будущее протезирования

Предвосхищая будущее: последние разработки в протезировании

Исследования в области протезирования верхних конечностей ведутся во всем мире. Существующие биоэлектрические протезы мало изменились за последние 50 лет и имеют ряд ограничений, которые затрудняют их использование: отсутствие обратной связи; система управления, рассчитанная на снятие всего 2 сигналов (схват и раскрытие); необходимость в компенсаторных движениях для правильного позиционирования кисти (вызвано ограничениями степеней свободы). Сейчас даже дорогой протез — это скорее манипулятор из автомата с игрушками, чем замена руки.

Будущее протезирования верхних конечностей выглядит, наверное, так:

— инвазивные электроды для управления
— очувствление протеза
— появление новых степеней свободы
— нейроинтерфейсы.

Наиболее интересны и перспективны, на наш взгляд, следующие пять проектов:

1. DARPA MPL  — остеоинтеграция, инвазивное управление, протез полной руки с максимально похожей кинематикой, виртуальное обучение.


На сегодняшний день это единственный в своем роде биоэлектрический протез для протезирования вычленения плеча. Он обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, т.е. должны управляться пользователем.

Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках. Методика реконструктивной хирургии заключается в выделении в грудных группах мышц отдельных пучков, отвечающих за движение суставов руки (от плеча до фаланг пальцев). Затем выделенные группы “подшиваются” к определенным участкам кожи на груди, чтобы можно было считать сокращения мышц поверхностными датчиками. Либо датчики вживляются в выделенные группы мышц, тогда “подшивание” не требуется.

Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах, но увеличили их количество, по сравнению со стандартными коммерческими протезами. В протезе предплечья используются 4 электрода, в плече-8.

Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет задавать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку).

Уже появилась компания, которая будет представлять протезы LUKE arm (DARPA).
В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000

2. OPRA Osseointegration — остеоинтеграция, инвазивное управление.

Особенность протеза заключается в отсутствии культеприемной гильзы, вместо которой использован титановый штырь, вживленный в кость культи плеча методом остеоинтеграции. Титановый каркас создается из специального пористого сплава титана, через который прорастает костная ткань создавая единый жесткий каркас. По анатомическим особенностям такой способ крепления протеза существенно лучше стандартных технологий, т.к. обеспечивает максимально возможное надежное крепление протеза к телу человека, без люфтов. Кроме того культя не потеет, не образуются натерности и т.д. Остеоинтегрированный протез самый комфортный для повседневного использования.

Сложности существующих технологий остеоинтеграции заключаются в том, что среднее время жизни титановым имплантов — 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене импланта. Кроме того сама операция может пройти с осложнениями, что также снижает привлекательность процедуры для пользователей.

Электроды вживляются двух типов: к нервным окончаниям и к мышечным волокнам. Поскольку протез пока не обладает возможность передавать чувствительность обратно в ЦНС пользователю, то вживление сразу двух типо электродов связано с увеличением надежности считывания импульсов, а также с заделом на будущее, с целью создания очувствленного протеза на следующих этапах работ.

Управление хватом осуществляется по стандартной схеме как и с обычными поверхностными электродами, только человек выполняет просто фантомный хват пальцами, а не полноценно движение кисти вверх/вниз, необходимое для активации крупнейших групп мышц.

3. LifeHand 2 — инвазивное управление, очувствление протеза (интеграция датчиков обратной связи с периферической нервной системой человека).

Главная цель исследований — создание двунаправленной биологической системы управления протезами. Т.е. одни и те же электроды должны считывать управляющие сигналы с периферических нервов культи, к которым подключены, а также передавать обратное воздействие от датчиков, расположенных в кисти.

Особенностью используемых электродов является то, что они “подключаются” не к мышечной ткани, как обычные миоэлектроды, а напрямую к нервным волокнам, которые и передают управляющий сигнал к мышцам.

4. Проект искусственной кожи —  определение давления, температуры и влажности.Разработка принадлежит объединенной команде ученых из Южной Кореи и США. Внутри  гибкого прозрачного силиконового материала находится сетка из кремниевых нанолент, которые генерируют электричество при растяжении или сжатии. Благодаря разнице электрических импульсов обеспечивается тактильная обратная связь. Кремниевые наноленты также позволяют чувствовать температуру предметов.

Датчики влажности состоят из конденсаторов. Принцип работы основан на физических законах: когда полимер, окружающий конденсатор, поглощает воду, влага меняет свойства полимера в отношении сохранения заряда. Конденсаторы измеряют заряд, определяя тем самым уровень влажности окружающей среды.

Подобный протез должен выполнять множество сложных операций, таких как нажатие клавиш, способность держать чашку с горячим или холодным напитком, определение сухих и влажных поверхностей, рукопожатие и т. д. Большой раздел исследования, опубликованного в журнале Nature, посвящен алгоритму выполнения данных операций, а также испытанию работы датчиков. Например, датчик влажности проверялся в определении сухих и влажных подгузников.

Но ключевая проблема передачи сенсорной информации от искусственной кожи к мозгу человека не решена. Удалось передать информацию о давлении из кожи в мозг крысы, но, как отмечают авторы работы, для людей этот метод может быть небезопасен.

5. Искусственные мышцы — мощность (силовые характеристики) и пластичность (точность движения, гибкость).
Разработкой занимаются одновременно  несколько команд. Популярные «воздушные» мышцы McKibben были разработаны еще в 1950-х. Другой подход был у ученых из Массачусетского технологического института, они использовали волокна нейлона, которые при нагревании сжимаются, при этом увеличиваясь в диаметре, что заставляет их изгибаться.

Недавняя статья гарвардских ученых обещает мускулы ценой в $1 и силой, способной поднимать груз, превышающий их собственный вес в 1000 раз. Мышцы выполненны на основе техники оригами:

Каждая мышца состоит из запечатанного мешка, заполненного воздухом или жидкостью. Мешок имеет складчатую структуру оригами, которая функционирует как скелет. Когда с помощью электрического насоса давление внутри мешка уменьшается, вся структура сжимается, как мышцы в человеческом теле. И наоборот, при повышении давления структура распрямляется.

Авторы сконструировали десятки таких устройств на основе различных материалов скелета и «кожи», приводимых в действие водой и воздухом. Один вариант обеспечивает высокий уровень сокращения от исходной длины; другой дал точность, которая позволяет поднять цветок, не сломав его; третий просто сворачивается спиралью. По оценке ученых, система способна выдавать вшестеро больше силы на грамм собственного веса, чем весьма эффективные мускулы млекопитающих: 2,6 г искусственных мускул могут поднять объект весом до 3 кг.

 

Следует понимать, что протезы из представленных проектов не коммерциализированы и находятся в стадии разработок, недоступны к установке, а в исследованиях не решены проблемы интуитивного управления, обратной связи (сейчас на уровне вибрации и покалывания), воспроизведения мелкой моторики. Но Deus Ex, терминатор и Люк Скайуокер показали нам, каким должен быть протез. Мы стоим на пороге больших перемен в области протезирования.

Протез Мона Лизы

Дизайн: use your difference

Большинство протезов верхних конечностей имеют антропоморфный вид: пять пальцев и оболочка из силикона бежевого цвета для имитации кожи. Люди, использующие протезы, не хотят привлекать к себе внимание. Это касается не только косметических, но и биоэлектрических протезов.

Однако всё чаще появляются необычные модели в форме тентакля или четырехпалой кисти с разъемом для Lego.

Продуктовый дизайн отталкивается от функций устройства и удобства в использовании.
Современный протез — это скорее манипулятор, чем замена руки. Отсюда новые варианты дизайна.

Наличие всего 2 каналов передачи информации (традиционные 2 мио датчика) и характер управления приводят к тому, что  5 пальцев для протеза излишни. Всё, что мы можем делать сейчас, — это сгибать и разгибать кисть.
Рука при этом может выглядеть так:

image

Или так:

image

image

Всего мы выделили 5 возможных типов дизайна протеза.

1. Робо-рука. Можно увидеть в Терминаторе, Deus Ex, Безумном Максе. Протез напоминает руку робота черного или металлического цвета.

image

2. Перчатка.
Это может быть перчатка принцессы или супергероя, аксессуар для завершения образа или «золотая рука» Джейме Ланнистера.

image

Для Mercedes-Benz Fashion Week в этом году мы делали такой женский протез:

Интересны варианты, когда есть умная начинка и съемный каркас, который можно менять на свой вкус.

image

3. Инструмент.
С помощью протеза можно выполнять узкоспециализированные задачи. Для этого используется комплект съемных насадок. Протезы такого типа называют рабочими. Сюда же отнесем протезы-крюки. Помимо классических рабочих инструментов в протез может быть встроены устройство для нанесения татуировок или механизм барабанных палочек для более совершенного ритма.

Детские протезы-инструменты могут помогать в катании на велосипеде, стрельбе из лука или занятиях гимнастикой.

4. Игрушечная рука — протез воспринимают скорее как игрушку. В него могут быть встроены бластеры, лазеры или элементы Lego.

5. Носимая электроника. Аналогично часам, смарт-браслетам и очкам, протезы могут стать тем устройством, где отображаются необходимые пользователю данные и в которое встроены датчики пульса, температуры или GPS. Такой подход определяет протез как гаджет.

image

В новом году мы начинаем разработку детского биоэлектрического протеза. И еще не определились относительно его внешнего вида. Дети гораздо толерантнее и, наверно, эксцентричнее взрослых, которые маскируют травму. Зачем останавливаться на имитации, когда можно построить устройство с неограниченным функционалом?

Детские протезы руки

Какие детские протезы рук существуют в мире

Протезирование рекомендуют с года, иногда даже полугода.  К протезам верхних конечностей дети готовы, когда они начинают сидеть и использовать обе руки — в возрасте от 3 до 7 месяцев. Плюсы раннего протезирования — формирование привычки, увеличение диапазона движений в суставах поврежденной руки и симметричное развитие мышц верхнего плечевого пояса. Последние исследования говорят о том, что, чем раньше ребенок начинает пользоваться протезом, тем короче период адаптации, и тем чаще он будет использовать его в дальнейшем.

Первым протезом ребенка обычно становится косметический протез из силикона или ПВХ. Схват такой рукой не сделать, но тяжесть, хоть и небольшая, создаёт нагрузку на мышцы. Ребёнок учится придерживать протезом игрушки, опираться на руку.

Косметические протезы широко распространены, налажено производство по типоразмерам. В России косметический протез кисти, предплечья и плеча можно бесплатно получить по ИПРА в региональных протезных предприятиях. По отзывам, лучше выбрать оболочку Регал, которая не меняет цвет и легко очищается. При самостоятельном приобретении стоимость составит 20-40 тыс.руб. Косметические протезы хорошо зарекомендовали себя в случае частичных травм кисти, используется вакуумное крепление.

В Германии производят косметические протезы с полной детализацией — вены, родинки, акриловые ногти, — их стоимость от 100 000 руб.

Второй вид детских протезов — тяговые (активные). Протезы кисти работают за счёт движения лучезапястного сустава. Предплечья — локтя или другой руки. Плеча — за счёт разведения лопаток. Согнул руку — пальцы сжались. Разогнул — выпрямились. Или наоборот. В соревнованиях Кибатлон и Кибатлетика тяговые протезы пока легко побеждают биоэлектрические. Тяговый протез проще в управлении. Нет задержки в реакции, можно контролировать силу сжатия. При наличии сопротивления, когда предмет жёсткий, возникает своеобразная обратная связь. Минусы тяговых протезов, которые можно преодолеть в биоэлекрическом протезе, — это низкая сила сжатия и необходимость в компенсаторных движениях руки и тела.

Вернемся к тяговым детским протезам, которые есть в мире.

В Штатах распространены протезы-крюки. Между двумя металлическими частями можно зажимать предметы разной формы, управление по тяговому принципу:

В России детские тяговые протезы предплечья и плеча делают давно (патенты на конструкцию 1950ых гг). Основная претензия родителей — почему с тех пор протезы не менялись.

Пластик — из 50х лет 20го века! Ужас!!! — Вячеслав, Екатеринбург

Протезы делают пятипалыми и используют косметическую оболочку, схват кисти осуществляется за счет движения в локте или плечевом поясе. Сила схвата — 5-10Н (против 35-100Н биоэлектрического протеза).

Мы также делаем протезы антропоморфными, но дизайн при этом далёк от имитации здоровой руки. Протезы  подходят при травме кисти или предплечья. После разработки локтевого модуля, появится и протез плеча.

Протез позволяет выполнять схват в щепоть, держать небольшие предметы, у протеза кисти есть регулировка силы и очередности сжатия пальцев.

Каждый протез оснащается дополнительно функциональными и игровыми насадками — для скакалки, телефона, столовых приборов, фонарика — и даже позволяет играть в компьютерные/мобильные игры.

Активные детские протезы делают на open source площадках e-nable, open bionics и robohand.

Используется модель единой благотворительной площадки для конструкторов, владельцев 3D-принтеров и детей, которым нужен протез. В открытый доступ выложены файлы для печати элементов на бытовых FDM принтерах. Преимущества Open source в возможности сделать низкой стоимость изделия и привлечь к работе новых людей из других областей со всего мира. Именно robohand вдохновил нас в 2013 году.
Из минусов — низкое качество, отсутствие полноценной технической поддержки, не учитываются сложные индивидуальные особенности культи и нет программы подготовки к протезированию и последующей реабилитации.

Отдельно стоит выделить специализированные “рабочие” протезы. Это протезы для выполнения определенной узкой задачи. Например, катание на велосипеде, стрельба из лука или занятия гимнастикой.

В России такие протезы для детей делают редко, предпочитая универсальные решения, когда в протезе совмещены косметическая функция и функция схвата.

И, наконец, детские биоэлектрические протезы. Такие давно существуют.

Реклама Electrohand 2000 от Оттобока в журнале 1989 года:

Протез хорошо зарекомендовал себя в использовании детьми, поэтому за 30 лет он почти не изменился.

Около 2 лет существует женский (он же детский) протез BeBionic. Его вес 390 г ( на 30% меньше стандартных взрослых моделей), длина 16,5 см. Такая рука может подойти подросткам. Рыночная цена — 1,5-2 млн руб. В прошлом году компанию Steeper (производитель BeBionic) приобрел Otto Bock, возможно, в скором времени путем коллаборации появится новый протез для детей.

Детская кисть есть также у Touch Bionics и довольно сильно похожих на них Vincent Systems. Стоимость протеза около 2-4 млн. руб. Учитывая функциональные ограничения современных протезов — 2 миодатчика, ступенчатый выбор жеста, сложности крепления, низкая надежность, — такие расходы кажутся неоправданными.

Детские биоэлектрические протезы делают на травмы предплечья. При соединении с модулем локтя (пассивным/тяговым) возможно протезирование плеча. Touch Bionics известен тем, что выпускает также биоэлектрические протезы кисти (при сохранении части ладони или лучезапястного сустава). Стоимость такого протеза 2 года назад составляла 4,5 млн. руб., протез был установлен молодому мужчине в Самаре, и он был крайне недоволен устройством. Учитывая стоимость, ожидалась бОльшая функциональность, которая просто недоступна при существующих технологиях протезирования (только 2 миодатчика, устройство гильзы). Детские биоэлектрические протезы кисти Touch Bionics не делает.

И наш любимый биоэлектрический протез, совместимый с Lego. Его вряд ли получится использовать в жизни, но решение довольно смелое:

 

Коротко, можно выделить 4 класса изделий — косметические, механические, рабочие и миоэлектрические (бионические) протезы руки.

Косметические протезы выполняют декоративную функцию:

Преимущества Недостатки
Хорошо зарекомендовали себя при частичной ампутации кистей Отсутствие активного схвата
Небольшой вес Очень ограниченная функциональность
Простота в изготовлении и применении Дорогие индивидуальные силиконовые оболочки
Невысокие расходы на техническое обслуживание
Низкая стоимость (за исключением индивидуальной косметической оболочки)

Механические протезы работают по тяговому принципу:

image

Преимущества Недостатки
Стабильная конструкция Ограниченная сила захвата
Небольшой вес Ограниченная степень движений
Приемлемая цена Система тяг может быть некомфортной и ограничивать движения
Невысокие расходы на техническое обслуживание
Устойчивость к влаге, простой уход

Миоэлектрические протезы обладают более высокой функциональностью и являются на сегодня самыми современными протезами:

image

Преимущества Недостатки
Высокая сила схвата Высокая стоимость
Повышенный комфорт и большая свобода движений Увеличенный вес
Возможность выполнения нескольких видов схвата в зависимости от модели Хрупкая конструкция
Иногда привлекательный футуристичный дизайн Ненадежность механизма, частый ремонт
Необходимость в заряде аккумулятора

Благодаря множеству материалов в СМИ об очувствлении протеза и управлении силой мысли, кажется, что проблема уже давно решена, и, что используя open source, можно хоть сегодня заказать себе дешёвый, современный протез с полным функционалом.

image

На деле в США (госпиталь Шрайнерс, Лос-Анджелес) делают такие протезы:

И это на сегодня, пожалуй, самое функциональное решение для Вадима: тяговые протезы с двумя видами захватов — крюк и крокодил.

И в заключение хотим рассказать о KIDmob. В рамках своих детских образовательных программ по дизайну они уже дважды собирали в Сан-Франциско Superhero Cyborg Camp .  В этом лагере  дети 10-15 лет с травмами и патологиями развития рук придумывают себе протезы. Это серьезная проектная работа, недельный хакатон с командой взрослых исполнителей и готовым прототипом в конце смены.  В 2014 году он проходил при участии Университета Брауна , в 2016 — компании Autodesk и Калифорнийского Колледжа Искусств. В лагере тренируются «Навыки XXI века» — проектная работа, построение коммуникаций.

«Также мы хотели, чтобы дети увидели — они не ограничены протезами, которые есть на рынке, — сказал один из основателей KIDmob Кейт Ганим. — Они конечные пользователи, и если у них возникла идея, которой нет рынке, они могут реализовать её сами».

Если не рука, то что?

Задайте нам вопрос

Консультация со специалистом

Ответим на ваши вопросы и примем заказ на изготовление протеза





Подписывайтесь и получайте новости о нашем проекте





Наша рассылка: