Будущее протезирования: путь к бионическому человеку

Опубликовано 05 March 2020
Научно-фантастическое видение роботизированных протезных конечностей, которые могут контролироваться мозгом и обеспечивать сенсорную обратную связь, приближается. Посмотрим на прогресс в бионике в Великобритании.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Киануш Назарпур из отдела биомедицинской инженерии Университета Ньюкасла, на котором изображена недавно разработанная «многофункциональная протезная рука». Фото: Майк Урвин

В технике существует постоянная тема попыток сопоставления или копирования природы. Это вряд ли удивительно. У нас были миллионы лет для выработки решений различных проблем, связанных с окружающей средой; цивилизация, напротив, были простые века. Встречаются относительно редко.

Инженеры должны буквально соответствовать природе. Это может быть как можно больше, так как это возможно. Замена достигнутых или потерянных конечных результатов - один из самых ярких примеров прогресса, которого мы достигли.

Археологи нашли примеры замены частей тела из древнего Египта, Греции и Рима. Они варьируются от грубых - деревянные колышки и прилегающие пальцы - до примитивных, но с одинаковыми впечатляющими попытками конечностей с шарнирными суставами. Перенесемся в 19 недель, и мы нашли полностью сочувствующие протезы, которые, возможно, не были особенно эффективными, но, безусловно, выглядят впечатляющими.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Железная искусственная рука, 1560-1600 гг., Когда-то считавшаяся принадлежащей немецкому рыцарю
Предоставлено: Музей науки; Wellcome Images; Creative Commons

Вымышленные ожидания


Сегодня наши ожидания были завышены несправедливо научной фантастикой. Телесериал 1970-х годов «Человек за шесть миллионов долларов» познакомил нас с тройным ампутантом, чьи ноги и рука были заменены роботизированными конечностями, которые давали ему сверхчеловеческие способности (бег на скорости 60 миль в час, поднятие невероятно тяжелых грузов и острое зрение с имплантированным электронным глазом); прочное наследие серии заключается в популяризации термина «бионический» для моторизованного протезирования. Десять лет спустя мы увидели, что правая рука героя «Звездных войн» Люка Скайуокера отрублена и заменена кибернетической рукой, которая была визуально и функционально неотличима от его естественной конечности, вплоть до рефлексов и ощущений.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Рука Люка Скайуокера остается моделью для протезирования Lucasfilm; Disney Studios

Но ни Bionic Man, ни Luke не являются реалистичным отражением того, что возможно с помощью протезирования. Мы по-прежнему говорим о «руке, подобной руке Люка Скайуокера», когда мы хотим вызвать продвинутый протез, и при рассмотрении они все еще не соответствуют функциональным возможностям, какими бы впечатляющими они ни выглядели. Итак, через 40 лет после того, как мы научились говорить о бионике, какой будет форма протезирования?

Есть две основные проблемы, связанные с развитием протезирования.


Первая заключается в разработке самой механической конечности. С ростом миниатюризации электродвигателей и достижений в области вычислительной мощности это становится менее сложной задачей, чем вторая, все еще высокая проблема; найти способы соединения машины с телом человека с ампутированной конечностью. Как может тот, кто потерял конечность, управлять протезом? Можно ли думать о перемещении протезной руки и перемещать ее только с помощью умственных способностей; или приблизиться к естественному состоянию и сдвинуть его без каких-либо сознательных мыслей? Может ли чувство прикосновения быть воспроизведено машиной, даже с современными сенсорами? А как насчет того чувства, на которое мы опираемся, но настолько фундаментального, что мы едва осознаем его: проприоцепция - точно знать, где находятся наши конечности и конечности без необходимости смотреть? Насколько близко пациент может вернуться к естественному функционированию с помощью технологии? И как эта технология может развиваться в ближайшие десятилетия?

Уровень развития


Здесь полезно взглянуть на современное состояние. В настоящее время протезы имеют гнезда, которые сделаны специалистом-протезистом для точного прилегания к телу пациента. Крайне важно, чтобы подбор был точным, и большинство протезов необходимо регулярно корректировать, что, как и все процессы изготовления на заказ, дорого, отнимает много времени и часто неудобно. Не так много протезистов, и они сталкиваются с проблемой в клиниках (это, конечно, еще более остро в развивающихся странах и зонах конфликтов, где ампутация непропорционально распространена и изнурительна). Даже самые удобные гнезда не идеальны; тело может скользить по поверхности, становиться потным и неприятным, а длительный износ может быть болезненным. Это особенно проблема для протезов нижних конечностей. Поскольку вес тела ложится на раны раны, и последующие инфекции представляют собой постоянную опасность.

Самые современные протезы, доступные сегодня, имеют некоторую степень контроля над психикой, но не имеют сенсорной обратной связи. Контроль достигается благодаря явлению, называемому миоэлектричеством. Остальные мышцы культи продолжают реагировать, когда пользователь «перемещает» отсутствующую конечность, что приводит к появлению электрических сигналов на коже, которые могут быть обнаружены датчиками, установленными в гнезде. Хотя эти сигналы могут не точно соответствовать движениям, которые могла бы сделать отсутствующая конечность, пользователь может научиться делать движение протеза желаемым образом.

Миоэлектрические датчики довольно недороги, и сигналы могут быть обработаны готовыми микросхемами и отправлены в двигатели в протезе. Такие компании, как Open Bionics, о которых рассказал Инженер, используют такую ​​технологию в своих протезах и кистях, которые предназначены для использования с открытым исходным кодом и могут быть изготовлены из деталей, изготовленных на коммерческих 3D-принтерах.

Миоэлектрический контроль очень сильно зависит от соответствия между пнем и протезом, потому что датчики, которые обнаруживают мышечный сигнал, должны быть точно размещены на правильном участке кожи.

Более того, эта технология лучше всего подходит для рук и кистей. Ноги представляют собой другой набор проблем, так как движения коленей, ступней и лодыжек при обычной ходьбе более автономны и менее сознательны, чем движения рук, рук и пальцев; им также приходится иметь дело с различными видами стресса и выполнять более механическую и поддерживающую функцию. Из-за этого, вообще, область протезирования резко разделена между специализациями верхних и нижних конечностей.

Усовершенствованные протезы нижних конечностей, как правило, содержат больше пассивных систем, основанных на механических суставах, чья жесткость в наиболее сложных случаях может регулироваться автоматически во время ходьбы. Известные как активные суставы, они часто используют пневматику для создания реалистичных движений коленей и лодыжек, управляемых электронными приводами.

Обычно считается, что самой продвинутой доступной нижней конечностью является система Linx, производимая британской компанией Blatchford, чьи суставы автоматически приспосабливаются к изменениям осанки и которая может использоваться даже на мягких и неровных поверхностях.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Считается, что «умный» протез нижней конечности Linx - самый продвинутый из имеющихся протезов

По иронии судьбы, Linx в настоящее время не продается в Национальной службе здравоохранения Англии, поскольку его стоимость составляет около 20 000 фунтов стерлингов за единицу, поскольку в политике закупки оборудования учитывается только первоначальная стоимость. В Шотландии, где учитываются затраты в течение всего срока службы, эта система недавно стала доступной.

Это отражает прискорбный факт, с которым сталкиваются люди с ампутированными конечностями: из-за несбалансированной походки, возникающей в результате использования протезной ноги, и стрессов, которые это оказывает на скелет, многим пациентам в конечном итоге приходится подвергаться замене бедра на противоположной стороне от отсутствующей конечности. , Стоимость этой операции, послеоперационного ухода и мониторинга, в большинстве случаев перевесит дополнительные расходы на покупку дорогостоящей протезной ноги (даже если протезисту требуется регулярное внимание Linx).

Новая площадка или улучшение?


Развитие протезирования в значительной степени делится на два лагеря; те, кто работает над усовершенствованием современной технологии на основе сокетов, и те, кто работает над новыми системами, более непосредственно интегрированными в корпус. Основным требованием последнего является наличие системы, которая прививается на скелет с помощью процесса, известного как остеоинтеграция. Это требует разработки металлических систем, которые могут быть вставлены в стержень кости или прикреплены к нему, после чего врожденные процессы заживления организма вырастают живую кость непосредственно на металле и внутри него. В последние годы 3D-печать и передовые технологии нанесения покрытий значительно помогли разработать технологию, поскольку они позволяют изготавливать на заказ фактуры и формы, подходящие для костной ткани.

Действительно, протезы, использующие такую ​​технологию, стали относительно распространенными, такие как имплантаты бедра и колена. Важно то, что они остаются полностью внутри тела. Для замены части тела часть имплантата должна была бы выступать через кожу. Повреждение кожи навсегда потенциально опасно, потому что это может создать путь для инфекции. До недавнего времени общепринятым считалось, что очень немногие люди с ампутированными конечностями могут даже подумать о риске выпячивания имплантата.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Протезы профессора Ноэля Фитцпатрика для домашних животных, возможно, помогли изменить мнение об имплантатах.

Это восприятие может начать меняться, и разница возникла из удивительного источника: ветеринария. Читатели в Великобритании могут быть знакомы с профессором Ноэлем Фитцпатриком, ирландским ветеринаром, чья клиника в Суррее была показана в ряде телевизионных программ, демонстрирующих его специализацию по замене потерянных лап маленьких животных протезами. Протезы с сокетами не пригодны для животных, но регулярные зрители будут знакомы с частой борьбой Фицпатрика за то, чтобы побудить кожу ампутированных конечностей придерживаться его изготовленных на заказ имплантатов и бороться с возникающими инфекциями. Фицпатрик, однако, является сторонником этих «протезов ампутации» для людей и работает с хирургами над внедрением технологии в клиническую практику человека.

Сила мозга


Киануш Назарпур, биоинженер из Университета Ньюкасла, является одним из тех, кто исследует пути улучшения существующих технологий. Понятно, что инвалиды не захотят рисковать имплантацией, особенно когда эта технология еще не полностью разработана, сказал он Инженеру. «По определению, если вам нужна ампутация, у вас уже был очень травмирующий опыт, а операция по удалению поврежденной конечности - еще большая травма и риск. Вы можете понять, почему люди не хотят подвергать себя другой экстремальной процедуре, когда они могут получить что-то не лучшее - или даже не столь хорошее - как то, что у них уже есть, и это до того, как вы начнете думать о риске заражения ».

Назарпур - специалист по верхним конечностям, и все его работы основаны на одной философии. «Мы стараемся не слишком усложнять сам протез, особенно с помощью бортовых компьютеров», - пояснил он. За этим стоит мысль, что человеческий мозг уже может превзойти любой синтетический процессор, и его потенциал еще не полностью изучен. «Подумай о слепом с тростью», - сказал он. «Эта палка восстанавливает его зрение? Нет. Но простая сенсорная обратная связь, которую он получает, нажимая на нее изученными способами, позволяет его мозгу достигать относительно сложного впечатления от его окружения; или, по крайней мере, небольшую часть своего окружения, которую он должен понять, чтобы сделать следующий шаг безопасно ».

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Сенсорная обратная связь, передаваемая на культю, может помочь обмануть мозг.

Исследование Назарпура, в рамках которого он работает в сотрудничестве с Имперским колледжем Лондона и университетами Лидса, Кила, Эссекса и Саутгемптона, сфокусировано на предоставлении сенсорной обратной связи пользователям протеза. Для этого он использует относительно простые датчики в пальцах протеза для определения температуры, давления и сдвига (последний из них определяется датчиком, который реагирует на усилие, действующее в боковом направлении на поверхность, а не перпендикулярно). Их продукция переводится в небольшие электрические токи, которые прикладываются к коже пня. «Все могут чувствовать ощущения по-разному», - сказал он. «Для некоторых людей это может показаться щекоткой, другим - царапать. Плотность сенсора не может быть такой же высокой, как на реальной руке, и обратная связь не такая большая. Но мозг может научиться интерпретировать ощущения на оставшейся плоти, как если бы они были на руке ».

Подобные исследования слепых имели определенный успех в устройствах, которые стимулируют кожу спины в ответ на выход камеры, обращенной вперед, добавил он. «У этих людей ощущения на спине преобразуются в впечатление о том, что перед ними в процессе обучения мозга».

Частично это, добавил он, является результатом нейропластичности: способность мозга развивать новые связи между нейронами, эффективно «перестраивая» себя для развития новых функций. «Это не быстро и не легко», - признался он. «Люди, которые получают миоэлектрические конечности, как правило, могут начать учиться управлять ими примерно через пять минут, потому что, например, способность видеть то, чего достигает ваша рука, очень мощная. Научиться интерпретировать сенсорные данные на порядок сложнее, и, соответственно, на это уходит больше времени ».

Одно интригующее направление исследования - интеграция машинного зрения в руки протеза. Стандартная камера прикреплена к запястью, обращенной к пальцам, и когда пользователь перемещает руку к объекту, алгоритм обработки оценивает, как лучше всего расположить пальцы, чтобы захватить объект. «Это не сложный алгоритм, чтобы определить, будет ли лучше использовать штатив или указательный и большой палец, поэтому, когда рука приближается к объекту, пальцы перемещаются в лучшее положение. Все, что нужно сделать пользователю, это закрыть руку, когда он достигнет объекта ».

Назарпур добавил, что это технология перехода, но она достижима при использовании современного оборудования. «Дело в том, что мы не должны бояться использовать различные виды входных данных, если это поможет нам», - сказал он.

По его словам, подобная система может быть использована на протезе ноги. камера, отслеживающая впереди стопы, может вывести протезную стопу в наилучшее положение, например, чтобы помочь пользователю подняться по ступенькам.

USB для тела


Cambridge Bio-Augmentation Systems (CBAS) - одна из самых амбициозных школ в области разработки новых технологий протезирования. CBAS разрабатывает стандартизированный интерфейс, который может быть хирургически имплантирован в культю руки или ноги, где он может интегрироваться с костью, а также напрямую соединяться с нервами. Роботизированная конечность затем подключается к интерфейсу, а также надежно фиксируется на выступающей части корпуса, чтобы зафиксировать ее на месте. «Думайте об этом как о USB-порте для тела», - объяснил соучредитель Оливер Армитаж.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку
Оливер Армитидж с манекеном прототипа прототипа устройства интерфейса. Ниже приведена схема протезного устройства CBAS с роботизированной рукой.

Будущее протезирования: путь к бионическому человеку

По словам Армитиджа, CBAS сосредоточена на разработке интерфейса, а не конечности. Система будет с открытым исходным кодом, чтобы позволить специалистам по робототехнике самим разрабатывать протезы. «Это дает нам наилучшие шансы на разработку технологий, снижение затрат и позволяет другим экспертам играть свою роль», - сказал Армитидж.

Armitage - это биоинженер, специализирующийся на соединениях разнородных тканей, таких как кости и сухожилия, что привело его к работе над тем, как синтетические материалы могут быть интегрированы в организм. Одно из новшеств, над которым он работал, - это метод, позволяющий избежать риска заражения. Наряду с костным имплантатом, стимулирующим рост натурального материала в металл, он разрабатывает смесь эластомеров и других мягких материалов, в которую может расти кожа, чтобы помочь создать водонепроницаемое, воздухонепроницаемое уплотнение между кожей и выступающей частью имплантата. Его соучредитель, Эмиль Хьюэйдж, является специалистом в области неврологии и машинного обучения.

В то время как Armitage рассматривает методы и материалы, которые могут соединить нервы с участком интерфейса внутри тела, Hewage рассматривает методы интерпретации всплесков электрических сигналов, производимых нервами, в формы, которые могут понять моторные контроллеры. Это будет работать в двух направлениях: сигналы от двигательных нервов будут отправляться на двигатели, управляющие суставами и пальцами протеза, тогда как выходные сигналы электронных датчиков в устройстве будут поступать в сенсорные нервы.

По словам Армитиджа и Хьюэйджа, прикрепление непосредственно к каркасу имеет множество преимуществ. «У вас есть постоянное соединение, поэтому нет проскальзывания и риска появления язв на коже культи», - сказал Армитаж. «Стрессы движения передаются непосредственно в скелет, который эволюционировал, чтобы справиться с ними. Нейронная связь уже установлена, и технология, которую мы будем использовать, подобна той, которая используется для кохлеарных имплантатов или глубокой стимуляции головного мозга при лечении болезни Паркинсона, но соединяется с периферической нервной системой, а не с мозгом ».

Еще одно преимущество, пояснил Хьюэйдж, заключается в том, что прямое вложение использует существующее чувство проприоцепции. «Если протез движется именно со скелетом, то он выполняет то, что естественно ожидает мозг, и мы просто подключаемся к этому»

Хьюидж соглашается с тем, что сенсорный вклад синтетической системы не может сравниться с богатством естественной конечности. «Но мы можем отправлять и получать информацию с той же скоростью, что нервная система работает не в ампутации», - сказал он. «И мозг очень хорошо заполняет пробелы. Мы не воспринимаем мир ни в чем подобном деталям, которые, по нашему мнению, мы делаем, ни глазами, ни чувством осязания. Наш мозг по существу использует сложные приемы обработки, чтобы заполнить то, что наши чувства не воспринимают от момента к моменту ».

CBAS - небольшая компания, имеющая около дюжины постоянных научных сотрудников и около 30 постоянных сотрудников в клинических и академических учреждениях в Великобритании и по всему миру. Тем не менее, компания проводит доклинические испытания, и Armitage заявляет, что надеется приступить к ранним клиническим испытаниям на людях в 2018 году. Целью является разработка стандартизированного интерфейса, который будет стоить около 10000 фунтов стерлингов за единицу и может быть включен в верхнюю или имплантаты нижних конечностей.

Человек за шесть миллионов долларов - все еще несбыточная мечта научной фантастики. Но рука Люка Скайуокера,  может быть ближе, чем мы думаем.