользоваться протезом, но и способно облегчить фантомные боли пациентов.

Brave Inventors – национальная платформа изобретателей и изобретений военного времени. Здесь можно разместить свои военные изобретения, рассказать о разработках и прототипах, найти необходимое финансирование или ментора, а также получить больше возможностей для сотрудничества с производителями, предприятиями и бизнесами. Поддержать изобретения можно по ссылке.