Биометрический протез руки и пальцев: принцип работы и особенности

На перехват

Когда человек без руки хочет пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который проходит по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути он «перехватывает» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных формирует команды для управления манипулятором? Именно на этом пути многочисленные научные группы стремятся разработать протезы, которые считывают нервные сигналы и преобразуют их в движения.

В Американском университете Хьюстона и Университете Райса были проведены эксперименты по удалению сигналов двигательных нервов с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) с использованием электродов на коже черепа. Сложность в том, что ЭЭГ — это набор большого количества различных сигналов, и задача различения тех, которые контролируют движение конечности, аналогична поиску иголки в стоге сена.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) вместе с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того, чтобы размещать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал очень громкий, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшив электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна и невозможно сказать заранее, где именно должны быть размещены электроды для максимального отношения сигнал / шум».

Предварительные результаты

Наши внутренние тесты продемонстрировали способность различать направление движения руки от лица через протез (справа налево или сверху вниз), и, к сожалению, на этом нам пришлось остановиться, так как для дальнейших исследований это необходимо провести полный цикл других тестов, демонстрирующих безопасность устройства. В настоящее время соответствующая документация передана в наше Министерство здравоохранения для утверждения процедуры тестирования.

Несмотря на паузу в тестировании, я не сомневаюсь в работоспособности и эффективности этого устройства в силу его целесообразности, поскольку он относительно недорог и не требует хирургических операций для его использования. Кроме того, он легко воспринимается пользователями как своего рода глазной протез, к которому они уже привыкли и пользуются долгое время, и при желании могут так же легко отказаться от него. Предварительные расчеты показывают, что при хорошем состоянии иннервации слизистой оболочки глазничной полости с полем зрения 10 градусов теоретически возможно достичь разрешающей способности прибора до 1 / 20-30 угловых минут, что соответствует острота зрения около двух-трех процентов. Важным преимуществом устройства является возможность его сборки из серийно выпускаемых деталей в обычной лаборатории глазных протезов.

Похоже, что проблема оказания помощи абсолютно слепым людям в ближайшее время будет решаться не в нейрохирургических клиниках, а в основном нашими коллегами из центров глазного протезирования.

Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей

В последние годы бионическое протезирование не только выполнило свою основную функцию, но стало чем-то большим: образом жизни, хобби и даже модным аксессуаром.

Hero Arm был разработан Open Bionics и Disney. Его придумали для детей, но им пользуются и взрослые. Каждая модель создана на основе комиксов, фильмов или популярных игр: Iron Man, Star Wars, Frozen, Deus Ex Хью Херр — профессор Массачусетского технологического института — с помощью двух протезов ног ведет активный образ жизни и занимается в скалолазании. А также — он проводит исследования в области биомехатроники — технологии, сочетающей физиологию человека с электромеханикой. В 2011 году журнал Time назвал его «лидером бионической эры» Джейсона Барнса — барабанщика, который играет на барабанах быстрее обычных людей с протезами рук, супермодели Vogue, которая стала еще более известной благодаря своему роскошному протезу бионической ноги сценического образа

Эволюция бионических протезов

Первые протезы появились более 3 тысяч лет назад в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы ног, защищавшие от волдырей при ходьбе в сандалиях.

В 16 веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, пальцы которой сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с его помощью он даже мог писать ручкой.

В 18-19 веках в викторианской Англии существовали механические устройства, приводимые в движение рычагами и гибкими тросами. Протезы стали более функциональными, у них больше подвижных суставов, и эстетичнее: их форма все больше приближается к реальным конечностям. Некоторые даже были украшены тиснением или гравировкой.

В ХХ веке протезирование делают тяговым: чтобы согнуть или выпрямить конечность, нужно потянуть за рычаг. Легкие металлы и пластмассы вытесняют дерево и железо. В результате протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной и здоровой частью тела. Пластиковые модели также выглядели максимально реалистично, помогая владельцу справиться с ограничениями при ношении протеза.

Наконец, в 1958 году термин «бионический» был впервые использован: его ввел военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году был разработан первый в СССР микроэлектрический рычаг.

Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кайдин в 1972 году опубликовал книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».

Первая бионическая рука в современном понимании этого слова была создана в 1993 году Джоном Кэмпбеллом. Его приводили в движение датчики, подключенные к мозгу и спрятанные под крышкой.

В 2007 году Canadian Touch Bionics представила i-limb, первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, имела тонкие пальцы и открывала больше возможностей для развития мелкой моторики, от работы с мышью до завязывания шнурков. Протез устанавливается на розетку, легко поворачивается и откручивается.

В 2010 году BeBionic представила первый серийный протез на Международном конгрессе протезистов и ортопедов в Лейпциге. И первый широко доступный — Symbionic Leg — был выпущен в 2011 году исландским Össur. В 2013 году он интегрировал модель с микропроцессорным управлением: теперь протез адаптирован к походке своего владельца.

Компания Össur, основанная в 1971 году, стала одним из лидеров рынка, с 2000 года она приобрела 16 крупнейших производителей и стартапов. В 2019 году ее капитализация составила более 450 миллионов долларов.

Следующим шагом стали протезы, управляемые мозгом. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) испытало это во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механического оружия.

В 2018 году появились первые глазные протезы: Argus II. Помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.

Современные протезы используют разработки робототехники, они способны имитировать отдельные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходная фаза: они не заменяют утраченные органы, а интегрируются, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физической подготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.

Биоэлектрические протезы

Биоэлектрические протезы, также называемые миоэлектрическими или бионическими протезами, являются одними из самых современных и передовых протезов рук. По классификации Минтруда РФ их называют протезами с внешним источником энергии.
В миоэлектрических протезах управление осуществляется с помощью сигналов сокращения мышц, которые считываются датчиками ЭМГ.
Миосенсоры встроены в культуральный рукав для обнаружения изменений электрического потенциала. Эта информация передается на микропроцессор руки, и, следовательно, протез выполняет определенный жест или захват.

Принцип работы устройства

На начальном этапе мы ограничиваемся только анализом яркости фона и отдельных полей окружающей среды. Камера имеет поле зрения 80–120 градусов, из которых только 10 градусов активна в любой момент времени и находится в постоянном движении.

Когда появляется объект, который значительно отличается по яркости от фона в ту или иную сторону (темнее или светлее фона), кратковременный электрический импульс подается через электроды к определенной части слизистой оболочки под протезом. Этот импульс довольно четко воспринимается пользователем как слабый толчок и позволяет пользователю определить, с какого направления исходит свет или тень. Если пользователь перемещает визуальную ось камеры к этому объекту, повторяющийся импульс будет передан в центр протеза

Возможный пример: слепой находится в комнате с ярким окном и дверью, ведущей в темный коридор. Когда светлое окно или темная дверь попадает в активную часть поля зрения устройства, человек почувствует пульс и переведет на него «взор» устройства.

Бионические протезы. Общие недостатки

Современные протезы рук функциональны и удобны в использовании, но у них есть недостатки. Стоит заранее узнать, как себя вести в той или иной ситуации и не более того. Любые недостатки нивелируются возможностью самообслуживания и ведения привычного образа жизни.

Высокая цена: от пятисот тысяч до нескольких миллионов рублей. Дороги не только сами протезы, но и расходные материалы к ним: зарядные устройства, аккумуляторы, внешние оболочки перчаток. По окончании гарантии в случае поломки устройства придется заплатить сервисной мастерской. Ремонт такого высокотехнологичного устройства стоит недешево. Силиконовые перчатки быстро изнашиваются, и их нужно менять дважды в год.

Необходимость перезагрузки. Обычно заряда батареи хватает на использование бионического протеза в течение дня, максимум — один день. Когда ты дома, это не так уж и сложно, если, конечно, электричество подается постоянно. Недостатки возникают при поездках, путешествиях.

Неправильное управление. Кибернетика развивается, ученые постоянно совершенствуют модели искусственных рук, но это методика, которая может работать некорректно. Бывает, что миоэлектрические датчики работают некорректно, чаще работают правильно, но медленнее, чем хотелось бы. Это связано с тем, что коммуникация мозг-протез опосредована. Поэтому нужно просто привыкнуть к замедленной реакции протеза, выработать свою тактику повторяющихся действий.

Чувствителен к влажности. Бионические протезы портятся из-за воды и влажности. Их нужно защищать от дождя и повышенной влажности специальной перчаткой и снимать при принятии душа или купания. Также запрещено плавать в бассейне или водоеме с бионическим протезом. После посещения ванной рекомендуется протирать протез влажной тканью.

Покраснение кожи. Это может произойти в месте контакта кожи с манжетой в течение первых нескольких дней ношения протеза. После снятия протеза он проходит сам, поэтому начинать носить протез нужно постепенно.

Длительный период обучения и зависимости. Рекомендуемый период обучения — 20-30 часов. Однако даже простые шаги, которые вы усвоите на первых нескольких занятиях, позволят вам выполнять самые разные повседневные дела. Тренировка позволит освоить точные движения, сделает использование кисти более комфортным.

Непредсказуемый контроль протеза и мышечная усталость. Они могут возникнуть в самом начале разработки протеза, если человек не делает перерывов на отдых, он спешит осваивать все новые приемы и варианты движений.

Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)

По данным исследовательской компании Grand View Research, объем мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составил 790,8 миллиона долларов. Прогноз на 2025 год — до 1,75 миллиарда долларов. Рынок растет благодаря развитию технологий, а также количеству ампутаций и их спонсорскому счету в НКО.

По данным американской аналитической фирмы Frost & Sullivan, средняя цена современного современного протезирования колеблется от 5000 до 50 000 долларов.

Протез Bebionic стоит более 10 000 долларов, i-limb — от 60 000 до 120 000 долларов, бионический глаз Argus II — около 150 000 долларов.

В России бионическая рука будет стоить от 100 тысяч до 1,5 миллиона рублей.

Пока что протезирование не получило широкого распространения, и его разработка обходится довольно дорого, объединяя инженеров, биологов и врачей. При этом протезы создаются каждый раз индивидуально — рукав, к которому крепится бионическая рука или нога, должен идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого нужно создать несколько моделей, а тренировка и реабилитация занимают недели.

В большинстве случаев имплантаты оплачиваются страховой компанией или государством, например, в России. Но для этого необходимо пройти множество дел и медицинское обследование, а выбор моделей будет очень узким.

Возможно, ситуацию можно исправить с помощью 3D-печати: с ее помощью создают недорогое протезирование с учетом всех индивидуальных особенностей и декорируют по собственному вкусу. К тому же они очень легкие. Такой протез стоит до 10 тысяч долларов.

Активные (тяговые или механические) протезы кисти и предплечья «Киби»

Активный протез управляется стержнями и полностью управляется усилиями самого человека, без какой-либо электроники.
Принцип работы механического протеза очень прост, поэтому такие протезы устанавливают с малых лет. В нашей компании производятся современные активные протезы КИБИ для детей от 2 лет с травмами кисти и предплечья.
Сила такого механизма — способность контролировать усилие. При захвате пользователь сам определяет силу сжатия, его скорость и может почувствовать сопротивление, когда кисть опирается на объект.

Устройство для помощи слепым

В одном из блоков размещены видеокамера, считыватель, антенна, аккумулятор. Все элементы можно закрепить на оправе для очков или солнцезащитных очках. Связь с компьютером и питание компьютера осуществляется через стандартные кабели. Данные камеры передаются на компьютер, где они обрабатываются и передаются плееру, который через антенну подключается ко второму устройству. Связь между блоками происходит в двух направлениях с использованием протокола беспроводной связи NFC. Примером применения этой связи в других секторах является использование бесконтактных платежных карт.

Второй блок помещается внутри глазного протеза. Современный базовый элемент микроэлектроники позволяет разместить в корпусе микрочип, акселерометр (это та часть, которая позволяет записывать проекцию ускорения и тем самым фиксировать движение глазного протеза), антенну NFC и блок питания протез окуляра, который обеспечит возможность передачи информации путем воздействия на конъюнктиву электрическими импульсами такой силы, что она будет восприниматься пациентом.

Используемый нами чип имеет 8 активных выводов, некоторые из которых используются для электродов, выходящих на заднюю поверхность протеза.

Насколько пациенты довольны результатами фаллопротезирования?

Когда имплант активируется, половой член становится твердым, как при естественной эрекции. В этом случае эрекция длится столько, сколько необходимо. Обычно оргазм, эякуляция и тактильные ощущения аналогичны ощущениям мужчины до имплантации. Следует отметить, что вопросы удовлетворенности имплантатами также рассматриваются в ряде научных статей, а результаты этих исследований публикуются в медицинских журналах.

Примечательно, что авторы книги «Долгосрочная выживаемость и удовлетворенность пациентов надувными протезами полового члена для лечения эректильной дисфункции» отмечают, что общий уровень удовлетворенности пациентов в их исследовании составил 86,8%. Удовлетворенность жесткостью устройства получила наивысший балл (90,6%). Средний возраст мужчин и срок наблюдения составил 57,0 ± 12,2 года и 105,5 ± 64,0 месяцев соответственно.

Другое исследование, почему мужчины довольны или недовольны имплантатами полового члена? Исследование удовлетворенности имплантацией протеза полового члена с использованием смешанных методов также «показало высокий уровень удовлетворенности среди мужчин, перенесших имплантацию полового члена. Участники исследования — 47 мужчин с эректильной дисфункцией, перенесшие операцию. Операция в период с 2003 по 2012 год. Все пациенты прошли структурированный телефонный разговор». Во время интервью большинство мужчин (79%) заявили, что довольны результатами операции.

Как работает двухкомпонентный фаллопротез на примере имплантата системы AMS Ambicor

Состоящий из двух частей имплантат состоит из пары цилиндров, которые имплантируются в половой член, и насоса для физиологического раствора, который помещается в мошонку. Чтобы получить эрекцию, нужно сжать и открыть помпу. Жидкость переместится из резервуаров во внутренней части цилиндров, расположенных в ножках пещеристых тел, наружу, и пенис станет твердым. Для того, чтобы пенис перешел в состояние покоя, необходимо согнуть его у основания под углом 55-65 градусов и удерживать 6-12 секунд. Это вернет жидкость в резервуары, и пенис станет мягким.

Некоторые особенности двухкомпонентных имплантатов:

• Двухкомпонентные имплантаты полового члена не такие жесткие, как трехкомпонентные
• Двухкомпонентные имплантаты полового члена не такие мягкие в состоянии покоя по сравнению с трехкомпонентными имплантатами
• Двухкомпонентные фаллопротезы технически менее надежны, чем трехкомпонентные имплантаты
• Прокачка насоса двухкомпонентного протеза полового члена требует больше усилий, чем трехкомпонентная система имплантатов

Michelangelo от компании Ottobock

Бионическая кисть Michelangelo изготовлена ​​из материалов, имитирующих кости, мышцы, суставы и сухожилия, поэтому она выглядит естественно и ощущается как настоящая. Лучезапястный сустав овальной формы, максимально приближен к своей естественной форме. Встроенный шарнир AxonWrist обеспечивает вращение, сгибание и разгибание, человеку не нужно принимать неестественные позы для управления протезом. Реализована возможность самостоятельно изменять положение большого пальца. Это можно сделать вручную или с помощью миоэлектрических сигналов. Помимо большого пальца активны средний и указательный пальцы. Мизинец и безымянный пальцы пассивно следуют за активными пальцами.

Кисть легко меняет направление движения, захватывает мелкие предметы и даже купюры. Всего бионическая рука может принимать семь положений, этого достаточно для большинства повседневных действий, таких как завязывание и перелистывание страниц книги. При отсутствии хирургического вмешательства протез возвращается в нейтральное положение и выглядит как естественно расслабленная рука.

Биоэлектрические протезы рук Ottobock подходят для детей и взрослых. Они функциональны и облегчают повседневную работу. Бионические протезы рук эстетичны, обладают высокой силой захвата и достаточной свободой движений, а также удобны в использовании.

Недостатки моделей: высокая цена, увеличенный вес, необходимость регулярной подзарядки аккумуляторов.

Как работает трехкомпонентный фаллопротез на примере имплантата системы AMS 700

Трехкомпонентная система AMS-700 состоит из пары цилиндров, которые имплантируются в половой член, насоса (помпы), который помещается в мошонку, и резервуара с физиологическим раствором, расположенного в нижней части живота. Чтобы активировать состояние эрекции, необходимо сжать и выпустить помпу в мошонку, жидкость из резервуара переместится в цилиндры, сделав их твердыми. Чтобы половой член стал мягким, необходимо нажать кнопку на насосном агрегате на 10-15 секунд — половой член вернется в естественное мягкое состояние.

Некоторые особенности трехкомпонентных имплантатов:

• Менее жесткий насос облегчает надувание, чем устройство, состоящее из двух частей, но требует большей ловкости для надувания
• Поскольку протез создает минимальное давление на ткани полового члена, когда он не используется, чрезмерное давление цилиндров на белочную оболочку головки полового члена менее вероятно
• Система из трех частей обеспечивает максимальную мягкость цилиндров полового члена, когда протез не используется, что более комфортно для пациента

Активация эрекции в случае двух- и трехкомпонентного протеза в среднем занимает от 30 до 60 секунд, и примерно столько же занимает обратный процесс. Многие мужчины, живущие с этим типом протеза, замечают, что половой член в спокойном состоянии выглядит максимально естественно и не мешает их привычному образу жизни.