Біонічне протез: пристрій, установка, принцип роботи. Бионические протези кінцівок

Коли людина втрачає кінцівку, то найголовніша його мрія - знову відчути руку або ногу. І не просто відчути, а виконувати кінцівкою всі рухи, доступні до травми або хвороби: взяти чашку, зашнурувати черевики, йти з опорою на обидві ноги. Повернути втрачені можливості дозволяє бионический протез, або складний пристрій, вловлюють нервові імпульси.

Як з`явилися «розумні» протези?

Прототип «живих» протезів придумали і описали фантасти. Це в їхніх творах на зміну втраченим в боях руках, ногах, очам і сердець приходили механічні помічники, які працюють краще живих органів. Найвідоміший приклад - Термінатор Камерона, який взяв від людини тільки зовнішній вигляд.

Мало хто знає, що прообраз сучасних протезів відноситься ще до 19-го століття, коли в дерев`яну ногу вставляли металеву кулю, щоб зробити нижню частину рухомого. Але в 20-му столітті ці примітивні пристрої замінив бионический протез, створений на стику декількох наук: медицини, інженерії, біоніки та електроніки.

Вчені різних країн змагаються за першість у цьому питанні, але факти такі, що перший діючий бионический протез руки був представлений на ортопедичної виставці в німецькому місті Лейпцигу в 2010 році. За кілька років, що минули з цієї події, в світі було розроблено величезну кількість протезів кистей, рук, стоп, ніг і навіть собачих лап.

Що таке біоніка?

Це ціла наука, що вивчає живу природу і можливість перенесення принципів роботи живих істот в промислові аналоги. Інженери підглядають ідеї у природи і втілюють їх у своїх пристроях і спорудах. У цьому сенсі бионические протези - тільки крапля в морі. Так, відомі всім застібки-липучки всього лише копіюють спосіб пересування насіння будяків. Присоски запозичені у п`явок. При конструюванні підводних човнів взяли за зразок дощового черв`яка - у нього все «відсіки» автономні. Неймовірно витривалий металевий ажур Останкінської і Ейфелевої веж - це багаторазово збільшена копія трубчастої кістки людини. Переплетення металу, які всіх так захоплюють - копія будови кісткової тканини, що поєднує міцність і гнучкість.

Відео: Біомеханічні протези передпліччя

Навіть багатоповерховий будинок, в якому одночасно живуть такі різні сім`ї, списаний з бджолиних сот. Ідея життя різних людей в «осередках» під одним дахом із загальними комунікаціями копіює уклад життя бджолиної сім`ї.

Бионические втілення є в багатьох предметах, що оточують нас: автомобільних шинах, літаках, камерах спостереження, водних судах і самих звичайних шарнірних з`єднаннях.

Як працює найпростіший бионический протез?

Після травми або в ході хвороби кінцівку ампутують. Частина, що залишилася кукса складається з безлічі тканин: шкіри, м`язів, кісток, судин і нервів. Хірург під час операції виводить зберігся руховий нерв на що залишається велику м`яз. Після загоєння операційної рани нерв може передавати руховий сигнал. Цей сигнал сприймає датчик, встановлений на протезі. У процесі сприйняття нервового імпульсу бере участь спеціальна комп`ютерна програма.

Тому бионический протез може виконувати тільки ті дії, які в цій програмі прописані: взяти ложку, вилку або кульку, натиснути клавішу тощо. У порівнянні з відсутністю кінцівки можливість навіть обмеженого числа руху - величезний прогрес. Однак навіть найкращі і вчинені бионические протези поки не можуть виконати всіх тих дрібних і точних рухів, на які здатна жива кінцівку.

Як проходить нервовий імпульс від мозку до протезу?

Щоб зрозуміти, як працюють бионические протези, потрібно згадати нормальну фізіологію людини.

Рухи, які ми здійснюємо багато разів протягом дня, називаються автоматичними. Підйом, похід в туалет, умивання, чищення зубів, вдягання - все це ніяких думок у нас не викликає. Тіло робить все що потрібно як би само собою. Але насправді початок будь-якого руху - думка. Тобто спочатку ми думаємо: потрібно почистити зуби, зварити каву, одягнутися. Мозок посилає сигнали тим м`язам, які в даному русі задіяні. М`яз може скорочуватися або розслаблятися тільки за сигналом мозку. Але процес проходить настільки швидко і злагоджено, що ми не встигаємо усвідомити, що відбувається. У випадку з протезом все складніше: спочатку сигнал про рух зчитується електродом, розташованим поруч з виведеним на м`яз нервом, а потім вирушає на процесор всередині протеза. Цей процес теж досить швидкий, але швидкість здійснення дій все одно поступається живій кінцівки.

Штучні людські «запчастини»

З тих пір як був представлений перший біонічний протез, наука пішла далеко вперед. Якщо перші моделі були громіздкими, вимагали перемикачів і могли виконувати лише найпростіші рухи, то сучасні зразки важко назвати протезами. Це елегантні інженерні вироби, немов зійшли з екрану футуристичних фільмів.

Протез абсолютно схожий на здорову руку, їм можна писати, тримати столові прилади, кермо автомобіля або куряче яйце. Для досконалості рухів іноді використовуються власні тканини людини з інших ділянок тіла - з ніг, наприклад.

Ідеї з майбутнього

Інженери та вчені в своїх фантазіях нестримні. Так, вчені навіть змогли «обійти» пошкоджену сітківку ока, транслюючи зображення навколишнього прямо на зоровий нерв. Людина, що осліпнув внаслідок травми, при збереженні зорового нерва може розраховувати на те, що знову побачить рідні обличчя або прекрасний світанок.

Уже з`явилися пристрої, що поліпшують роботу мозку. Так, з тримтливим паралічем або хворобою Паркінсона можна впоратися за допомогою імплантованого електрода.

Людям, що стали нерухомими внаслідок паралічу, імплантують електроди прямо в мозок, щоб вони могли управляти штучними руками і ногами. Для людини, повністю залежного від оточуючих, можливість самообслуговування - невимовна радість.

Обговорюється питання про імплантуються під шкіру чіпах, здатних замінити ключі, банківську картку і посвідчення особи одночасно.

А що у нас?

Найбільш відоме підприємство, що випускає бионические протези в Росії, - це Московський протезно-реабілітаційний центр. Тут збирають протези з модулів, використовується продукція Німеччини, Ісландії та Росії.

Протез кожної людини має індивідуальні особливості. Це і рівень ампутації, і вага, і зростання, і рід занять, особливості ходи і дрібних рухів, вік. Використовується багато самообучающихся модулів. Пристосовується не тільки людина до протезу, а й протез до людини. Самонавчальний модуль, оснащений вбудованим штучним інтелектом, запам`ятовує особливості ходи і маршруту руху. Модуль «вчить» не тільки ширину кроку і навантаження на кінцівку, але і запам`ятовує кількість і висоту ступенів, вибоїн і ямок на шляху. Модулі копіюють дії мозку, що готують крок або інший рух.

Скільки коштує «живий» протез?

Вартість бионического протезування поки висока і може досягати в складних випадках мільйонів рублів. Однак повернення до повноцінного життя важко оцінити в матеріальному обчисленні. По суті, установка біонічних протезів - єдина можливість для інваліда повернутися до нормального життя: будувати і здійснювати плани, утримувати сім`ю, домагатися кар`єрних вершин.

Найголовніше - це повернутися до спільноти здорових, які сподіваються на себе людей. Люди з «живими» протезами продовжують вести звичний спосіб життя, танцюють і навіть отримують спортивні нагороди. Тобто протез стає частиною людини настільки, що важко відрізнити дії живих м`язів від їх біонічних аналогів.

Протезування: етапи розвитку

У порівнянні зі звичайним бионический протез кисті - справжній прорив. Зовсім недавно людина, яка втратила кисть, міг розраховувати тільки на дві можливості: між ліктьової та променевої кісткою формувався шкірний клапоть, щоб людина могла захоплювати великі предмети, або до культі приєднувався гак. І те, і інше було незручно і малоестетичний. Сьогодні навіть формування кукси під майбутній протез починається ще в операційній. З перших днів післяопераційного періоду з потерпілим працює протезист, допомагаючи підібрати найкраще поєднання деталей. Культ формують і тренують, а частини майбутнього протеза максимально пристосовують до решти можливостям. З шкірою стикається ніжна манжета з силікону з вбудованими чіпами. Потертостей від сучасних протезів не буває. Програма для кожного виробу розробляється індивідуально, залежно від того, чим людина займається. Завдання - максимальне відновлення функції.

Допомога інвалідам

Людина, яка втратила кінцівку, в обов`язковому порядку проходить медико-соціальну експертизу. Одночасно з встановленням групи інвалідності для кожного розробляється програма соціальної реабілітації. Реабілітація передбачає використання в першу чергу технічних засобів, що сприяють поверненню людини до праці. Все бионические протези кінцівок входять в обов`язковий перелік таких технічних засобів. У людини є вибір: в рамках програми реабілітації отримати готовий виріб або придбати його самостійно з подальшим отриманням грошової компенсації. Розмір компенсації розраховується за середньою вартістю аналогічних протезних виробів.

Над чим працюють розробники?

Сучасні бионические протези рук відмінно виконують тонкі руху, але людина не отримує від них тих відчуттів, до яких звик. Так, протезом можна погладити людини по волоссю, але не можна відчути тепло шкіри голови і м`якість волосся. Усуненням саме цього недоліку займаються зараз вчені. Фахівці вже навчилися зрощувати кістки з титаном, а датчики рухів і почуттів з`єднувати безпосередньо з живим нервом. Так, біонічна рука повністю заміняє живу, і людина отримує тактильні відчуття, яких був позбавлений багато років. Безпосереднє з`єднання нервів і м`язів з технічним пристосуванням набагато збільшує швидкість рухів, наближаючи її до природного.

З яких частин складається біонічна нога?

Сучасний бионический протез ноги включає кілька обов`язкових елементів, таких як:

• силіконова манжета з вбудованими датчиками;
• опора - титановий стрижень, формою нагадує гомілку;
• шарнірний модуль з мікродвіжкамі і процесором;
• блок штучного інтелекту, що обробляє всі вступники сигнали.

Останні моделі протезів провідних німецьких компаній мають особливе покриття, дуже схоже на шкіру. Синтетична шкіра має подвійне призначення: захищає деталі протеза від вологи і виконує косметичну функцію. Протез з покриттям можна не знімати, приймати з ним душ і ходити по калюжах.

трохи фантазії

Сьогодні живуть на одній з нами планеті кілька людей, що мають 2 і навіть 3 біонічних протеза одночасно. Винайдено синтетична шкіра, яка змінює жорсткість. Придумані екзоскелети, що допомагають ходити паралізованим людям. Розробляються вироби, керовані силою думки. Проводяться експерименти з вирощування нервів в Мікроканали. Теоретично недалекий той день, коли можна буде виростити нерв потрібної довжини. Вчені намагаються стерти межу між живою природою і технічним пристроєм. Кількість рухів, що здійснюються біонічної протезами, постійно збільшується, зростає і їх складність.

Все це дає великі надії на те, що людина стане сильнішою хвороби.

Протезування кінцівок стає рутинною процедурою, яка повертає людину в звичне русло. Можливо, настане той день, коли будь-яку частину людського тіла можна буде замінити штучною. По крайней мере, дуже хочеться в це вірити.