Протезы верхних конечностей бионический

В России ежегодно проводится более семидесяти тысяч операций ампутации конечностей: пятьсот вмешательств на каждый миллион человек. Это самый большой показатель в мире. К ампутациям приводят травмы, врожденные и приобретенные заболевания. Отсутствие руки резко ограничивает человека, без помощника он не может выполнять простейшие действия. Помимо физических страданий люди, потерявшие конечность, испытывают явный психологический дискомфорт.

Хорошо подготовиться к протезированию помогает общение с теми, кто прошел этот этап. Положительный пример воодушевляет, настраивает на работу, дает понимание необходимости приложить усилия, чтобы вернуться к привычной жизни.

Существует несколько принципиально разных видов протезов рук.

Косметический протез имитирует настоящую руку. Однако с его помощью невозможно сделать что-то сложное: он практически нефункционален.

Активный (тяговый) протез позволяет освоить некоторые точные движения. Можно научиться писать ручкой или пользоваться столовыми приборами. Протез требует бережного отношения, чтобы не повредить эстетичную оболочку, ремни тягового бандажа могут натирать.

Рабочий протез стоит недорого. На культю руки одевается приемная гильза с адаптером для присоединения различных рабочих насадок, которые нужно менять при смене вида деятельности. За счет этого функционал большой, однако выглядит протез неестественно.

Бионические протезы – наиболее прогрессивные, появившиеся на стыке трёх наук: робототехники, механики и биологии. Они максимально приближены к действию человеческой руки и значительно повышают качество жизни. Благодаря им люди в совершенстве осваивают такие сложные действия, как приготовление еды, завязывание шнурков, рисование, работа за компьютером. К минусам бионических рук относится их высокая стоимость. Плюсов значительно больше: человек ведет привычный образ жизни, выполняя руками все необходимые ему действия.

Самые высокотехнологичные бионические протезы рук в мире сегодня являются:

Touch Bionic от исландского производителя OSSUR,
Michelangelo от немецкого концерна Ottobock,
BeBionic от британской компании Ottobock.

Преимущество компании ОРТОКОСМОС заключается в том, что они работают со всеми фирмами-производителями протезов. Для каждого пациента их специалисты подбирают протез, учитывая его индивидуальные потребности и возможности. Попробуем сравнить три бионических протеза руки, указанных выше.

Touch Bionic от OSSUR

Линейка кистей i-limb Touch Bionics содержит три модели, любая из которых помогает человеку полностью себя обслуживать. Все кисти i-limb обладают удобным схватом, в них реализована возможность отдельного движения каждого пальца, вращения большого пальца. Уникальное программное обеспечение помогает точно настроить разные виды хватов и подстроить их в процессе эксплуатации протеза. Все доступные хваты отображаются на страницах мобильного электронного приложения.

Бионический протез руки i-limb access управляется мышцами. Современное программное обеспечение считывает спецсигналы мышц (триггеры), выбирает и выполняет определенный автоматический хват. Доступно 12 видов предустановленных хватов, обеспечивающих дополнительную точность движений. Реализована функция увеличения скорости движений, что придаёт движениям большую естественность.

Искусственная кисть i-limb ultra обладает всеми возможностями i-limb access, однако в ней уже запрограммировано 14 видов хватов. Кроме того, включена функция vari-grip, с помощью которой можно, по желанию, приложить большую силу сжатия предмета и есть опция auto-grasp, предотвращающая выскальзывание предмета. Если сенсоры почувствуют соскальзывание — кисть сожмётся автоматически. Сгибание кисти помогает более точно выполнять сложные движения, к примеру, ближе подносить стакан ко рту.

Кибернетический протез руки i-limb quantum реализует максимальное количество вариантов управления доступа к захватам, в том числе — управление жестами. Когда пациент держит руку в определенной позе — компьютер считывает движение, которое требуется сделать. Управление вращения большим пальцем ручное и автоматическое (можно выбрать). Повысить скорость движения кисти можно в одно касание, с помощью ползунка на дисплее (быстрый хват).

Протезы компании Ottobock

Электрокисти Myo (Система протезирования MyoBock) изготавливаются в нескольких вариантах.

Электрокисть 2000 создана для детей в возрасте от полутора до тринадцати лет. Несложный механизм позволяет делать простой хват, которого достаточно для большинства бытовых действий.
SensorHand Speed оснащена автоматической системой стабилизации захвата и функцией гибкого захвата. Вариант с закладным кольцом обеспечивает пассивный фрикционный поворот кисти.
MyoHand VariPlus Speed – усовершенствованная модель SensorHand Speed, которая обладает способностью точно и быстро захватывать предметы. Пользователь может выбрать шесть программ управления и подстроить их под свои нужды.
Системная электрокисть DMC plus имеет быстросъемный шарнирный механизм, а также — сниженный риск непреднамеренного раскрытия кисти за счет двух независимых систем пропорционального управления скоростью и силой хвата.
Системная электрокисть Digital Twin с быстросъёмным лучезапястным механизмом, с цифровым и двухканальным режимом управления. Переключение происходит с помощью штекера.

Обратите внимание! У всех вышеперечисленных моделей существуют варианты с быстросъемным механизмом, закладным кольцом и резьбовой цапфой. В экстренном случае раскрытие кистей возможно благодаря интегрированной фрикционной муфте.

Транскарпальная кисть DMC plus с закладной пластиной не обеспечивает поворот кисти. Осуществляется тонкая подгонка максимально удобного положения кисти после изготовления гильзы. Однако она обладает более точным и крепким хватом.
Транскарпальная кисть Digital Twin с закладной пластиной также не дает возможности поворота кисти. Управление возможно цифровое и двухканальное, переключение с помощью интегрированного функционального штекера.

Несомненным плюсом этих изделий является относительно невысокая стоимость, что делает электрокисти более доступными для пациентов.

Michelangelo от компании Ottobock

Бионическая кисть Michelangelo изготовлена из материалов, имитирующих кости, мышцы, суставы, сухожилия, поэтому выглядит естественно и на ощупь напоминает настоящую. Лучезапястный сустав овальный, наиболее приближен к естественной форме. Интегрированный шарнир AxonWrist позволяет осуществлять вращение, сгибание и разгибание, человеку не нужно принимать неестественные позы для управления протезом. Реализована возможность независимого изменения положения большого пальца. Это можно делать вручную или с помощью миоэлектрических сигналов. Кроме большого, активными являются средний и указательный пальцы. Мизинец и безымянный пассивно следуют за активными пальцами.

Кисть легко меняет направление движений, захватывает небольшие предметы и даже денежные купюры. В общей сложности бионическая рука может принимать семь позиций, этого достаточно для большинства бытовых действий, к примеру, шнуровки и перелистывания страниц книги. При отсутствии необходимости действий, протез возвращается в нейтральное положение и выглядит как естественная расслабленная кисть.

Биоэлектрические протезы рук от компании Ottobock подходят для детей и взрослых. Они функциональны и обеспечивают легкое выполнение повседневных работ. Бионические протезы рук эстетичны, обладают высокой силой хвата и достаточной свободой движений, комфортны в использовании.

Недостатки моделей: высокая цена, повышенный вес, необходимость в регулярной подзарядке аккумуляторов.

Бионические протезы. Общие недостатки

Современные протезы рук функциональны и просты в управлении, однако и у них есть недостатки. Об этом стоит поинтересоваться заранее, чтобы знать, 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. Дорого стоят не только сами протезы, но и расходные материалы к ним: зарядные устройства, аккумуляторы, внешние оболочки-перчатки. После окончания гарантии придется платить сервисной мастерской в случае поломки устройства. Ремонт такого высокотехнологичного устройства стоит немало. Быстро изнашиваются силиконовые перчатки, их приходится менять дважды в год.

Необходимость в подзарядке. Обычно зарядки аккумулятора хватает на пользование бионическим протезом в течение дня, максимум — суток. При нахождении дома это не так сложно, если, конечно, электроэнергия подается бесперебойно. Неудобства возникают в поездках, путешествиях.

Некорректное управление. Кибернетика развивается, учёные постоянно совершенствуют модели искусственных рук, однако это техника, и она может давать сбои. Бывает, что миоэлектрические датчики срабатывают неправильно, чаще же — правильно, но медленнее, чем хотелось бы. Это обусловлено тем, что связь мозг-протез опосредована. Поэтому к замедленной реакции протеза нужно просто привыкнуть, выработать свою тактику повторяющихся действий.

Чувствительность к влаге. Бионические протезы портятся от воды и сырости. Их обязательно нужно защищать специальной перчаткой от дождя и повышенной влажности, а принимая душ или ванну — снимать. Плавать в бассейне или естественном водоеме с бионическим протезом тоже нельзя. После посещения туалета рекомендуется протирать протез влажной салфеткой.

Покраснение кожи. Может возникнуть в месте контакта кожи с приёмной гильзой в первые дни пользования протезом. После снятия протеза проходит самостоятельно, поэтому начинать ношение протеза нужно постепенно.

Длительный период обучения и привыкания. Рекомендуемый срок обучения — 20-30 часов. Однако даже простые действия, которые вы освоите на первых занятиях, позволят вам выполнять широкий спектр ежедневных действий. Обучение позволит освоить точные движения, сделать пользование кистью более комфортным.

Непредсказуемое управление протезом и мышечная усталость. Могут возникать в начале освоения протеза, если человек не делает перерывы для отдыха, торопится осваивать всё новые приемы и варианты движений.

Компания ОРТОКОСМОС может изготовить любой протез от простого косметического до самого современного бионического. Для каждого пациента специалисты компании подбирают протез, учитывая его индивидуальные потребности и возможности.

Бионический протез — электронно-механическое устройство, управляемое нервными импульсами. Для каждого человека нужно индивидуальное изделие, которое будет учитывать его вес, рост, длину шага, силу хвата и ряд других особенностей.

Во время ампутации двигательный нерв выводится на крупную мышцу. С помощью гильзы со встроенным миодатчиком протез надевается на остаток конечности. При сокращении мышцы улавливается потенциал и передается сигнал на осуществление действия. Скорость совершения движений уступает живой руке или ноге.

Но такой протез может не подойти в некоторых случаях. Устройство не будет работать, если:

Мышечная система рук или ног развита слабо. Это возможно, если человек совсем не занимался спортом и физическими нагрузками.
С момента ампутации конечности прошло много времени. Мышечная ткань полностью атрофировалась, превратившись в соединительную.
Нарушена связь между головным мозгом и конечностями. Это может произойти в результате черепно-мозговой травмы или сосудистых заболеваний, приводящих к нарушению кровоснабжения головного мозга, например, при инсульте.
Аллергическая реакция на материалы протеза.

В первом случае ситуация поправима, — нужно тренироваться, развивать мышцы. Перед установкой протеза мышечную систему всегда проверяют. Если предплечье или ноги развиты слабо, изделие не сможет работать. Поэтому важно формировать и разрабатывать культю с самых первых дней послеоперационного периода.

Уровень ампутации и род деятельности — также немаловажные факторы при использовании протеза. Он не сможет помочь в тех случаях, когда необходимо возобновить определенный род занятий. Например, при управлении автомобилем или общественным транспортом нужна мгновенная реакция, а протез двигается с задержкой. Мелкая моторика тоже не восстановится в полной мере. Тяжелые предметы можно поднимать только при определенном уровне ампутации — экзартикуляции сустава запястья.

Из-за отсталой системы обеспечения средствами реабилитации высокотехнологичные искусственные устройства недоступны для людей с ограниченными возможностями в России. За счет государства (ФСС) можно получить только косметические нефункциональные конечности или простые механические протезы, в редких случаях — протез с внешним источником энергии. Максим хотел придумать вариант, который не уступал бы по качеству зарубежным изделиям, а стоил в 100 раз меньше.

1. По характеру ампутации: ампутация кисти, вычленение запястья, ампутация предплечья, вычленение локтевого сустава, ампутация на уровне плеча, вычленение плечевого сустава.

Виды модулей кисти, из которых состоит протез:

Односхватные протезы — первые образцы вышли в 1970–1980 годах, управляются с помощью ЭМГ-электродов, которые считывают мышечную активность (стоимость колеблется от 120 до 700 тыс. рублей).

Многосхватные, или мультифункциональные кисти — современные протезы, которые управляются также с помощью ЭМГ-электродов, но имеют сложный алгоритм управления. Имеют антропоморфную конструкцию, то есть пять независимых пальцев (стоимость — от 1,5–2,5 млн рублей).

2. По принципу работы — механические.

Управляются с помощью механического приведения и отведения плеча, предплечья (стоимость варьируется в диапазоне — 30–250 тыс. рублей).

Качественные полуфабрикаты, cамые распространенные в России, производит Otto Bock (Германия). Иногда производители покупают китайские полуфабрикаты (односхватные, механические), так как цена на них невысока, однако и качество таких изделий — низкое.

Многофункциональные кисти обладают расширенными возможностями, могут менять жесты и, что не менее важно, взаимодействовать с цифровым миром (бесконтактная оплата, возможность использовать ИИ для управления и софт для самостоятельной тренировки и реабилитации).

В больнице Максим прочитал статью про американского школьника, изготовившего протез на 3D-принтере. Он решил аналогичным образом изготовить собственный продукт. Ляшко окончательно выписали через полтора года поездок по разным больницам, во время которых он перенес множество операций. После этого молодой человек сразу приступил к выполнению задуманного. Проект первых механизмов Максим разработал самостоятельно, а принтер для их печати заказал в Китае. Основу собирал одной рукой, сам разработал и распаял печатную плату, составил программу на ПК и микроконтроллер.

После поисков устройства, с помощью которого можно было бы смоделировать детали нужной формы, молодой человек остановился на принтере SLA (СЛА), так как именно он давал нужные результаты, не ломался и служил дольше остальных.

Максим тщательно выбирал пластик для принтера: из шести привезенных продуктов стоимостью $100–200 тестовую проверку прошли только два образца. То же касается и ЭМГ-датчиков из США ($50 за 1 л), Португалии ($78), Китая ($48). На практике нужными характеристиками обладали только последние. В дальнейшем необходимые детали и оборудование закупались за границей, так как с приобретением российских продуктов возникали сложности. Например, ЭМГ-датчик продавали только в комплекте с оборудованием фирмы. Первые опыты прототипа протеза выявили много недочетов в конструкции, поэтому пришлось переделывать аппарат до получения приемлемого результата.

Всеми разработками Максим занимался без привлечения сторонних средств, используя лишь собственные накопления. Из-за недостатка денег проект развалился. Но затем удалось привлечь финансирование с помощью бизнес-ангела, и разработчик снова стал искать персонал. Обращался к знакомым, искал кандидатов в университетах и на сайтах по поиску работы. Отказ от услуг рекрутинговых агентств был сознательным — менеджеры не могли оценить профессиональные качества соискателей.

Тимур и Максим работали вдвоем, но в 2017 году разработчики зарегистрировали ООО. В техническую команду Maxbionic вошли шесть сотрудников: генеральный директор, директор по развитию, инженер-микроэлектронщик, промышленный дизайнер и два инженера-конструктора.

Изобретение протеза — кропотливый труд, для которого требуются знания электроники, механики, проектирования и менеджмента. Изначально в планах было дополнить исходную модель ротацией и сделать ее более подвижной: дать возможность пользователю сгибать кисть и поворачивать большой палец. После тестирования создатели поняли, что некачественные материалы делают изделие неэффективным, а надежность и прочность должны были стать главными характеристиками протеза. Поэтому было принято решение отказаться от 3D-печати. Создатели выбрали литье и механическую обработку (фрезеровку). Началась разработка проекта второго поколения.

Процесс выбора материала и технологии получения отливки внешней оболочки крайне важен. От материала будут зависеть цвет, тактильные ощущения, сцепление с поверхностью. От технологии получения отливки — твердость материала, качество образца, точность отливки. После полноценного тестирования вскрылись новые проблемы. Нужна была более крепкая конструкция. И в Maxbionic начали разрабатывать третью версию, которую назвали MeHandS. В некоторых движимых частях стали использовать детали с линией разлома.

Важным достижением создатели протеза считают автономность работы пальцев протеза. Гибкая платформа регулирования схожа со смартфоном: можно менять способ управления и обновлять прошивку.

Maxbionic подходит для людей, которые хотят не просто косметическое, а многофункциональное устройство. Каждая травма индивидуальна, поэтому и протезы настраиваются индивидуально под каждого человека, то есть меняются под пользовательские характеристики (такие как сила, скорость, экономия заряда).

Чтобы обучать клиентов пользоваться механизмом и настраивать его, разработчики специально создали собственное ПО Maxbionic. Оно доступно на Android- и IOS-устройствах, с его помощью выполняется адаптация протеза под пациента, отслеживается мышечная активность. ПО дает возможность выполнить тонкую настройку показателей силы, скорости, расхода питания, настроить тач-панель, получать информацию об активности использования протеза, применять различные упражнения для развития мышц культи и интуитивного управления протезом. Сейчас выпускаются тяговые протезы для людей с частичной ампутацией кистей MeHand Active, в которых используется трос Бодуэна. Благодаря этому сила схвата увеличивается в четыре раза. Правда, громоздкие ремни не очень удобны при ношении изделий. Второй способ управления механизмом — с помощью наклона запястья, но он не дает выполнить сильный хват ввиду слабости мышц предплечья.

Новую технологию создатели запатентовали. В 2015 году Maxbionic получил патент об уникальности разработок, а в 2017-м — на полезную модель и сертификат соответствия.

Производство в России, по словам Максима Ляшко, осложняется тем, что здесь невозможно заказать небольшую партию корпусов. Российские заводы не берутся за малые объемы из-за низкой рентабельности. Чтобы снизить себестоимость, корпусные детали заказывают в Китае — там их цена ниже. Однако качество китайских механизмов создателей не устраивает. Поэтому двигатели для Maxbionic заказывают в Германии, у компаний Faulhaber и Maxxon (на территории России есть дистрибьюторы, у них эксклюзив на продукцию на этом рынке).

Из последних разработок компании — завершение и передача в производство механизма, который будут устанавливать пациентам с отсутствием руки на уровне предплечья. Он отличается от применяемых в России аналогов индивидуальным дизайном, автоматической фиксацией захвата, наличием быстросъемного запястья, системами предупреждения соскальзывания и адаптацией формы схвата, поворотом запястья на 30°.

Всего на создание протезов было потрачено 7,5 млн рублей. Шесть из них были собственными средствами, а полтора собрали при помощи краудфандинга.

В одном из конкурсов проектов Maxbionic выиграл сертификат от компании Boomstarter. Именно сотрудники компании предложили молодым инженерам организовать сбор средств. Сначала Максим и Тимур сомневались, что такой способ привлечения финансов будет удачным. Не особо рассчитывая на успех, они сняли ролик. Целью было привлечение 1,5 млн рублей. Сбор проводили среди подписчиков группы ВКонтакте, на которую Boomstarter разместил ссылки. Задействовали и другие каналы: СМИ, профильные группы и сообщества. Чтобы стимулировать перечисление средств, организаторы сбора объявили, что все пожертвовавшие получат подарок. Этот шаг оказался ошибочным: иногда доставка подарка обходилась дороже суммы, полученной от человека. В этом случае людям звонили, объясняли ситуацию и предлагали вернуть деньги. Большинство относилось к ситуации с пониманием. Так при помощи краудфандинга собрали 1,5 млн: 500 тыс. мелкими суммами, а самое большое перечисление было от одного инвестора — миллион рублей.

Свои устройства Maxbionic продвигает через сети клиник и дистрибьюторов протезно-ортопедических средств.

Также Maxbionic сотрудничает напрямую с пациентами, которые помогают продвигать их услуги. Для этого в Instagram отбираются лидеры мнений. Разработчики изучают контент на странице кандидатов, оценивают их харизматичность и количество подписчиков. В дальнейшем идет совместная работа над информационными и рекламными постами, чтобы привлечь целевую аудиторию из числа конечных потребителей. Полученный трафик перенаправляют в локальные клиники. При этом создатели протеза отмечают, что сил для личного общения со всеми конечными покупателями у них нет.

Одним из амбассадоров компании стала Валентина Лаук. У девушки с рождения нет одной руки ниже локтя, что не мешает ей вести активную жизнь и выкладывать фото в соцсетях. Валентина занимается спортом и даже принимала участие в марафонских заплывах. На девушку вышли случайно.

До встречи с разработчиками из Maxbionic Валентина никогда не пользовалась протезом. Тем не менее, предложение ее заинтересовало. Валентина не только рассказывает своим подписчикам о новом протезе, но и дает создателям обратную связь: об удобстве использования, адаптации к искусственной конечности, функционале. Все доработки обсуждаются совместно, при этом пилотные модели остаются в собственности девушки.

Тимур и Максим продвигают свои изделия в профессиональных кругах: участвуют в специализированных выставках, демонстрируют образцы ведущим клиникам, размещают тематические статьи в СМИ. На выставке OTWORLD в Германии они познакомились с заинтересованными людьми и договорились о сотрудничестве. Так у Maxbionic появились представители во Франции и Греции. Разработчики сотрудничают с блогерами, совместно с партнерами изготавливают механизмы на заказ, создают видеоролики об искусственных руках. Для привлечения зарубежных инвестиций и обеспечения прямых поставок планируется открыть представительство в Швейцарии. Также, по прогнозам создателей, это облегчит проведение совместных исследований нейроинтерфейсов с компанией SensArs. Создатели компании собираются открыть лабораторию и заниматься биомехатроникой. Сейчас ведутся переговоры для привлечения инвесторов. Первые три модели были проданы в марте 2018 года и принесли инженерам около 2,8 млн руб.

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 ребята решили, что будут выходить на международный рынок.

В мире всего четыре компании производят подобные бионические механизмы.

Одной из самых крупных является Ottobock, чей главный офис находится в Дудерштадте. Уже 90 с лишним лет концерн помогает людям с ограниченными возможностями. Производит реабилитационную технику, ортопедические изделия, занимается протезированием и ортезированием. В своих изделиях использует только экологически чистое сырье.
Ossur — исландская компания по изобретению и производству ортопедической продукции. Механизмами можно управлять с помощью мысли благодаря микроэлектрическим имплантам.
Основной деятельностью международной компании Vincent Systems GmbH является создание протезов верхних конечностей для частичной или полной ампутации кисти. С 2009 года ее инженеры работают над созданием механизма, способного заменить человеческую руку. Их протезы гибкие, сильные, четыре пальца могут сгибаться в трех точках.
Перспективным конкурентом является компания TASKA, располагающаяся в Новой Зеландии. Она специализируется на водостойких протезах, позволяющих чистить картошку, стирать, мыть машину без перчаток.

По словам руководителей компании, их изделия будут актуальны всегда, ведь люди продолжают терять руки в результате несчастных случаев и травм. Не исключается, что с ростом объемов производства стоимость на протезы просядет. Пока многосхватные протезы являются эксклюзивным продуктом. Средняя стоимость протеза составляет $14 тыс. (импортного — $20 тыс.).

Рука человека — универсальный инструмент, способный как выполнять силовые операции, так и аккуратно и надежно удерживать хрупкие предметы. Утрата верхних конечностей является одной из древнейших проблем человечества, решение которой стало возможным благодаря научному и техническому прогрессу.

От железной руки до бионического протеза

Задачу замены утраченных конечностей человечество пыталось решить еще в античности. Самым известным протезом средневековья является "железная рука" рыцаря фон Берлихингена, сделанная в 1504 году. Протез был похож на железную перчатку с пятью пальцами, которые с помощью шестерни могли поворачиваться и фиксироваться, что позволяло удерживать предметы или оружие. Крепился протез к руке кожаными ремнями. Примерно в ту же эпоху подвижные искусственные конечности сконструировал француз Амбруаз Паре. В начале XIX века немецкий стоматолог и хирург Петер Балифф придумал способ управлять пальцами протеза при помощи движения локтевого сустава. Для этого были использованы тяги, закрепленные на плече пациента так, что при разгибании локтевого сустава пальцы разгибались и, наоборот, для захвата предмета протезом необходимо было согнуть локоть.

После Второй мировой войны для передачи движения пальцам протеза стали использоваться электрические двигатели. В конце 1960-х годов была разработана первая миоэлектрическая система управления, в основе которой лежат методы регистрации и анализа мышечных биопотенциалов (электромиограмма, ЭМГ) человека. Несколько электродов закрепляются на поверхности кожи человека и позволяют измерять электрические импульсы, которые возникают при напряжении и расслаблении мышцы. Эти импульсы через электронные преобразователи передаются к моторам, которые перемещают пальцы. Таким образом, при помощи напряжения и расслабления определенной группы мышц человек может управлять работой протеза. Такие протезы называются бионическими (от древнегреч. — живущее), то есть являются решениями, непосредственно заимствованными у живой природы.

Четыре вида протезов

Протезы верхних конечностей разделяются на две основные группы — пассивные (косметические и функциональные) и активные (тяговые и миоэлектрические).

Косметические протезы являются высококачественными муляжами здоровой руки, хотя и позволяют выполнять некоторые простые действия, например, поддерживание и толкание предметов. При этом технологии производства косметических протезов могут быть использованы при изготовлении съемных оболочек активных протезов.

К функциональным протезам относятся протезы с возможностью смены насадок, которые могут быть выполнены в виде различных инструментов — крюк, зажим, кольцо, гаечный ключ, молоток и др.

Тяговые протезы представляют собой простейшую версию активных протезов и приводятся в движение при помощи сгибания локтевого сустава, вследствие чего обладают ограниченной функциональностью за счет всего лишь одного варианта сжатия пальцев.

Электромеханические роботизированные (бионические) протезы являются наиболее эффективными решениями для протезирования, так как способны более точно копировать кинематику кисти руки здорового человека за счет использования нескольких независимых приводов для пальцев. Использование большего числа степеней свободы (как правило, пяти-шести) по сравнению с тяговыми протезами позволяет управлять положением пальцев, за счет чего становится возможным выполнение сложных сочетаний движений и реализация разнообразных положений пальцев (паттернов), что позволяет эффективнее захватывать предметы.

Особенности бионических протезов

Последнее десятилетие отмечено высокой активностью среди разработчиков антропоморфных манипуляторов захвата для роботов и бионических протезов рук. В подобных манипуляторах для роботов (DLR Hand II Аэрокосмического центра Германии, Shadow Dexterous Hand компании Shadow Robotics) используются до 22 приводов для управления пальцами, применяются тактильные сенсоры на контактных площадках. Система управления позволяет автоматически схватывать предметы различных форм. Но в качестве протезов подобные решения использоваться не могут из-за большой массы и габаритов предплечья, в котором размещаются сервоприводы. Поэтому, в отличие от антропоморфных манипуляторов, для роботов в бионических протезах используются ограниченный набор приводов и специальная конструкция пальца, в которой дистальная фаланга объединяется с медианной для снижения числа подвижных элементов. Это необходимо, чтобы снизить массу протеза и разместить электронику и моторы внутри кисти, так как автономная кисть позволяет выполнять протезирование с различной степенью ампутации предплечья.

Своими успехами разработчики бионических протезов обязаны последним достижениям науки и техники в области аккумуляторов высокой плотности, появлению различных сенсорных устройств, позволяющих бионической руке чувствовать и ощущать взаимодействие с объектами подобно человеку, компактных электрических моторов, высокая эффективность которых обусловлена прогрессом в области производства магнитов на основе редкоземельных металлов. А также микропроцессорам, способным с высокой скоростью обрабатывать информацию от множества сенсоров и принимать решение по управлению приводами пальцев для достижения заданного положения.

Благодаря 22 степеням свободы кисть человека позволяет выполнять сложные сочетания движений, захватывать предметы различной формы. Развитая система осязания дает возможность захвата предметов на ощупь, а также надежно удерживать и выполнять манипуляции.

Современные бионические протезы обладают широким набором вариантов сжатия, специально разработанных для повседневных задач. Управление режимами работы таких протезов может осуществляться как за счет регистрации биопотенциалов на остаточных группах мышц пользователя, так и электрической активности головного мозга, либо при помощи специальной панели управления.

Для пользователя на данный момент недоступно непосредственное управление движением каждого отдельного пальца протеза. Это обусловлено отсутствием коммерческих решений для интеграции с существующими бионическими протезами, а также сложностью в реализации устройств многоканального захвата биосигналов человека. В лаборатории прикладных кибернетических систем МФТИ под руководством Т.К. Бергалиева ведутся разработки в области человеко-машинных интерфейсов на основе биосигналов человека. В частности, там разработана восьмиканальная система управления на основе ЭМГ-сигналов, позволяющая регистрировать интегральную активность мышц предплечья, повышая тем самым количество управляемых степеней свободы. Для коммерциализации разработанной технологии была создана компания ООО "Гальвани-Бионикс", получившая поддержку Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Будущий пользователь может научиться пользоваться протезом с помощью специального программного обеспечения, позволяющего посредством миоэлектрических сенсоров управлять виртуальной моделью будущего протеза. К обучению можно приступать уже на ранних послеоперационных стадиях подготовки к установке бионического протеза, так как для установки протеза требуется изготовить индивидуальную приемную гильзу и может пройти продолжительное (до шести месяцев) время до сформирования окончательной культи.

Зарубежные разработчики протезов часто уделяют преувеличенное внимание количеству паттернов движения (жестов) пальцев, которое иногда доходит до 15-20. Для повседневного использования такое избыточное число не требуется и даже может создать неудобство, так как в течение дня приходится часто переключаться между наиболее подходящими паттернами, при этом используются, как правило, пять-шесть вариантов. При помощи бионических протезов человек может выполнять различные бытовые действия: пользоваться электро- и столовыми приборами, работать за компьютером, перемещать предметы и сумки, открывать емкости и бутылки, гладить белье, одеваться и многое другое.

Технически различаются два варианта компоновки бионических протезов:

Размещение моторов внутри ладони (BeBeonic 3 (OttoBock, Германия, 2012), Michelangelo Hand (OttoBock, Германия,2011), "Миотея" ПР2-Б1 ("НПФ Галатея", РФ, 2005), Stradivary (ООО "Моторика", РФ, 2016))
Размещение моторов внутри пальцев и, как следствие, возможность протезировать отдельные пальцы (iLimb Ultra (OSSUR, Исландия, 2008), Evolution 2 (Vincent Systems, Германия, 2015), Kleiber Solo (ООО "Клайбер Бионикс", РФ, 2016)).

Основные преимущества перспективных современных бионических протезов заключаются в следующем:

Способность надежно захватывать предметы разных форм
Аккуратный автоматический захват хрупких предметов с учетом развиваемых усилий
Возможность "осязания" объектов взаимодействия за счет обратной тактильной связи
Поворот кисти за счет дополнительных приводов
Стабилизация предмета за счет управления положением запястного сустава.

В России в настоящее время на рынке представлен только один бионический протез "Миотея" компании "НПФ "Галатея"", разработанный более десяти лет назад. "Миотея" является наиболее доступным решением, имеет одну степень свободы и может управляться при помощи одно- или двухканальной системы. В первом случае закрытие и раскрытие кисти производится при помощи одной мышцы, во втором используются разные мышцы. Данный протез значительно уступает по функциональности зарубежным.

Перспективными разработками доступных бионических протезов, не уступающих зарубежным аналогам по функциональности, занимаются отечественные компании ООО "Моторика" (Stradivary) и ООО "Клайбер Бионикс" (Kleiber Solo).

Компания "Моторика" представила первый в России детский активный тяговый протез "Киби", предназначенный для выполнения захвата небольших предметов. "Киби" изготавливается по индивидуальным меркам по технологии селективного лазерного спекания порошка. В настоящее время компания "Моторика" разрабатывает предсерийный прототип бионического протеза кисти Stradivary, обладающего шестью степенями свободы с размещением приводов внутри ладони. Протез Stradivary планируется оснащать специальным модулем с функцией умных часов.

Линейка разрабатываемых протезов Kleiber компании "Клайбер Бионикс" предназначается для людей с различной степенью ампутации верхних конечностей. Ключевой особенностью этих протезов является использование тактильных сенсоров, размещаемых на подушечках пальцев. Конструктивно тактильный сенсор представляет собой группу контактных площадок, покрытых иммерсионным золотом, поверх которой располагается чувствительный эластомер — композит квантового туннелирования (QTC). Это материал, который в нормальном состоянии является изолятором, но становится проводящим под действием внешних факторов: давления, натяжения или скручивания. Тактильный сенсор позволяет измерять не только нормальную составляющую приложенного воздействия, но и тангенциальную. Измерение последней позволяет значительно улучшить качество системы управления захватом, обеспечивая определение момента начала проскальзывания удерживаемого объекта. Протез дает возможность осязания взаимодействия с предметами, что обеспечивает аккуратный захват легких и хрупких предметов, а пользователь получает обратную тактильную связь. Кисть Kleiber Solo представляет собой сменный модуль, приводимый в движение шестью приводами, который может быть установлен на персональную культеприемную гильзу, а также предназначается для работы в составе протезов руки Kleiber Duo и Trio.

Пользователи протезов Kleiber и Stradivary могут самостоятельно настраивать конфигурацию или выбирать из набора готовых паттернов захвата при помощи специальных мобильных приложений, управление протезами осуществляется при помощи миоэлектрических модулей, входящих в комплект поставки. Заряда аккумуляторов хватает на 10-12 часов активной работы. Стоимость бионических протезов Kleiber и Stradivary в несколько раз ниже зарубежных аналогов.

Также компания "Клайбер Бионикс" совместно с разработчиком сервоприводов "РУ.Роботикс" проводят разработку бионического протеза руки выше локтевого сустава Kleiber Duo и Trio. В этих протезах для движения локтевого и плечевого суставов используются до четырех дополнительных приводов. Так, бионические протезы рук для пациентов с ампутацией выше локтевого сустава в данный момент представлены в США (APL's Modular Prosthetic Limb Университета Джонса Хопкинса и Arm System исследовательского центра DEKA Research) и Германии (DynamicArm компании OttoBock). Для управления такими протезами используются многоканальные системы регистрации биопотенциалов.

Одной из задач при разработке бионических протезов является преодоление так называемого эффекта "зловещей долины". В 1978 году японский ученый Масахиро Мори при исследовании эмоциональных реакций на внешний вид роботов обнаружил, что люди с симпатией относятся к антропоморфным механизмам до определенного предела человекоподобия. Максимальное же сходство с человеком, наоборот, вызывает у них тревогу, отвращение и страх. Этот крутой провал на графике зависимости симпатии окружающих от человекоподобия робота и получил название "зловещей долины".

Эффект "зловещей долины" распространяется и на людей, использующих протезы. Одним из способов изменить отношение к таким людям является популяризация протезно-ортопедического оборудования. Это происходит, например, во время Паралимпийских игр, а также впервые прошедших в прошлом году в Швейцарии соревнований среди людей с ограниченными возможностями Cybathlon, в которых одной из дисциплин было соревнование среди пользователей роботизированных протезов рук на ловкость и скорость выполнения манипуляций с предметами.

Возможное будущее (2025 год)

Благодаря достижениям науки и техники люди с ограниченными возможностями смогут в значительной степени восстановить функциональность руки и способность к самообслуживанию. Утрата верхних конечностей перестанет быть серьезной проблемой, влекущей за собой потерю трудоспособности. Ежегодно будут проводиться специальные соревнования среди людей с бионическими протезами, заявки на выплату компенсаций за установку бионических протезов руки начнут приниматься в режиме одного окна, а время восстановления утраченной трудоспособности из-за различной степени ампутаций составит не более двух недель. Но главное, здоровые люди перестанут испытывать дискомфорт при общении с людьми-"киборгами", а роботизированные протезы будут восприниматься как один из гаджетов, наподобие умных часов.

PDF-версия

Читайте также: