БИОПРОТЕЗИРОВАНИЕ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ

В современном мире идет активное развитие технологий и роботизации производств, однако уровень травматизма сохраняется. Согласно статистике около 12% людей на планете [1] имеют нарушения структур организма, снижающие его функциональность, что в свою очередь отражается на уровне физической и социальной активности человека, снижает качество жизни и становится препятствием при реализации профессиональной деятельности. Более 50 миллионов человек каждый год приобретают инвалидность [2] по тем или иным причинам, около 300 000 теряют ноги [3], а 390 тысяч – руки [4]. Утрата конечности не только приводит к физическим ограничениям, но также несет в себе и социальные проблемы для пострадавшего. Это все влияет на качество жизни человека.

Пытаясь уменьшить негативное влияние травмы, человечество изменяет инфраструктуру городов, адаптирует окружающую среду для лиц с ограниченными возможностями, а также прибегает к помощи искусственных конечностей – протезов. С развитием современных технологий выбором все чаще становятся биопротезы [5].

Биопротезы – это протезы конечностей, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые способны реагировать на биотоки, возникающие в организме человека. Именно благодаря созданию биопротезов появилась возможность вернуть утраченные функции организма, будь то конечность или внутренний орган, и возвратить человека к полноценной социальной жизни.

Целью нашего исследования было оценить качество и возможный функционал современных биопротезов, а также оценить перспективы их использования в существующих условиях.

Материалы и методы исследования. Для компиляции основных фактов применялся классический метод анализа литературы. Изучался материал из актуальных публикаций, содержащих информацию по современным бионическим протезам и истории их создания, реализации таких устройств в настоящие дни, подробному внутреннему строению высокотехнологичных протезов, а также информацию об успешных применениях таких протезов. Поиск осуществлялся не только среди печатных источников, но также и в Интернете.

Результаты исследования и их обсуждение. История протезирования. Развитие протезирования имеет длинную историю – от примитивных механизмов до сложных современных конструкций. И для того, чтобы углубиться в изучение современных технологий, необходимо проследить их изменения в ходе истории человечества.

Истоки ортопедической техники идут из Древнего Египта. Древнеегипетские протезы производились из ткани и дерева, их главным предназначением было вовсе не заменить утраченную конечность, но своим видом создать у человека чувство цельности, полноценного вида в обществе. Это стремление позволило выполнить первый функциональный протез большого пальца ноги еще в период 950–710 гг. до н.э. Данное изобретение было обнаружено в 2001 г. на раскопках в Саккаре [6]. Протез состоял из двух деревянных частей, соединенных кожаной нитью через отверстия, просверленные в древесине. Палец закреплялся с помощью ремешка.

Однако деревянные протезы имели множество недостатков, поэтому мастера начали поиск новых материалов. Так, в 1858 г. при раскопках в Италии был обнаружен первый металлический протез ноги, создание которого датируется 300 г. до н.э. Он был выполнен из бронзы и железа, с деревянным сердечником, располагающимся ниже колена. Такие протезы создавали лишь иллюзию новой конечности и по своей функциональности не позволяли вернуться к полноценной жизнедеятельности. Но на Апеннинском полуострове во времена Древнего Рима произошел один из известнейших случаев протезирования в Древнем мире. Ученым Плинием Старшим был описан уникальный железный протез правой руки, используемый генералом Марком Сергием [7]. Как командир он должен был держать свой щит и иметь возможность принимать участие в битвах, используя для этого железную руку.  

Человечество развивалось, вместе с ним прогрессировало протезирование, давая начало все более сложным и модернизированным устройствам, поэтому в Средние века созданием искусственных конечностей занимались не только кузнецы, торговцы и оружейники как люди, преимущественно работавшие с металлами и деревом. Кроме них, развитию протезирования способствовали представители других профессий. Так, например, часовщики были особенно полезны для добавления сложных внутренних механических функций с помощью пружин и зубчатых колес. Тем не менее базовой функцией протезов оставалась эстетическая замена, служащая человеку сокрытием уродства или травмы.

Активному развитию протезов способствовала начавшаяся эпоха Ренессанса, когда открылись новые перспективы для искусства и философии и произошел резкий скачок развития в науке и медицине. В это время широкое распространение получило забытое, но ныне широко используемое протезирование зубов, а именно в отличие от более ранних приемов применения человеческих зубов их изготовление, которое осуществлялось преимущественно из таких материалов, как железо, сталь, медь и дерево.

Из этих материалов также изготавливались не только зубы, но и протезы других частей тела. В летописях находятся упоминания, датирующиеся 1508 г., о немецком наемнике Гетца фон Берлихингена, применяющем для жизни усовершенствованные железные руки, которые управлялись с помощью пружин, подвешенных на кожаных ремнях [8].

С развитием технологий и представления людей о должном внешнем виде протезы претерпевали множество изменений в своей эстетической и механической части. Несмотря на это, особенности их крепления и фиксации длительное время оставались без изменений, оставляя желать лучшего. Благодаря Питеру Вердайну в 1696 г. был разработан первый протез ноги ниже колена, не требующий дополнительной фиксации [7]. Именно эта модификация протеза голени позже станет основой для современных протезов. Кроме того, существующие протезы из железа и меди Густав Герман предложил заменить на алюминиевые с целью сделать протез легче и функциональнее.

Но одного освоения технологий протезирования было недостаточно. Развитие медицины, а именно внедрение новых методов в область хирургии, позволило реализовать стремление максимально сохранить конечность, а также использовать меньший по размерам и весу протез, что привело к модернизации ампутации. Так, в 1843 г. Сэр Джеймс Сайм разработал способ ампутации лодыжки, не приводящий к удалению конечности до бедра [7]. Указанный подход приветствовался в сообществе инвалидов-ампутантов, так как это позволило ходить с протезом ступни, а не использовать целую искусственную ногу.

Таким образом, подводя итог развитию протезов в мировой истории, можно сказать, что они претерпевали существенные изменения. Искусственные конечности, от деревянных пальцев до механизированных устройств, дали возможность своим хозяевам не только чувствовать себя полноценными в обществе, но и частично позволили вернуть функции утраченного органа. Следует отметить, что некоторые протезы, созданные в прошлых веках, и по сей день являются основой для создания высокотехнологичных бионических протезов.    

Современный этап. Дальнейший прогресс в протезировании произошел в конце XX и начале XXI вв. Создание новых классов биопротезов напрямую связано с развитием микроэлектроники, медицины, нейрофизиологии, в настоящее время является одной из приоритетных задач модернизации отечественного здравоохранения. На сегодняшний день современный бионический протез представляет собой электронно-механическое устройство, большая часть которого создается из пластика [9, 10]. Основными компонентами конструкции таких протезов являются каркас, механика и система управления.

Для создания каркаса широко используются поливинилхлориды, стеклопластики, жесткие и эластичные пенопласты [11], а также легкие металлические сплавы, благодаря чему обеспечиваются прочность и долговечность протеза. Существует множество видов пластика, которые обладают различной температурой плавления, повышенной прочностью или эластичностью и другими важными в протезировании факторами [12]. Другая функция каркаса – защита электронных систем от различных повреждений. Под каркасом находится аккумулятор, в зависимости от емкости которого заряда хватает на период от 3 до 7 дней. Протезы покрывают силиконовой или резиновой оболочкой для повышения эстетических качеств.

Для повышения удобства использования протеза и улучшения его мобильности применяют механические системы. Бионический протез имеет встроенные механизмы, которые делают устройство подвижным. Например, в искусственных ногах используются гидравлические, пружинные или даже пневматические амортизаторы, обеспечивающие смягчение и распределение ударной нагрузки при движении [8].

Для контроля над протезом в нем устанавливают датчики нервных сигналов [13] и обрабатывающий процессор, который осуществляет управление приводами. Такая сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет вносить коррективы в свою работу, составляя систему управления протезом. Сегодня искусственные конечности уже имеют возможность программироваться так, чтобы принимать собственные решения с использованием камер и алгоритмов, однако о широком применении заявлять пока рано.

Для некоторых моделей ученые смогли разработать искусственный заменитель кожи, снабженный подобием рецепторов, благодаря которым протез способен «ощущать» прикосновения, определять их силу и передавать информацию к нервной системе [14, 15]. Такое усовершенствование позволило пациентам вновь испытывать проприоцептивные и тактильные ощущения.

До недавнего времени протезы крепились к телу пациента механически и не имели никакой связи с нервной системой. Любое движение в шарнирах-суставах требовало больших усилий, так как для его выполнения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь, совершая нефизиологичные движения мышц [16], что в свою очередь ограничивало набор выполнимых команд, поэтому мелкая моторика была практически невозможна. Теперь протезы рук обладают различным набором движений для повседневных задач, набором вариантов захвата и сжатия предметов. Управлять режимами работы данных протезов возможно посредством регистрации биопотенциалов нервных волокон, располагающихся в сохранившихся группах мышц конечностей, или же напрямую, считывания изменения электрических сигналов от головного мозга, а также при помощи специальной панели управления [17,18]. При желании пошевелить конечностью определенным образом возникает нервный импульс, который приводит к изменению электрического биопотенциала мышцы, что в свою очередь улавливается датчиками прибора.

Благодаря нейрофизиологическому принципу работы бионического протеза появилась возможность значительно упростить управление, а также частично вернуть пациенту ощущение обладания полноценной конечностью. При помощи бионических протезов человеку намного проще справляться с различными бытовыми действиями: пользоваться столовыми приборами, писать, работать за компьютером, завязывать шнурки, открывать бутылки, гладить белье, одеваться и многое другое [19].

Некоторые протезы позволяют активно заниматься спортом [20]. Для того чтобы начать пользоваться протезом и научиться правильно управлять им, нужна достаточная сила всех крупных и средних мышечных групп. Срок освоения протеза зависит от многих факторов, таких как уровень соматического здоровья, двигательная активность, уровень ампутации, функционирование мышц туловища и конечностей, изменение объемных размеров культи и др.

Задача лечебной физкультуры при ампутации конечности заключается в адаптации к протезу, укреплении мышц таза и культи, обучении управлению протезом, тренировке координации движений, устранении контрактур усеченной конечности, укреплении мышц сохранившейся конечности, тренировке ориентации в пространстве.

Усовершенствование способов ампутации и развитие протезирования позволяют сократить сроки реабилитации людей. Ранняя ходьба на высокотехнологичном протезе позволяет больному быстрее адаптироваться к новым условиям жизни, а также способствует формированию нового двигательного стереотипа, оказывает положительное влияние на психическое состояние больного.

Как и ранее, биопротезы несут эстетическую функцию. Они устроены так, что при установке требуется минимальное инвазивное вмешательство и как следствие – незначительное количество инородных материалов в суставе, что также обеспечивает малую болезненность.

Более совершенная конструкция не требует дополнительных ремней для крепления, поэтому сосуды не сдавливаются и не нарушается трофика тканей культи, что обеспечивает их нормальную жизнедеятельность [21].

В основе управления биопротезов заложены принципы работы здоровой конечности, в чем заключается их физиологичность. Такое управление не требует от инвалида неестественных компенсаторных движений для осуществления захвата предмета.

Прогресс в развитии очевиден, и люди, потерявшие конечности, перестают чувствовать свою неполноценность, спрос на биопротезы с каждым днем только растет. Но сейчас существует постоянная потребность в улучшении бионических протезов, которые были бы способны восстановить полные двигательные функции и сенсорные способности утраченной конечности [22]. За последние 20 лет их создания и использования был выделен ряд недостатков, которые требуют ликвидации. К сожалению, имеющиеся модели рук и ног не способны развивать значительных усилий, а также работают недостаточно свободно и точно. Решить эту проблему можно за счет технологии искусственных мышц на основе углеродных трубок. Результаты многочисленных исследований показывают, что физические свойства материалов, изготовленных с применением нанотрубок, состоящих из атомов углерода, могут оказаться очень полезными в создании высокотехнологичных протезов. Благодаря уникальной структуре по своей работе они способны превосходить живые мышцы, а их способность чувствовать малейшие изменения давления позволяет использовать их в качестве переключателей в компьютерных чипах и микросхемах.

Однако существует другая не менее значимая проблема: в протезах из-за опосредованности и «зашумленности» передаваемого сигнала наблюдается задержка в их работе, что ограничивает использование протезов в тех случаях, когда важна скорость реакции (например, при управлении транспортом). Для решения данной проблемы предлагается имплантировать датчики непосредственно в двигательные центры коры головного мозга [23].

Также широкому распространению бионических протезов препятствует их высокая цена. Стоимость искусственной конечности по-прежнему остается еще очень высокой и в зависимости от комплектации может составлять до 2,5 миллионов рублей, что ограничивает массовое внедрение и делает их не самыми доступными устройствами на данный момент.

В 2013 г. практически все части протеза были распечатаны на 3D-принтере, но и это не позволило сделать протезы доступными для всех, хотя существенно снизило их стоимость [24]. Набольшее предпочтение сейчас отдается протезам, изготовленным с использованием сверхлегких материалов, таких как углепластик, титановые и алюминиевые сплавы [12].

Выводы. В настоящее время протезирование добилось заметного успеха. Биопротезирование способно значительно улучшить качество жизни человека, перенесшего ампутацию. Научные исследования в области биопротезирования не замедляют темпов, в дальнейшем можно будет ожидать, что протезы получат больший спектр возможностей, станут легкими, сильными, чувствительными, энергоемкими и максимально адаптированными к потребностям человека, чутко отвечающими всем его запросам. Также не исключено, что в скором времени появятся инновационные разработки с новыми возможностями, которые позволят бионическим протезам превосходить по своей функциональности естественные конечности.

На данный момент существует два основных направления по развитию бионических протезов. Во-первых, дать владельцу возможность почувствовать объект, к которому он прикасается, то есть сделать протез чувствительным. Во-вторых, избавиться от необходимости каждый раз снимать и надевать протез (при приеме душа или перед сном), то есть требуется вживление всех составных частей.

К сожалению, высокотехнологическое протезирование пока мало распространено ввиду высокой стоимости, наиболее известные случаи получения бионического протеза относится к благотворительности частных организаций или общественному сбору средств. Однако государственные программы, нацеленные на развитие бионического протезирования, уже существуют.

На современном этапе развития протезирования человечество проявляет большой интерес к данной технологии, а многие даже приветствуют ее внедрение, что свидетельствует о готовности социума принять данную ступень технологического прогресса в медицине. Кроме того, данный интерес демонстрирует, что общество активно готовится к внедрению искусственных органов и позитивной адаптации людей с инвалидностью.

Библиографическая ссылка

Морозов А.М., Кадыков В.А., Любский И.В., Аскеров Э.М., Пахомов М.А., Городничев К.И., Пельтихина О.В., Хорак К.И. БИОПРОТЕЗИРОВАНИЕ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 4.;
URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=28969 (дата обращения: 02.11.2020).

Источник: www.science-education.ru

Комментарии: