ПРОТЕЗЫ КОНЕЧНОСТЕЙ
Людям, как биологическому виду, у которого есть конечности, в результате несчастных случаев, катаклизмов, болезней и прочих жизненных ситуаций, к сожалению, иногда свойственно их терять. Но поскольку человек обладает интеллектом, а цивилизация следует по технологическому пути, то еще с древних времен утраченные конечности научились заменять протезами. На нынешней стадии развития технического прогресса и научных достижений люди с физическими недостатками имеют большой выбор различных возможностей и ассортимент продукции протезной индустрии, а также полный ассортимент различного адаптивного оборудования. Сейчас в сфере протезирования, в основном благодаря развитию ИТ и синергии индустрий, наблюдается всплеск новых разработок и достижений. Основная цель, которую пытаются достичь ученые и инженеры всего мира - воплотить в искусственном изделии все функции живой руки или ноги. Все бионические устройства разных фирм, институтов и центров пока что не сильно похожи на свои естественные прототипы. Помимо прочих сложностей, основной элемент, которого не хватает всем разработкам - это похожая на настоящую кожа для наружного покрытия. Впрочем, вполне вероятно, что в скором времени эта проблема будет решена путем изготовления полноценной искусственной кожи - сейчас уже проводятся эксперименты по соединению в единое работающее целое нервной ткани и электронных устройств.
Практически до конца 20 -го века все изобретения в области протезирования были механического характера, в некоторых случаях сгибание регулировалось вручную. Основными проблемами протезов тех времен (да и, собственно, разработанных ранее конструкций, применяющихся во многих случаях до сих пор) были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, которые заменяли руку или ногу, не могли функционировать, как полноценный их прототип - это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу. Это и есть главный минус протезов - их «внешний» характер и низкая функциональность. Все, что остается делать их обладателю, это использовать их как элемент гардероба, который со временем изнашивается и становится непригодным к дальнейшей эксплуатации.
Протезы с внешними источниками энергии избавляют больного от силовой нагрузки как для обеспечения работы механизмов протеза, так и управления ими. Это чрезвычайно важно, если учесть, что при пользовании протезом больной должен производить эти действия много раз в день. Любой вид управления протезом с внешним источником энергии, с помощью тяги или контактный, требует незначительных компенсаторных движений сегментов конечности и усилий, а при биоэлектрическом и миотоническом способах управления больной полностью освобождается от необходимости использовать движения сегментов протезированной конечности для управления протезами.
ПРОТЕЗЫ С БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ В настоящее время в практике протезирования нашли применение протезы с биоэлектрическим управлением для больных после ампутации верхних конечностей на уровне плеча и предплечья. Протезы верхних конечностей с биоэлектрическим управлением имеют значительные преимущества перед протезами других конструкций. Управление протезом с помощью биоэлектрических потенциалов функционально, так как по своей природе приближается к естественному управлению здоровой рукой. Оно частично восстанавливает условнорефлекторные связи, утраченные после ампутации. Пользование протезом с биоэлектрическим управлением возвращает мышцам культи свойственную им функцию сокращения и расслабления, уменьшает атрофию, нормализует состояние других тканей культи, улучшает кровообращение и процессы обмена, избавляет больного от трофических расстройств культи. С помощью биоэлектрического управления больной освобождается от необходимости компенсаторных движений протезированной конечности и туловища, достигается точность выполняемых движений, поскольку кисть остается в исходном положении, а не перемещается, как это происходит при выборке тяги для управления тяговым протезом. Движения в суставах протезированной конечности используются для свойственной им функции, а не для управления протезом, как в протезах с тяговым управлением. Управление протезом возможно при любом положении протезированной конечности. При этом нет так называемых мертвых зон, наблюдаемых при пользовании тяговыми протезами, в которых невозможно управление протезом, так как оно зависит от взаимного положения сегментов конечности, надплечий и туловища. Все эти особенности способа управления за счет электрических потенциалов мышц культи значительно повышают функциональные возможности больного, расширяют диапазон трудовых и бытовых функций, доступных выполнению с помощью такого протеза.
ПРОТЕЗЫ С МИОТОНИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ В настоящее время практическое применение на некоторых протезно-ортопедических предприятиях нашел еще один вид протеза предплечья с внешним источником энергии — протез с миотонической системой управления одной или двумя парами движений. Кисть протеза с мотором и редуктором и блок питания такие же, как в биоэлектрическом протезе, а управление движениями кисти осуществляется давлением на датчик, выбранный для управления мышцей, за счет изменения размеров культи в момент сокращения мышц. Для срабатывания датчика необходимо, чтобы в момент сокращения управляющей мышцы поперечный размер культи изменился не менее чем на 3— 4 мм.
ПРОТЕЗЫ С СЕНСОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В настоящее время применяется протез плеча с сенсорным управлением функции кисти для больных с аномалиями развития верхних конечностей, имеющих недоразвитые кисть или пальцы с активной подвижностью их малой амплитуды и силы. В этом протезе используются кисть (с мотором и редуктором) и аккумуляторная батарея от протезов с биоэлектрическим управлением. Что касается системы управления, то применяется лишь усилитель мощности также от протезов с биоэлектрическим управлением. Электроды из нержавеющей стали, обеспечивающие контактный способ управления кистью, монтируются в приемной гильзе протеза. Их расположение и направление обусловливаются положением и направлением произвольной подвижности рудиментов пальцев кисти. Необходимы свободное расположение управляющих рудиментов в гильзе (вне касания с электродами) и возможность раз дельного прикосновения к электродам одним или двумя рудиментами при управлении функцией кисти протеза. При построении протеза учитывают анатомо-функциональные особенности недоразвитой конечности и ее укорочение. Подвижность плечевого сустава или надплечья с удовлетворительной силой мышц позволяет использовать активный локтевой шарнир с тяговым управлением. Отсутствие активной подвижности указанных отделов либо малая сила мышц свидетельствуют о необходимости построения протеза с пассивным локтевым шарниром с зам ком (секторным, с бесступенчатой фиксацией, кнопочный и др. ). Кроме того, если длина недоразвитой конечности равна длине плеча здоровой руки или несколько превышает ее, то показан протез с накладным локтевым шарниром. При подготовке к протезированию проводится тренировка активных перемещении рудиментов пальцев или кисти, а также подвижности плечевого сустава и надплечья с целью управления протезом.
Современные достижения в области протезостроения
Не столь давно в сфере протезирования появилось такое направление, как "биомехатроника", которое представляет собой соединение робототехники и нервных клеток человека. Задачей научных исследований в этом направлении является разработка искусственных конечностей, которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функциональность будет повторять оную у заменяемой конечности человека с максимальной точностью. Кроме создания роботизированных протезов, способных «вести диалог» с нервной системой, важным направлением является остеоинтеграция, то есть сращивание искусственного модуля и кости, что позволит обойтись без гильзы протеза. Эксперименты по сращиванию титановых имплантатов с кожей, мышцами и костной тканью проводятся регулярно, а некоторые компании (в частности, немецкая ESKA Implants с их технологией Endo-Exo) уже представили серийные разработки. Исходя из нынешнего уровня развития технологий, уже в скором времени человек, потерявший конечность, сможет почувствовать себя отчасти киборгом. . .
Протезы ног Согласно статистическим данным, наиболее часто люди теряют ноги. В нынешнее время современные протезы ног стали достаточно сложными и на потребительском рынке давно присутствуют, хотя и не слишком доступны с финансовой точки зрения, модели со встроенными микропроцессорами, которые можно программировать для более естественной ходьбы и других движений. Если не касаться вопроса изготовления культеприемной гильзы (в этой области тоже есть свои достижения, вроде применения углеволокна и прочих композитных материалов, но собственно "высоких технологий" немного), то протез ноги состоит из двух ключевых элементов, на улучшение которых и направлены усилия разработчиков - коленного модуля и стопы. Наиболее распространенными в реальной эксплуатации являются коленные модули C-Leg германской фирмы Otto Bock и Rheo Knee исландской компании Ossur. Эти протезы используют гидравлический привод с электромоторами, управляющие микропроцессоры, соответствующее программное обеспечение и батарею, питающую все компоненты протеза. Коленный модуль C-Leg фирмы Otto Bock - самый известный широкой общественности продукт, чье название (сокращенное от «Computer Leg» ) иногда даже используется, как нарицательное, так как присутствует на рынке аж с 1997 года. Функционально он существенно отличается от традиционных механических протезов, обеспечивая значительную гибкость в эксплуатации. В частности, C-leg имеет три режима работы, переключение между которыми происходит с помощью пульта дистанционного управления. В моменты отдыха модуль может принимать вес с отклонением от 7 до 70 градусов
Управление алгоритмом гидравлической системы реализуется с помощью микропроцессора, 50 раз за минуту обрабатывающего входящую информацию от сенсора давления и изменяет параметры работы. C-Leg не только не задумываются о том, куда и как поставить искусственную ногу при ходьбе (и способны передвигаться со средней «прогулочной» скоростью здорового человека), но даже катаются на велосипедах.
• Интеллектуальный электронный коленный шарнир Rheo Knee является совместной разработкой исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института и появился в продаже в 2006 году. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Микропроцессор контролирует параметры ходьбы при каждом шаге, фиксирует нагрузку и положение со скоростью 1000 раз в секунду во время фазы стояния и затем в соответствии с этим регулирует сопротивление движения в коленном шарнире путём нагнетания или откачивания из искусственного коленного сустава намагниченной жидкости.
Группа иследователей из Массачусетского технологического института и университета Брауна представила на всеобщее обозрение самую первую роботизированную ступню. Данная модель способна двигаться, используя сухожилиеподобную пружину и электрический двигатель.
В Технологическом Университете Делфта (Нидерланды) был разработан протез ступни, экономящий силу при ходьбе. Этот протез отличается от других традиционных конструкций тем, что он более легкий и комфортный в эксплуатации, а от современных биомеханических протезов - отсутствием внешнего источника питания и каких-либо силовых приводов.
Протезы рук Протезирование рук возможно с помощью двух принципиальных типов устройств: механических и биоэлектрических. Механические - протезы, как правило, максимально приближенные к внешнему виду руки, что позволяет человеку не выделяться из толпы. В некоторых случаях протез способен к захвату и удерживанию предметов с помощью бандажей, которые закрепляются к плечу, а при потребности кисть может заменяться на крюк (конечно, не такой, как в фильмах про пиратов, а более функциональный). Несмотря на то, что механические протезы существуют уже не одно столетие, предел их функциональности, похоже, давно достигнут. Поэтому дальнейшее развитие связано с биоэлектрическими протезами. Такие механизмы имеют в своей конструкции электроды, считывающие ток, вырабатываемый мускулами при их сокращении. Затем эти данные передаются на микропроцессор, который посредством команд моторам приводит протез в действие. Протез выполняет функции вращения кистью, захвата и удержания предметов. При этом биоэлектрический протез позволяет пользоваться такими миниатюрными вещами, как шариковая ручка, ложка, вилка и т. д.
Протез руки i-LIMB Hand, созданный компанией Touch Bionics, является последним достижением в кибермедицине. Управление им осуществляется интуитивной системой, в основе которой лежит миоэлектрическая технология - сенсор в виде металлической пластинки, соприкасающейся с кожей, улавливает нервные импульсы от мышц. Благодаря встроенным миниатюрным электромоторам I-Limb способен имитировать множество функций, присущих человеческой руке.
В своих продуктах Touch Bionics не обделила и тех пользователей, которые не желают скрывать искусственную сущность конечности и выглядеть подобно Терминатору. Специально для таких желающих был разработан вариант протеза в «прозрачной упаковке» , через которую видна вся начинка устройства. Спрос на такое исполнение обеспечивают, в основном, мужчины, причем в первую очередь - военные. В то же время и косметическое покрытие i-Limb впечатляет: попробуйте угадать по фото, какая из рук - искусственная.
• Несколько новинок в области протезостроения
Протез руки, разработанный государственной службой здравоохранения Великобритании совместно с шотландской компанией Touch Bionics. Протез, по многим показателям превосходящий существовавшие ранее, стоит 8500 фунтов. Протез управляется микроскопическими движениями мышц предплечья пациента, которые отслеживаются специальными электродами. Пациент может шевелить всеми пятью пальцами отдельно друг от друга. Очень высока подвижность большого пальца, что позволяет захватывать и передвигать любые предметы. Особое внимание уделено точности движений кончиков указательного и большого пальцев, за счет чего пациент может печатать на клавиатуре. В ходе испытаний протез был установлен 14 пациентам. Один из них, британский сварщик, потерявший руку более 30 лет назад, сказал: «невозможно поверить, что я способен шевелить пальцами и брать ими те предметы, которые раньше не мог» .
• Хью Хэрр, директор группы механотроники при испытательной лаборатории Массачусетского технологического института (МТИ), занимается созданием протезов на протяжении последних 27 лет, причем с нарастающим успехом. Хэрру было 17 лет, когда после неудачного альпинистского восхождения ему ампутировали обе обмороженные голени. Сегодня ему 45, и он один из самых выдающихся в мире специалистов по протезированию. Его цель — сконструировать искусственные нижние конечности, которые лучше настоящих ног. Любимый «подопытный кролик» Хэрра — он сам. «Я считаю, что людей с ограниченными возможностями не бывает, — говорит Хэрр. — Ограниченны лишь возможности технологий» . Хэрр выбирает себе «ноги» в зависимости от потребностей. Обычно он ходит на протезах со спрятанными в туфлях плоскими пружинами из углеродного волокна, но для пробежек трусцой меняет их на длинные карбоновые дуги. Отправляясь покорять горы, Хэрр надевает одну из множества сконструированных им самим пар специальных «ног» : длинные алюминиевые протезы с небольшой резиновой стопой, благодаря которым он превращается в гиганта ростом 2, 1 м, протезы со стопой в виде алюминиевых когтей, заменяющих альпинистские кошки, или клиновидные полиэтиленовые протезы-ледорубы. В последние несколько лет фантазия Хэрра работает, что называется, сверхурочно. В 2010 году компания i. Walk, которую Хэрр основал в 2006 году, планирует запустить в массовое производство Power. Foot One (по цене $10 000) — самый совершенный в мире роботизированный протез голеностопа.
Большинство протезов стопы топорно крепится к голени под прямым углом. Power. Foot, оснащенный тремя встроенными микропроцессорами и 12 сенсорами, которые замеряют мощность, инерцию и положение стопы, автоматически регулирует угол наклона стопы, жесткость протеза и уровень амортизации 500 раз в секунду. Благодаря сенсорному контуру обратной связи, аналогичному тому, что использует нервная система человека, и библиотеке образцов человеческой походки, Power. Foot подстраивается к ходьбе по склонам, наклоняет мыски при спуске по лестничным ступенькам и даже непринужденно покачивается, когда инвалид сидит, закинув ногу на ногу. Power. Foot — единственный в мире протез голеностопа, не зависящий от силы человека, который его носит. Оснащенный системой пассивных пружин и 225 -граммовой перезаряжаемой литийфосфат-железной батареей, протез (сделанный из алюминия, титана, пластика и углеволокна) обеспечивает ту же силу отталкивания от земли, что и человеческие мышцы и сухожилия, — 20 Дж. Power. Foot автоматически подстраивает свою мощность под скорость ходьбы, но мощность протеза можно увеличивать или уменьшать и в ручном режиме — при помощи мобильного телефона, оснащенного Bluetooth. Один из инвалидов, участвовавших в тестировании Power. Foot, признался Хэрру, что его здоровая нога часто устает раньше, чем культя, к которой прикреплен протез. «Впервые не человек передвигает протез, а протез передвигает человека» , — говорит Хэрр.
В аспирантуре Стэнфордского университета, студент по имени Джоэл Садлер и его одногруппники недавно создали недорогой протез нижней конечности, что работает почти также как титановые модели, продаваемые в США за $ 100, 000. Версия студентов стоит в пределах $ 20, что может быть интересно людям из развивающихся стан. Проект был представлен на Стэндфордской ежегодной выставке Cool Product expo.
• • • Сейчас сделан еще один шаг вперед в деле прогресса протезирования. Компания под названием Touch Boinics, которая специализируются на протезах верхних конечностей, разработала новый i-LIMB, полностью функциональный протез руки, который не только выглядит как настоящая рука, он также выполняет задачи намного сложнее, чем его предшественники, такие как поднятие монеты, указывание указательным пальцем или удерживание кружки. Рука i-LIMB управляется уникальной интуитивной системой управления, которая использует традиционные два миоэлектрических входа (мышечный сигнал) для открытия и закрытия пальцев искусственной кисти. Миоэлектрический рычаг использует электрический сигнал, генерируемый мышцами в оставшейся части конечности пациента. Этот сигнал подхватывается электродами, которые находятся на поверхности кожи. Поскольку большой палец i-LIMB теперь можно поворачивать в разные позиции, владелец имеет гораздо большую функциональность i-LIMB руки. Среди обычный функций сжимать и тянуть, возможно выполнение таких задач, как держание сумки и открытие дверей автомобиля, i-LIMBs конечности способны и на другие более точные задачи. Способность плотно обхватить объект гораздо больше, чем у человеческой руки с суставчатыми пальцами. Пальцы фиксируются в нужном положении, пока пациент не пошлет импульс через мышцы. Одним из последних улучшений в I-Limb системе является «реалистичная» I-Limb кожа для защиты рук от пыли и воды, которую разработала Touch Bionics. Это тонкий слой полупрозрачного материала, который был компьютерно смоделирован для точного окутывания каждого контура руки.
• • Исследователи Государственного Университета Аризоны разработали Sparky – новый протез, который может дать новую жизнь инвалидам. Sparky является первым протезом, применяемым в области рекуперативной кинетики, благодаря особенностям его конструкции устройство довольно легкое (четыре фунта), позволяя владельцу ходить по траве, цементу, а также осуществлять подъем и спуск по лестнице и склонам. Sparky применяется для экономичного расходывания энергии во время прогулки, - говорит Томас Сугар, профессор инженерного дела, который руководил исследованием. Сугар и его коллеги – Докторанты Хитт Иосиф и Матфей Холгейт, а также Барретт и Райан Беллманы, разработали и совершенствовали Sparky в течение трех лет в рамках гранта армии США. Для замены работы сухожилий Sparky использует активные пружины, работающие при опрокидывании лодыжки ног, позволяя тем самым использовать тягу пружины для осуществления следующего шага. Поскольку при этом сохраняется энергия, легкий двигатель используется для регулировки положения точно настроенной пружины, которая обеспечивает большую мощность, достаточную для походки. «Sparky делает ненужными старые пассивные устройства и позволяет владельцу достичь нормальной походки, которая при ампутированных конечностях является важным фактором для возвращения нормальных функций, » говорит Сугар. Sparky является не только активным протезом, но и позволяет сделать реальным более широкий диапазон движения, чем предыдущие устройства, он весит меньше, и это вызывает меньшую усталость владельца.
Создатели роботизированных протезов конечностей, иногда задумываются и о дизайне продукции, который радикально ломает стереотипы. Как и прочие, этот концептуальный протез "Immaculate" авторства дизайнера Ганса Александра Хусклеппа (Hans Alexander Huseklepp) непосредственно связан с нервной системой пользователя. Суставы построены так, чтобы обеспечить максимальную степень свободы - шарнирные элементы позволяют с легкостью осуществлять движения даже в более широких пределах, чем здоровая рука. Но в первую очередь "Immaculate" выделяется достаточно странным видом и позиционируется скорее, как аксессуар для людей, которые хотят выделиться и не скрывают факт потери конечности. Определенная логика в этом есть, ведь, например, очки, также выполняя реабилитационную функцию и будучи весьма заметными (и тем самым очевидно информируя окружающих, что у их хозяина плохое зрение), при этом стараются сделать внешне максимально эстетичными и подходящими к стилю владельца. В таком случае и протез конечности вполне может стать «аксессуаром» , раз уж его наличие необходимо.
Скачать презентацию ПРОТЕЗЫ КОНЕЧНОСТЕЙ Людям как биологическому виду у
20 Протезы конечностей.ppt