Бионическое протезирование в 2019 году

Технологии протезирования находятся на пороге воплощения немыслимого в реальность. Неуклюжие, бесчувственные протезы превращаются в контролируемые разумом модули человеческого тела, которые не только возвращают их владельцам возможность двигаться, но и дают чувство осязания.

Немного истории

Первое упоминание о протезе встречается в религиозных песнях индийской литературы, которые были написаны около 3500 лет назад. Упоминание сообщает, что воительница в бою потеряла ногу, и для нее изготовили новую железную ногу. Также древние египтяне были знакомы с протезированием, о чем свидетельствует мумия с деревянным пальцем. Долгое время протезирование развивалось слабо. Знаменитые пиратские крюки и деревянные конечности — ранние формы протезов.

После развития механики, ближе к современности, стали появляться более совершенные типы протезов, хорошо имитирующие потерянную часть тела или даже способные двигаться за счёт встроенных механизмов.

Бионический протез руки

Бионический протез руки позволяет человеку двигать целиком им и отдельными его частями - запястьем, предплечьем, пальцами. Такие протезы работают на основе сигналов от мышц пользователя. Когда человек надевает такой протез и напрягает мышцы в конечности, специальные датчики обнаруживают крошечные электрические сигналы с мышц конечности и передают информацию на микропроцессор, а тот преобразует её в двигательные команды. Протез контролируется путем натяжения тех же мышц, которые отвечают за работу биологической руки. Эта технология известна как электромиография, а специальные датчики в протезах называются электромиографическими или ЭМГ-электродами.

В 2014 году был представлен революционный проект на конференции, организованной Агентством перспективных исследований в области обороны Америки. После того, как исследователи из лаборатории прикладной физики в университете Джона Хопкинса вживили электроды в мозг добровольца, парализованного травмой спинного мозга, он смог не только контролировать движение руки, но чувствовать, когда люди в лаборатории касались разных пальцев на протезе руки. В процессе тестирования бионической руки доброволец, даже с завязанными глазами смог определить, какого из пальцев руки-протеза касаются. Бионическими протезами и ранее можно было управлять при помощи сигналов мозга, однако только сейчас удалось добиться результата при котором сигналы с протеза обрабатываются мозгом. Этот эффект получен за счет электродов, имплантированных в сенсорную и двигательную кору головного мозга. Интегрированные в протез датчики определяют, когда к нему прикладывается давление, и преобразуют силу в электрические сигналы, которые передаются в мозг пациента.

Компания «Open Bionics»

Британская компания «Open Bionics» с 2014 года занимается разработкой и производством бионических протезов с использованием технологий 3D-печати. В этом году она получила инвестиции в размере окло 400 миллионов рублей и продолжает активно спонсироваться.

На сегодняшний день эта компания является лидером среди общедоступных бионических протезов верхних конечностей. В первую очередь потому, что делает протезы рук доступными. Ведущее протезирование может стоить до 100 000 долларов. Используя новые технологии, такие как 3D-сканирование и 3D-печать из переработанного пластика, для создания бионических рук индивидуально под каждого клиента, «Open Bionics» сократила стоимость до 1000 долларов, а также планирует выйти на международный рынок - на данный момент устройства компании доступны в Великобритании, Франции и США.

Что самое интересное - никакой операции для установки протеза не требуется. Сначала идентифицируются самые сильные мышечные участки на конечности пользователя, далее выполняется 3D-сканирование и на основе всей полученной информации с помощью 3D-печати создаётся каркас протеза. Всё, что требуется после этого - надеть протез на конечность и начинать им пользоваться.

Чтобы закрыть кисть протеза, необходимо представить, что вы сгибаете запястье чуть внутрь, складывая пальцы в кулак. Чтобы открыть кисть, соответственно, надо представить, будто вы вытягиваете запястье, выпрямляя ладонь. Кто-то начинает полноценно управлять протезом уже через 10 минут после знакомства с ним, а кому-то требуется больше времени на привыкание и укрепление мышц. 

Hero Arm от «Open Bionics»

Сейчас у компании особо популярны протезы линейки «Hero Arm», которые подходят для взрослых и детей в возрасте от девяти лет, с ампутациями ниже локтевого сустава. Название выбрано не просто так - компания получила лицензии Disney, Marvel и Pixar на использование творчества этих брендов в оформлении искусственных рук, так что пациенты могут заказывать протезы в стиле дроида BB-8 из «Звездных войн», «Железного человека», видеоигры «Deus Ex» и любых других любимых героев. Над дизайном по заказу трудится целая команда художников. Это помогает изменить отношение детей к своей травме, благодаря чему им удаётся намного быстрее реабилитироваться.

Точность движений регулируется за счет изменения скорости приводов, что позволяет управляться даже с маленькими кирпичиками конструктора LEGO. Грузоподъемность взрослой версии достигает 8 кг при массе самого протеза не более одного килограмма.

Пользователь может легко управлять своей бионической рукой с интуитивно понятной реалистичной точностью. Кроме того, встроены тактильные вибрации, разные звуковые сигналы (бластеры, лазеры, импульсы), кнопки и огни. Заряда аккумуляторов хватает на полный день эксплуатации.

Процесс 3D-печати и сборки такого протеза занимает около 40 часов. Он поставляется в трех размерах и является самой легкой бионической рукой на рынке.

А что насчёт людей с ампутированной рукой выше локтя?

Когда я узнал, что «Open Bionics» делает упор на протезы для ампутированных рук ниже локтя, то задался этим вопросом. Но оказалось эти ребята также делают на заказ бионические руки от плеча и надплечья, просто эти случаи менее распространены.

В 2016 году был сильно разрекламирован случай с протезом в стиле игры Metal Gear Solid, он был сделан для заядлого игрока Джеймса Янга - парня, который попал под поезд, в результате чего потерял часть левой ноги и всю левую руку до плеча. Инициаторами были сами создатели игры (и человеку помочь, и рекламную компанию запустить), над созданием протеза трудились люди разных компаний: художники, производители, инженеры и робототехники.

Суть работы такого большого протеза точно такой же: Джеймс может сказать руке, что делать, сжимая мышцы плеча. В зависимости от того, как Джеймс сжимает мышцы плеча, он отдаёт команду бионической руке выполнить любое из шести различных запрограммированных действий, включая открытие и закрытие пальцев. Печать данной модели заняла чуть более 24 часов на настольном 3D-принтере Ultimaker.

Протез обладает хорошей ловкостью, чтобы подбирать даже крошечные предметы, такие как монеты. Есть встроенная лазерная указка, фонарик и порт USB на запястье, чтобы заряжать телефон. Также имеются собственные часы и компактный дрон, установленный на специальной панели на внешней стороне плеча.

Что с этим делом в России?

Из-за отсталой системы обеспечения средствами реабилитации, за счёт государства высокотехнологичные искусственные устройства недоступны для людей с ограниченными возможностями в России. Можно получить только косметические нефункциональные конечности или простые механические протезы, в редких случаях — протез с внешним источником энергии.

В России слабо развит рынок средств реабилитации: в год многофункциональных бионических кистей продается до 30 штук, что в десятки раз меньше в сравнении с США. На это влияет несколько факторов. Все упирается в экономику: слабая покупательская способность, низкая средняя стоимость компенсации и плохо развитый страховой рынок затрудняют приобретение протезов. Пациенты не понимают, почему хорошие и качественные модели стоят так дорого. Нет производственной базы, детали необходимо заказывать в других странах. Поэтому все российские лидеры в этой области рано или поздно выходят на международный рынок.

У российских пациентов не самый большой выбор отечественных бионических протезов. Пока такие изделия на постоянной основе производят только две российские компании — «Моторика» и «MaxBionic».

«Моторика» исследует и разрабатывает технологии на стыке медицины и робототехники с 2015 года. Изготавливают протезы для детей и взрослых с ампутациями верхних конечностей: для пальцев, кистей, предплечий и плеч. Их бионические протезы теперь можно приобрести в Краснодарском крае, Чувашской республики, Алтайском крае, Челябинской области и во многих других регионах.

В середине 2019 года компания продала 50 протезов. В планах встроить в бионическую руку Wi-Fi для подключения к сетям, и добавить сенсорный дисплей, чтобы пользователь просматривал социальные сети и почту.

«MaxBionic» — стартап в области биомехатроники. Но эта компания в первую очередь сфокусирована на поставках комплектующих (кисти, батареи, системы управления и обучения) для дистрибьюторов протезно-ортопедической продукции.

На российском рынке есть и зарубежные протезы компаний i-Limb, Touch Bionics, Ottobock и Vincent System (Vincent de). Выбор среди зарубежных моделей больше, но их цена выше в несколько раз, а то и в десятки. Для сравнения — немецкий бионический протез предплечья Bebionic стоит от 2 миллионов рублей, а бионическую кисть i-Limb продают на Ebay за 40 тысяч долларов.

Согласно закону, россияне могут купить протезы на деньги государства несколькими способами. Во-первых, можно подать заявку в Фонд социального страхования (ФСС): организация объявит аукцион, и победившая компания изготовит пациенту протез. Правда, сложно предугадать, кто выиграет тендер и что за протез получит заявитель. Возможно, это будет изделие не того бренда, который он хотел.

В целом текущее положение дел в индустрии протезирования конечностей очень хорошее, учитывая, что развитие технологий сегодня происходит невероятно быстро. У инженеров и разработчиков грандиозные планы и всё, что сейчас есть, можно назвать масштабным стартом в протезировании. И этот старт настолько резкий и перспективный с нынешними достижениями, что в ближайшем будущем явно ожидаются новые прорывы и подходы.