В мае 2016 года 62-летний Крег Пол поднялся на вершину горы Эверест. Три года назад Пол страдал от артрита и не мог даже подняться по лестнице. «Я хочу показать всем, кто сомневается в своих возможностях или чувствует себя старым. Там, где есть воля, есть и победа. Восхождение на Эверест превратилось для меня в эпическое путешествие», - писал Пол в своём блоге. Пол смог стать альпинистом благодаря нескольким сложным операциям и двум искусственным коленным суставам. По прогнозам экспертов , объём рынка имплантов и протезов колен и бёдер достигнет $33 млрд к 2022 году. «Секрет» рассказывает о его развитии.

Бионические протезы

Бионика соединяет биологию и технику, изучает нервную систему и нервные клетки, а также исследует органы чувств человека для создания новых технологических устройств. Одно из главных направлений этой науки - исследования, связанные с созданием протезов и имплантов. Электронные устройства заменяют утраченные органы и конечности, взаимодействуя с нервными клетками. Их производят из искусственных материалов, но человек может управлять ими при помощи собственной нервной системы за счёт метода целевой мышечной реиннервации. Его суть состоит в том, что нервы, которые раньше управляли, например, ампутированной конечностью, соединяют с сохранившимися мышцами и те посылают сигналы на электронные датчики протеза.

После ампутации конечности в организме человека остаются двигательные нервы, их хирурги соединяют с участками крупной мышцы - например, грудной, если речь идёт об ампутированной руке. Когда человек думает, что нужно пошевелить пальцем, мозг отправляет сигнал грудной мышце. Сигнал фиксируется электродами, которые отправляют импульс по проводам в процессор внутри электрической руки к нужному участку. Протез совершает движение.

Чтобы человек мог чувствовать прикосновения, тепло и давление электронной конечностью, хирурги пришивают оставшийся чувствительный нерв к участку кожи на груди, этот метод называется целевой сенсорной реиннервацией. Сенсоры протеза передают сигнал этому участку кожи, а оттуда он поступает в мозг, и пациент может одёрнуть руку, если чувствует, например, высокую температуру. Сейчас компании активно работают над внедрением бионических конечностей. В 2013 году появилась первая бионическая нога, которая полностью контролировалась мозгом.

Бионическое колено

Над созданием бионического колена задумались ещё в 1990-х. Компания Blatchford начала производство микропроцессора для контроля протеза коленного сустава, его выпустили в 1993 году под названием Intelligent Prosthesis. В 1997 году немецкая компания Otto Bock представила микропроцессор искусственного колена C-leg. В 2005 году исландская компания Ossur сделала электронный коленный модуль - Rheo Knee, а спустя год - протез с двигателем Power Knee стоимостью от $60 000 до $80 000.

По статистике, 52,5 млн американцев страдают от болезней суставов. Количество операций по замене колена за последние годы увеличилось втрое среди людей в возрасте от 45 до 64 лет. При этом каждый пятый пациент недоволен результатом. Пациенты часто жалуются на боли и невозможность чувствовать себя так, как с натуральным коленом. Компании - производители протезов постоянно работают над улучшением технологий и стараются устанавливать импланты, которые по ощущениям не отличаются от натурального колена. Канадская компания ConforMIS предлагает напечатать новую коленку на 3D-принтере. Стоимость импланта, созданного таким образом, составит около $4000. Разработанная в компании платформа iFit Image-to-Implant позволяет каждый раз печатать персональные импланты, подходящие конкретному человеку, и внедрять их за 70 минут. Сейчас компания работает над тем, чтобы персонализировать бёдра, плечи и лодыжки - все части тела, которые начинают болеть с возрастом.

Бионические руки и ноги

В 2012 году американец Зак Воутер, которому ампутировали ногу после аварии, при помощи бионического протеза поднялся по лестницам на смотровую площадку чикагского небоскрёба. «Когда Зак хочет сделать движение, мозг посылает вниз по спинному мозгу импульс к неповреждённой мышце. В протезе установлены электроды, которые контролируют эти импульсы. Специальная компьютерная программа декодирует полученные данные и передаёт их протезу для выполнения, будь то сгибание или выпрямление колена, сгибание лодыжки или приём сидячего положения», - объяснял профессор Чикагского университета Леви Харгрув.

Микрокомпьютер протеза собирал данные от 11 электродов, закреплённых на бедре Воутера. Роботизированная нога получала электрические импульсы от нервных волокон, пришитых к подколенному сухожилию американца во время ампутации, - они сохранили способность передавать импульсы в нижнюю часть конечности.

Проекты по созданию технологичных протезов часто поддерживают силовые ведомства разных стран, которым нужно возвращать к нормальной жизни ветеранов военных действий. В 2013 году специалисты Реабилитационного института Чикаго создали первую ногу, напрямую управляемую мозгом. Разработчики привлекли $8 млн от Минобороны США, а в ближайшие пять лет протез будет доступен для тестирования бесплатно. Тестировать бионические протезы могут не только люди с ампутированными конечностями - в 2013 году актёр и писатель Брент Роуз носил искусственную ногу для репортажа на сайте Gizmodo, и ему понравилось. Создатели хотят, чтобы их протез стоил как можно дешевле - около $20 000. В этом году учёные Университета Джона Хопкинса представили протезированную руку, пальцы которой контролируются мозгом, разработка велась при поддержке агентства Минобороны США DARPA.

Канадская компания Spring Loaded Technology, создатель бионического бандажа Levitation для колена, заключила контракт с Министерством национальной обороны Канады на $1 млн на поставку гидравлических наколенников. Устройство будут использовать военные для испытаний в боевых условиях. Позже компания привлекла $1,9 млн в посевном раунде от венчурного фонда Build Ventures. Компания собирается сделать продукт массовым, его смогут покупать спортсмены и любители фитнеса, чтобы защищать колени от травм и лишних нагрузок. В первый день краудфандинговой кампании на Indiegogo Spring Loaded Technology привлекла больше половины нужной суммы из $75 000. Предзаказ коленного бандажа обходился в $1200, в будущем цена поднимется до $2500.

Канадский наколенник можно назвать экзоскелетом - устройством, предназначенным для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц и расширения амплитуды движений. Портал SnapMunk писал в этом году: «Экзоскелеты сделали переход от научной фантастики к осязаемой технологии в военной и промышленной индустрии. Они помогут тем, кто болен параплегией, расстройствами мышц, имеет двигательные нарушения в повседневной жизни».

Наиболее прогрессивный экзоскелет Phoenix разрабатывает компания SuitX. Он будет стоить порядка $40 000, в то время как его конкурент ReWalk стоит $77 000. Phoenix весит 27 фунтов, это один из самых лёгких экзоскелетов. Параметры работы протеза можно установить в приложении для Android.

В прошлом году российская компания «ЭкзоАтлет», которая занимается производством экзоскелетов для людей с параличом нижних конечностей, привлекла 16 млн рублей от фондов Moscow Seed Fund и «Биофонд РВК». Пока компания распространяет бесплатные пилотные версии и планирует, что её экзоскелеты станут значительно дешевле зарубежных аналогов.

Эксперты прогнозируют, что объём рынка роботов для реабилитации, в том числе экзоскелетов, вырастет до $1,1 млрд к 2021 году.

Эксперименты

На конференции Code Conference 2016 предприниматель Илон Маск заявил: «Людям необходимо создать компьютеры, связанные с корой головного мозга. В противном случае мы будем настолько ниже роботов в интеллектуальном плане, что станем их домашними питомцами. Они будут относиться к нам, как сейчас люди относятся к домашней кошке».

Помимо создания протезов и имплантов биотехнологические компании ведут эксперименты по печати органов на 3D-принтере. Уже удалось напечатать сердечные и сосудистые ткани из стволовых клеток взрослых людей в рамках экспериментов. В 2015 году российская компания 3D Bioprinting Solutions напечатала щитовидную железу мыши, которая была успешно имплантирована. Человеческие 3D-органы сейчас всё чаще используют для предварительного планирования сложных хирургических операций. Так, несколько месяцев назад китайские врачи спасли девятимесячного ребёнка благодаря распечатанной заранее модели сердца. Американская Organovo уже производит ткани печени, используемые в качестве образцов для тестирования новых лекарственных препаратов на эффективность, токсичность и побочные эффекты.

Скептики утверждают, что полноценные органы напечатать невозможно, потому что они имеют сложную структуру. Наиболее вероятно воссоздание щитовидной железы, у которой нет сложной системы протоков для выведения продуктов деятельности. Однако и там возникает много вопросов, связанных с тем, как минимизировать риски.

В июне главный учёный в компании Techshot, давний партнёр NASA по части биотехнологий, заявил , что компания готова напечатать сердце со стволовыми клетками к 2024 году. В конце 2015-го Techshot разработала метод производства кровеносных сосудов из собственных стволовых клеток пациента и рассчитывает, что он поможет биологам в будущих экспериментах.

Фотография на обложке: Peter Endig / EPA

«Звёздные войны» незабываемая эпопея галактического путешествия, большинство сцен первых трех фильмов сразу вошли в историю мирового кинематографа. Одна из таких - момент, когда Люка Скайуокера оснащают высокотехнологическим протезом руки, потерянной в ходе поединка с Дартом Вейдером. Искусственная рука работает и выглядит, как настоящая к тому же, вероятно, передаёт тактильные ощущения. Практически является совершенным «бионическим», как принято называть сегодня такие вещи, протезом. Однако земным ученым до тех технологий, которые использовались когда-то давно, в далёкой галактике, ещё работать и работать.

Название «бионический» произошло от слова «бионика», т.е. прикладное направление науки, изучающая использование в технических устройствах, а также в системах принципов организации, функций, структур и свойств живой природы. Бионика неразрывна и параллельна множествам наук, например, биология, химия, кибернетика, физика, электроника, связь, навигация, морское дело и др.

Одним из самых важных направлений исследования, связанной с бионикой, являются бионические протезы и импланты. Главная особенность таких протезов заключается в их возможности воспроизводить функции утраченных конечностей и недостающих органов. Ниже приведены примеры относительных успехов из данной области.

Бионические протезы рук

В отличие от искусственных ног создание рук, выполняющих те же функции, что и природные, - чрезвычайно сложная задача. Трудно воспроизвести не только деликатные движения кисти, пальцев, но и способность осязания. На кончиках пальцев у человека расположены осязательные органы, самые чувствительные нервные окончания (недаром в средние века одной из пыток было срывание ногтей). Поэтому нет ничего удивительного в том, что к настоящему времени на сто процентов успешного проекта бионической руки не осуществлено. Однако есть интересные попытки.

Touch Bionics – компания, занимающаяся разработкой активных протезов i-LIMB, это проект в 2007 году стал коммерческим. Производимые компанией протезы являются миоэлектрическими устройствами, что означает «считывающие» биоэлектрические потенциалы, образующиеся в результате сокращения мышц на уцелевшей области конечности. i-Limb разработан таким образом, что на каждое сокращение разных мышц, он реагирует, осуществляя отдельные движения.

Пациент, обладающий данным протезом, может брать и удерживать любые предметы; серия i-LIMB Ultra делает возможным движение пальцев по отдельности; работа протеза основана на управляемом программном обеспечении, куда записан целый ряд стандартных движений и захватов, кроме того можно регулировать силу сжатия, что является просто незаменимым в определенных ситуациях.

Если i-LIMB находится в течение некоторого времени без действия, то протез возвращается в исходное положение. Изначально i-LIMB Pro разрабатывался для ветеранов боевых действий, которые утратили в бою свои конечности. Важно отметить, что эта разработка никак не связана с нервной системой человека. Иными словами, можно научиться им пользоваться, но невозможно научить сам протез выполнять действия, не заложенные программой. Bebionic3 - аналогичная модель i-LIMB является проектом миоэлектрической бионической руки. В число функций входит 14 разных положений и захватов, выполнение разных действия, например, использование компьютерной мыши и нажатие на курок водного пистолета. Не смотря на возможности i-Limb и Bebionic3 и дизайн, протез не может стать полноценной заменой настоящих рук, до этого еще далеко.

Ближе к настоящему предвещает стать проект ученых Технического университета Чалмерса. Сотрудники университета в конце прошлого года сообщили о том, что им удалось создать протез, работающий частично методом миоэлектрики и частично с помощью нервной системы: поступающие из мозга биоэлектрические сигналы перехватываются имплантируемыми электродами, которые затем пересылают полученное во встроенный компьютер. Система декодирует их в команды управления моторами. Обладатель может управлять как всеми пальцами сразу, так и по отдельности.

Разработчики уверяют, что их творение, по уровню интуитивности управления превосходит имеющихся на рынке активных протезов. Естественно, высшим пилотажем будут, искусственные руки, управление которых будет зависеть исключительно от нервных сигналов.

Наряду с учеными из университета Чалмерса американский медицинский журнал Lancet опубликовал материал нейробиолога Эндрю Швартца. Парализованная 53-летняя женщина, в результате тяжелого нейродегенеративного заболевания не может двигать телом, начиная с шеи. В ее мозг вживили крошечные электроды, благодаря которым теперь она может в полной мере управлять искусственной рукой. Теперь речь идёт уже о протезе, который управляется непосредственно мозгом. Как поясняет сам Швартц, разработанная им система «воспроизводит двигательные намерения обладателя».

Финансирование ученый получил от агентства передовых оборонных исследований при DARPA. Уже сегодня можно увидеть публикации нового прототипа бионического протеза, который передает в мозг тактильные сигналы, через специальные сенсоры, расположенные на кончиках искусственных пальцев, ладоней и запястья. В результате человек в буквальном смысле может чувствовать расположение протеза и то, что он сжимает. Это примитивные ощущения, но все же первый шаг к реальным. Кроме того, протез имплантируется с помощью материала, который можно носить не дольше месяца.

Бионические ноги

Не смотря на то, что протез ноги не требует большого функционала, как руки, однако создать бионическое устройство, которое обладатель практически не будет чувствовать сложно. Сделать его по ощущениям как натуральный до сих пор никому не удалось. А ведь здесь также работы ведутся довольно активно. На протяжении нескольких лет изучением разработок бионических протезов нижних конечностей занимается Университет Вандербильта. Их основной упор сосредоточен на создании коленного двигателя и двигателя около ступни. Первым носителем их устройства студент Крейг Хатто 23 лет. Несколько лет назад после нападения акулы он лишился ноги. Исходя из видеоматериалов, он может вполне хорошо ходить и по ровным поверхностям, и по наклонным, а снаружи только небольшая хромота заметна.

Искусственная нога это автономное устройство, которое оснащено достаточно мощным компьютером и не менее мощным программным обеспечением. Протез самостоятельно реагирует на каждое малейшее изменение. Также известно, что Хатто с этой ногой прошел расстояние до 14 км.

Еще одним творением Университета Вандербилта, только на этот раз вместе с Реабилитационным институтом Чикаго, была нога инвалида Зака Воутера, который смог подняться на 103 этажную высотку Виллиса в Чикаго. Данный протез сходится с нервными волокнами ноги, поэтому, грубо говоря, управляется «силой мысли».

Кроме перечисленных есть еще множество других достойных разработок, причём не только протезов. К примеру, «бионическая нога» Tibion, которая практически является экзоскелетом для ног. Она рассчитана на пожилых людей с парализованными конечностями, к примеру, в результате инсульта.

Искусственное сердце

Затрагивая тему бионических протезов, нельзя обойти стороной искусственное сердце. Проекты этого направления ведутся в течение уже более полувека, первые эксперименты проводились в начале 1950 года. А первая успешная имплантация сердца была проведена в 1982 году: результат работы Роберта Ярвикова – устройство Jarvik-7, было встроено двум пациентам. Первый смог прожить после имплантации 112 дней, второй - до 620 дней.

В ходе множества попыток полностью заменить настоящее сердце, разработчикам удалось создать устройства, которые предназначены на временную замену до получения донорского. К числу таких «сердцезаменителей» относятся Phoenix-7, SynCardia, AbioCor. На сегодня управлением по контролю за лекарствами и продуктами (США) одобрено только два устройства искусственного сердца: первая в 2004 году - SynCardia temporary Total Artificial (в результате 10 лет испытаний), вторая в 2006 году – AbioCor Replacement Heart.

К сожалению, первый опыт вживления AbioCor в 2009 году трагично закончилась. Пациент скончался через два месяца. После этого разработчик AbioCor прекратил производство искусственного сердца. Поэтому SynCardia, сейчас является лидером в данной области.

У искусственного сердца наблюдаются две неприятности. Часто организм отказывается принимать имплантируемое устройство и начинает активно его отторгать, также у пациентов, перенесших операцию по протезированию клапанных механизмов органа, наблюдается, как психологи его назвали, кардиопротезный психопатологический синдром. Он заключается в фиксации внимания пациента на работе имплантированного клапана, так как его работа сопровождается характерными звуковыми явлениями. Если представить, что внутри вас действует инородное тело и производит непонятный шум, то чувства этих пациентов сразу станут понятны…

Слуховые аппараты

В ряд бионических протезов также можно отнести и кохлеарные имплантаты, которые представляют собой медицинские устройства, включающие микрофон, звуковой процессор, а также передатчик, устанавливаемые снаружи, как на волосах, так и на коже больного, в состав устройства входит и приёмник, который имплантируется подкожно. Посредством хирургического вмешательства цепочки электродов вводятся внутрь слуховой улитки.

Основное предназначение кохлеарного имплантата состоит в стимуляции расположенного в улитке волокон слухового нерва посредством электрических импульсов. Аппараты выписываются людей с тяжёлым случаем потери слуха сенсоневральной этиологии. Импланты данного типа - это не ноу-хау. Методики стимуляции слухового нерва берут начало в 1950 годах, к началу 1951 относится первая попытка создания слухового устройства, которое предназначалось для использования в клинических условиях.

Первое «бионическое ухо», т.е. мультиэлектродный имплантат, пытались создать в 1978 году. Проект разрабатывался в Университете Мельбурна. В результате эксперимента разработчикам удалось реализовать коммерческий продукт, который ближе к 20 столетию частично вернул слух сотне тысячам больных всех возрастов (среди пациентов были и 6-месячные дети) со всего мира. Слуховой аппарат доступен среднему покупателю, вместе со всем процессом лечения обходился в 45-125 тысяч.

Устройства, впрочем, очень недёшевы: 45-125 тысяч за весь процесс лечения.

Искусственные глаза

Принцип работы Argus II заключается в следующем: специальная антенна, устанавливается на глазное яблоко (или около) и на специальные очки, которые оснащёны камерой и соединены с переносным компьютером. Сигнал поступает с камеры в компьютер, где проходит дальнейшую обработку, после чего переводится на приёмник и преобразуется в команду вживлённым электродам приступить к стимуляции уцелевших клеток сетчатки глаза, а также зрительного нерва.

Устройство содержит 60 электродов, что довольно не много, однако пациенты начинают различать формы предметов и читать буквы больших размеров. Не говоря о способности ориентироваться в пространстве, учитывая, что она сама по себе очень ценна. Сегодня существует множество компаний и научных учреждений, занимающихся разработкой аналогов данной системы, только с большим числом электродов, с помощью которых удастся слепым людям вернуть частично зрение.

Так еще одним имплантом стал Bio-Retina – это сенсор, разрешение которого 24х24 пиксель (в общем 576 пик.), его помещают на не функционирующую сетчатку и подключают напрямую к глазному нерву. Имплант переводит все данные от каждого пикселя в электрические импульсы так, что мозг смог вычленить оттенки серого цвета на получаемых изображениях.

Bio-Retina получает питание через специальные очки, которые проецировать на сенсор инфракрасное излучение. Устройство работает за счет получения трех милливатта энергии, вырабатываемых маленькой солнечной батареей. Этот проект новый и пока нет ни одного человека с имплантируемым Bio-Retina, однако первые пациенты намечаются уже в этом году.

Теперь ясно, что бионическое протезирование является процветающей быстроразвивающейся областью науки, к тому же в какой-то мере коммерциализованной. Не смотря на это, все бионические устройства, и могут имитировать работу «живых» органов, но не в силах заменить настоящие. И вряд это станет возможным в ближайшие десятилетия, так как слишком сложно устроен организм человека и слишком многое остается не разгаданным и непонятным.

Бионическая рука Вebionic получила репутацию одной из самых “продвинутой” бионической руки-протеза в мире. После просмотра недавнего видеофильм инвалида с рукой Bebionic становится ясно, что бионика достигла уровня, когда бионические протезы уже не неуклюжие и недостаточные замены рукам, но они существенно улучшают жизнь. Потому что они восстанавливают почти большую часть функций руки, которые были безвозвратно потеряны.

Рука Найджела Экланда была раздроблена в промышленной установке для измельчения металлических отходов пять лет назад. После несчастного случая он использовал несколько протезов рук ограниченного использования: от пассивной, чисто косметической руки, к открытому крюку с ремнем, прикреплённым к телу, к электрическому захвату с весьма ограниченной функциональностью. Недавно Экланд начал использовать последнюю третью версию бионической руки Вebionic (изготовленной компанией RSL Steeper), и она ему очень нравится. Движения бионической руки управляются электрической деятельностью двух основных неповрежденных мышц ампутированной руки. Рука снабжена 14-тью захватами и развивает очень приличное усилие в 99 фунтов. Счастливый Экланд хвастается своими новыми навыками в разбивании куриных яиц на видео, и завершает ролик бокалом пива.

Стандартная перчатка бионической руки Вebionic изготовлена из многослойного силиконового материала, который очень похож на кожу руки, и придаёт бионической руке очень реалистичный внешний вид. Экланд считает, что протез выглядит "слишком реальным" и решил носить протезную руку без перчатки, чтобы были видны металлические фаланги пальцев.
Компания RSL Steeper - не единственная компания, изготавливающая “продвинутые” бионические протезы рук. ultra компании Touch Bionics - другой пример очень удачной миоэлектрической рукой, доступной инвалидам. Но пациенты – и их страховые компании – не будут получать эти протезы бесплатно. И Bebionic v3 и i-limb ultra стоят порядка 15,000$ - 25,000$.

В то время как миоэлектрические протезы, такие как как Bebionic, всё улучшаются, другие разработчики бионики продолжают развивать протезы, которые управляются естественными сигналам и тела – электрической деятельностью нейронов. Присоединение поврежденных нейронов к бионической конечности смогло бы не только повторно соединить протез с управляющими нервами нервной системы, но могло потенциально также передавать сенсорные сигналы назад в мозг. И позволить инвалидам чувствовать, скажем, теплоту кофейной кружки или холод миски мороженого в их протезных руках. Но создание эффективного интерфейсного устройства нерв протез является невероятно сложной технической проблемой.

Ученые из университета Нью-Мексико придумали новый путь, который может сделать интерфейсные устройства достаточно эффективными, чтобы точно передать сигналы нейрона к проводке протеза. Их передовая технология, называющаяся “electrospinning “ (использующая достижения нанотехнологии), позволит соединять нейроны и наноэлектроды. Работа находится еще в ранней стадии доказательства принципа. Но однажды она сможет позволить инвалидам восстановить нейронное управление протезами в течение многих лет без потребности в повторных хирургических вмешательствах.

Как работает бионическая рука April 23rd, 2017

8 летняя Тилли впервые использует бионическую руку.

Я почему то думал, что до таких функциональных протезов наука на планете Земля еще не дошла. Однако же...

Как же это работает?

вот тут про эти протезы

До недавнего времени протезы прикреплялись к человеческому телу механически и не имели никакой связи с нервной системой. Они могли сгибаться в своих железных шарнирах-суставах, но для выполнения каждого движения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь. Таким образом человек сигнализировал своей ноге, что впереди лужа и ее нужно обойти, а руке — что нужно аккуратно взять яйцо и приготовить яичницу или, наоборот, крепко зажать в руке инструмент. Чтобы научить человека управлять новой конечностью таким образом, требовалось долгое время, да и набор команд был довольно ограниченным, поэтому мелкая моторика оставляла желать лучшего.

Но ученые, вдохновленные воображением писателей-фантастов, смогли сделать невероятное — присоединить механическую руку к человеческой нервной системе.

На перехват

Когда человеку без руки хочется пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который идет по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути «перехватить» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных сформировать команды управления роботизированной рукой? Именно по этому пути идут многочисленные научные группы, стремясь разработать протезы, считывающие нервные сигналы и преобразующие их в движения.

В американских Хьюстонском университете и Университете Райса велись эксперименты со снятием моторных нервных сигналов методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) с помощью электродов на коже головы. Сложность в том, что ЭЭГ — это набор большого количества разных сигналов, и задача выделить среди них те, которые управляют движением конечности, сродни поискам иголки в стоге сена.

Исследователи из Технического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) совместно с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того чтобы располагать электроды на поверхности кожи, где полезный сигнал сильно зашумлен, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшивая электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна, и нельзя заранее сказать, где именно следует расположить электроды для максимального соотношения «сигнал-шум».

Самообучение роботов

В настоящее время самым перспективным методом управления бионическими протезами считается считывание электрических потенциалов с мышц культи — электромиография (ЭМГ). Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом — все еще сложная проблема.

В лаборатории прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института пытаются перевернуть эту проблему с головы на ноги, то есть «обучить» протез правильно понимать команды человеческого мозга. Команда GalvaniBionix, состоящая из студентов и аспирантов МФТИ во главе с заведующим лабораторией Тимуром Бергалиевым использует для считывания электрических потенциалов с мышц не одну пару электродов, а множество. Такой подход позволяет добиться значительного повышения уровня полезного сигнала и реализовать алгоритмы «самообучения». Каждая комбинация сигналов, пришедшая с разных электродов, соответствует определенному действию руки, а задача в том, чтобы составить библиотеку соответствий, к которой будет обращаться система при получении нового набора импульсов. «Программное обеспечение учится правильно распознавать команды мозга, подстраиваясь под конкретного человека, — объясняет Бергалиев. — Нам удалось продемонстрировать работоспособность прототипа системы: человек с ампутированной конечностью с помощью «мышечных сигналов» мог перемещать курсор по экрану. В дальнейшем мы планируем использовать алгоритмы машинного обучения для анализа частоты регистрации различных комбинаций сигналов и с помощью этих данных улучшить распознавание».

Тимур Бергалиев, заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем Московского физико-технического института, руководитель проекта GalvaniBionix:

«Для управления протезами мы разрабатываем технологию, которая подстраивается под индивидуальность человека. На культе мы размещаем не одну пару электродов, как это обычно делается, а несколько. Чем больше электродов мы используем, тем б? льшую выборку сигналов для анализа получим. Да, таким образом мы сильно усложняем работу компьютера, поскольку процессору сложнее анализировать множество сигналов. Но зато значительно упрощается жизнь пациента».

Электрические руки

Протезирование начиналось с чисто косметических (пассивных) протезов, предназначенных сугубо для воссоздания естественного внешнего вида утерянных конечностей. Однако достижения технологии позволили разработать управляемые различными методами протезы.

Тяговое управление использует механические тяги для передачи движения протезу.

Электромиографическое управление основано на считывании биоэлектрических потенциалов, возникающих при сокращении мышц на уцелевшей части руки.

Электроэнцефалографическое управление использует считывание электрических потенциалов в мозгу посредством электроэнцефалографии (ЭЭГ). Сигналы с датчиков, размещенных на поверхности кожи головы, декодируются компьютером и преобразуются в команды, управляющие протезом.

Управление с помощью электронных имплантатов — вживленных в кору головного мозга электродов, с помощью которых регистрируется активность корковых нейронов.

Так что будущее уже рядом:

источники

Современная наука и медицина позволяют существенно облегчить жизнь больным, которым ранее не давалось никаких перспектив на улучшение самочувствия и реализацию в социуме. В этой статье мы ознакомим вас с 6 удивительными техническими достижениями современной медицины. Возможно, эта информация будет полезна для вас, и вы сможете воспользоваться предложенными новинками технического прогресса, делающими жизнь больных более насыщенной, позитивной и свободной.

Бионические протезы

Упоминание о бионических протезах вызывает у многих ассоциации с фильмом «Звездные войны». Искусственная рука может функционировать как настоящая, глаз «видит» и мозг «считывает» полученную информацию, ухо воспринимает все звуки – это далеко не весь перечень таких протезов.

Слово «бионический» произошло от слова «бионика», и оно обозначает использование технических устройств, способных воспроизводить структуры живой природы. Одним из направлений этой отрасли является создание протезов и имплантатов, созданных на основе множества наук – химии, физики, биологии, кибернетики, электроники, навигации и др. Они способны воссоздавать функции утраченных органов и конечностей.

Бионические руки

Создание этих протезов заняло много времени и сил, т. к. при создании искусственной конечности трудно воспроизвести такие деликатные движения, которые способна выполнять кисть человека. Это объясняется тем, что на кончиках пальцев расположены самые чувствительные нервные окончания, обеспечивающие предельную точность движений.

Пока ученые не смогли на все 100% повторить естественные возможности руки человека, но существует несколько интересных попыток, максимально приближающих функции протеза к обычной верхней конечности. Такие бионические устройства разрабатываются различными компаниями.

Протезы i-LIMB

Эти бионические руки выпускаются компанией Touch Bionics и изначально разрабатывались для ветеранов войны. Они способны брать и удерживать предметы, пальцы могут двигаться по-отдельности, воспроизводя несколько записанных стандартных движений, сила сжатия предметов может быть различной.

Работа протеза основана на свойствах микроэлектрического устройства, которое считывает биоэлектрические потенциалы с уцелевшей области руки и передает их на программное устройство, обеспечивающее дальнейшее функционирование бионической верхней конечности. В компьютерной системе содержится целый ряд стандартных движений и захватов.

Протезы Bebionic3

Эта разновидность миоэлектрического протеза аналогична бионической руке i-LIMB. Она способна выполнять 14 разных захватов и движений для воспроизведения разных действий. Как и протез i-LIMB, эта бионическая рука в процессе доработок, и после них может стать полноценной заменой настоящих верхних конечностей.

Проект биоруки ученых Технического университета Чалмерса

Ученым удалось создать биопротез, способный работать частично от миоэлектрики и частично от нервной системы инвалида. В руку пациента могут имплантироваться электроды, способные считывать производимые головным мозгом биоэлектрические сигналы. После этого сигналы поступают в компьютерное устройство, и система перенаправляет их в импульсы, управляющие моторами. В результате обладатель биоруки может управлять и всеми пальцами одновременно, и двигать отдельные пальцы.

Разработчики этой модели бионических протезов проводят работу над совершенствованием этой биоруки. Их стремления направлены на создание искусственной верхней конечности, которая будет управляться исключительно нервными сигналами, вырабатываемыми головным мозгом.

Разработка нейробиолога Эндрю Швартца

Благодаря этой разработке удалось провести операцию, которая была направлена на восстановление движений рукой парализованной женщины, страдающей от тяжелого нейродегенеративного заболевания, приведшего у полной утрате движений во всем теле. В ее мозг были имплантированы электроды, способные управлять биорукой.

Тактильные сигналы прототипа нового биопротеза руки передаются специальными сенсорами, встроенными в кончики искусственных пальцев, запястья и ладони. Такое нововведение позволяет человеку чувствовать не только расположение протеза, но и сжимаемые им предметы. Пока эти ощущения не могут в полной мере сравниваться с естественными ощущениями человека, а материал имплантата может находиться в организме человека не более месяца. Однако первые шаги к созданию идеальной бионической руки уже сделаны.

Бионические ноги

Несмотря на тот факт, что создание бионической ноги более легкая задача, чем разработка искусственной руки, пока ученые не смогли полностью приблизиться к естественному аналогу. Такие работы активно проводятся, и на протяжении нескольких лет ученым удалось создать ряд удачных бионических протезов нижних конечностей.

Университет Вандербильта проводит усиленную работу над созданием двигателей для ступни и колена. Первым человеком, испытавшим возможности такой бионической ноги, стал 23 летний студент Крейг Хатто, который лишился конечности в результате контакта с акулой. Анализ видеоматериалов о его походке позволяет делать выводы, что молодой человек может вполне хорошо передвигаться по различным поверхностям. Его хромота заметна лишь слегка, и Крейг смог пройти самостоятельно расстояние в 14 км. Протез может реагировать на самые минимальные изменения в условиях движения, т. к. он оснащен внушительным компьютерным и программным обеспечением.

Еще одной удачной разработкой ученых из Университета Вандербилта и Реабилитационного центра института Чикаго стала бионическая нога для Зака Воутера. Благодаря ее техническим возможностям он смог самостоятельно подняться на 103-этажный небоскреб. Секрет характеристик этой модели бионической ноги кроется в том, что протез может управляться сигналами, посылаемыми из головного мозга, и соединен с нервными окончаниями ноги.

Кроме вышеперечисленных бионических протезов существуют и другие достойные разработки искусственных нижних конечностей. Одной из них является бионога Tibion. Ее конструкция максимально приближена к параметрам скелета естественной ноги. Эта разработка была создана для пожилых больных с обездвиженными нижними конечностями (например, после кровоизлияния в мозг в результате ).

Слуховые аппараты

С помощью кохлеарных имплантов можно вернуть слух многим пациентам с тугоухостью.

Бионическими протезами можно считать и кохлеарные имплантаты, вживляемые в органы слуха. Они представляют собой устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика звукового сигнала, который может фиксироваться путем прикрепления к волосам или на кожу. Приемник, входящий в состав этого устройства, имплантируется под кожу пациента, а ряд электродов вводится во время хирургической операции внутрь слуховой улитки.

Аппараты этого типа изобретены уже давно: впервые они устанавливались уже в 1951 году. Первый кохлеарный имплантат был установлен в 1978 году. Он был разработан в Мельбурне и устанавливался людям с тяжелыми нарушениями слуха сенсоневрального происхождения. К 2000 году благодаря этой разработке ученых частично вернуть слух удалось тысячам больных, в т. ч. и детям до года. Сейчас такие операции могут проводиться и в России.

Искусственное сердце

С 1950 года начали проводиться первые эксперименты по созданию искусственного сердца. Первые имплантации такого бионического протеза были проведены в 1982 году. Jarvik-7 – результат научных исследований доктора Ярвикова – был пересажен двум пациентам. Тогда они считались успешными, т. к. могли продлевать жизнь больных даже на непродолжительные сроки. Один из них смог прожить после выполнения пересадки 112 дней, а второй – 620 дней.

Множество попыток заместить естественное сердце искусственным привело ученых к тому, что они смогли создавать модели, способные стать временным вариантом для поддержания жизни людей, нуждающихся в пересадке сердца от донора. Сейчас к числу таких бионических сердец относят такие два устройства: SynCardia temporary Total Artificial и AbioCor Replacement Heart. Лидером среди этих разработок стало искусственное сердце SynCardia temporary Total Artificial, т. к. первая имплантация второго варианта потерпела фиаско.

При выполнении пересадки искусственного сердца возможно появление такого риска для больного как отторжение устройства. Оно вызывается кардиопротезным психопатологическим синдромом и заключается в чрезмерной фиксации внимания больного на работе клапана, сопровождающейся характерным слышимым звуком. В результате пациенты пугаются такого сочетания звука и осознания того, что внутри них находится инородный механизм.

Бионический глаз

Одним из самых удивительных бионических протезов можно по праву считать искусственный глаз. Сложность его работы оправдывается тонким устройством естественного органа зрения.

Argus II

Принцип работы такого устройства как Argus II заключается в установке антенны в область глазного яблока и на специальные очки, снабженные камерой и соединенные с компьютером. Полученный визуальный сигнал фиксируется камерой и поступает в обработку на компьютерное устройство. После обработки он переводится на приемник и направляется к электродам, стимулирующим уцелевшие клетки зрительного нерва и сетчатки.

Argus II включает в себя 60 электродов, и они позволяют больному различать формы, очертания и цвет предметов и воспринимать шрифт больших размеров. Полностью восстановить зрение такое устройство пока не способно, но его использование позволяет человеку получать ориентацию в пространстве и социализироваться в более полной мере.

Bio-Retina

Этот искусственный глаз включает в себя сенсор, разрешение которого составляет 576 пикселей, его имплантируют в функционирующую сетчатку и соединяют с глазным нервом. Бионический протез преобразовывает данные пикселей в электрические импульсы и головной мозг. Bio-Retina работает через специальные очки, проекцирующие инфракрасное изображение на сенсорное устройство, подпитывающееся от солнечной батарейки.

Бионический миокард

Этот бионический протез создан израильскими учеными, и он может помочь множеству людей, страдающих от , избежать наступления смерти в ожидании трансплантации сердца от донора. Разработчикам удалось воссоединить ткань живого миокарда с наноэлектроникой и полимерными материалами. В результате полученные «заплатки для сердца» позволяют заменять существенно поврежденные участки этого жизненно важного органа. Ученые добились того, что такие биопротезы позволяют не только готовить больного к необходимой трансплантации, но и лечат сердце.