Бионический протез ноги

Протез ноги выше и ниже колена: виды, цены и рекомендации по выбору

В этой статье поговорим о том, сколько стоят протезы для ног и как правильно их выбрать, чтобы снова жить активной и насыщенной жизнью.

Выбор искусственного заменителя ноги – ответственный процесс, ведь аналог должен не только физиологически компенсировать утраченную конечность, но и способствовать возвращению инвалида в социум. При подборе учитывается возраст пациента, уровень его активности, психологическая готовность к протезированию, но определяющими факторами становятся: вес, рост, состояние культи и высота ампутации. Ознакомиться с классификацией ортопедических изделий поможет таблица.

Деление по форме

Каркасные, продольно-овальные, поперечно-овальные, анатомические гильзы Мерло

Включает: верхний модуль, коленный шарнир, фиксаторы

Выполняют эстетическую функцию

ГолениШинно-кожанные, модульные и каркасные

Одномыщелковые, тотальные, связанные

Виды по функционалу

Используется для адаптации пациента временно

Осуществляет опорную функцию, но не эстетичен, требует тщательного ухода

Последняя медицинская разработка, позволяющая вернуть утраченные функции и выполнять практически любые действия

Современные протезы настолько совершенны, что использующий их не ограничен в передвижениях и никак не выделяется на фоне других людей. Они делятся по назначению и функциональному потенциалу.

Модульные

Представляют собой шарнирное устройство, имитирующее сустав — коленный или голеностопный. Движения осуществляются за счет пружинного механизма или микропроцессора. Может включать от одного до трех модулей в зависимости от уровня ампутации. Модульные протезы нижних конечностей обеспечивают:

подвижность в коленях, голени;

устойчивость при ходьбе и в положении стоя;

отсутствие болезненных ощущений;

полную свободу передвижения.

Возможность интеллектуального управления делает незаметным для окружающих даже использование протеза ноги от бедра: о нем иногда забывает даже сам инвалид, быстро привыкнув к особенностям модели и оценив ее удобство.

Спортивные

Разработаны специально для людей, ведущих активный образ жизни, несмотря на полученные травмы. В частности, подобные ортопедические изделия, изготовленные с учетом индивидуальных особенностей, используют спортсмены-паралимпийцы: Оскар Писториус, Джером Синглтон, Алан Оливейра и многие другие.

возможность тренировок с повышением нагрузки.

Существенный минус спортивного протезирования ниже колен — высокая стоимость: цена протеза на ногу для голени, достигает нескольких тысяч долларов.

Шарнирные

Необходимы людям, перенесшим полную ампутацию: крепеж находится в бедренной области, а шарниры выполняют функции суставов. Механизм может выглядеть как металлическая конструкция или быть визуально идентичным здоровой ноге. Достоинства:

устойчивая поддержка равновесия во всех положениях;

легкость при большом запасе прочности;

равномерное распределение нагрузки;

простота в использовании;

подвижность коленного сустава можно блокировать рукой.

Шарнирные конструкции позволяют совершать длительные прогулки быстрым шагом, не чувствуя неудобств и выполняя привычные действия: инвалид может сесть в общественный транспорт, пройтись по магазинам, присесть на скамейку в парке. Цены ножных протезов этого типа начинаются от 270 тыс. руб.

Вакуумные

Получили название от способа крепления к культе: надежность и комфорт соединения обеспечиваются созданным в приемной гильзе отрицательным давлением. Преимущества системы:

предотвращение мышечной атрофии;

уменьшение динамических ударов в позвоночник;

стабилизация опорной поверхности.

Вакуумные крепления появились сравнительно недавно, но их популярность растет благодаря удобству повседневного применения и эстетичному внешнему виду (на фото протез ступни).

Интеллектуальные

Одно из последних достижений современного протезирования нижних конечностей. Устройство снабжено микропроцессором с пневматическим приводом, что позволяет не только заменить функции утраченной ноги, но и восстановить нормальную походку и амплитуду шага. Пациент свободен в передвижениях, уровень усталости при ношении интеллектуального изделия соответствует обычному, которое ощущал бы здоровый человек при схожих нагрузках.

Биокибернетические нейроинтерфейсы

Биопротез ноги – то, о чем когда-то писали фантасты: механическое устройство управляется головным мозгом. Расположенные в нем датчики принимают импульсы действующих в сформированной культе нервов. Механизм отзывается на мысли и воспроизводит двигательные движения чуть медленнее, чем здоровая конечность, но к этой особенности легко адаптироваться и вскоре инвалид ощущает его как часть своего тела. Сколько стоит такой протез нижних конечностей – цены на бионическую ногу варьируются от 1,5 до 10 млн. руб.

Технологии

В зависимости от степени полученной (или врожденной) травмы при протезировании применяются различные технологии. Выбор будет зависеть от функционального назначения:

Механические. Выполняют опорные функции, создают устойчивое положение при ходьбе. Не имеют покрытия и обычно скрываются одеждой. При долгом использовании оказывают негативное действие на позвоночник. Подвержены коррозии, поэтому их необходимо защищать от влаги;

Бионические, снабженные “искусственным интеллектом” – устройствами разной степени чувствительности, передающими нервные импульсы. Позволяют чувствовать протез, как часть своего тела, реагируют на температуру, влагоустойчивы.

Косметические. Визуально скрывают сам факт протезирования, воссоздают эстетичный вид. Чувствительная электроника помогает восстановить походку, а использование пластичных материалов создает видимость здоровой конечности. Вес модели рассчитывается индивидуально, чтобы осанка пациента была максимально естественной. Относятся к дорогому сегменту — цена современного протеза ноги от бедра в России составит минимум 1 млн. руб.

Подбор технологии и конкретной модели осуществляется в несколько этапов, и включает первичную консультацию с протезистом, снятие мерок для изготовления слепка и т.д.

Формирование культи

Протезирование ног иногда возможно сразу после заживления послеоперационных рубцов. Но чаще всего инвалиду требуется время на психологическую и физическую подготовку к освоению нового способа ходьбы. Большую роль в этом процессе играет формирование культи.

После ампутации лечащий врач подробно объясняет пациенту правила гигиены:

Накладывать и регулярно менять стерильные повязки.

Оставшуюся поверхность ноги обрабатывать антисептическим раствором несколько раз в день.

Использовать присыпку с антибактериальным действием.

Для правильного формирования необходимо носить специальный бандаж (или эластичный бинт) и выполнять процедуры, устраняющие отечность: лимфодренажный массаж, контрастный душ, лечебно-восстановительную гимнастику.

Формирование культи — процесс довольно долгий и болезненный. Не стоит чрезмерно нагружать себя — усердие может обернуться переутомлением, апатией и болевыми ощущениями. Лучше постепенно увеличивать время, отведенное на упражнения, и осваивать ходьбу на костылях: умение держать равновесие способствует быстрой адаптации после протезировании.

Как выбрать протез ноги

Чем скорее пациент встанет на новую искусственную конечность, тем больше у него шансов вернуться к полноценной жизни. Поэтому вопрос о покупке обычно решается в сжатые сроки. Но покупать ортопедическое изделие следует только посоветовавшись с врачом и изучив предложения клиник.

Особенности выбора

Определяющим фактором при подборе станет уровень установки – если ногу пришлось отнять высоко, наиболее удобным станет шарнирный вариант. Искусственная стопа выполняет эстетическую и опорную функцию, с чем успешно справится модульный тип – он же оптимален для области голени. Подвижность в коленях и естественную походку вернут механические и бионические модели. Возможность совершать пробежки подарит спортивное протезирование, но в комплекте к такому изделию нужно приобрести и повседневный вариант.

На что обратить внимание

Протез приобретается на очень долгую перспективу – его меняют только при изменении физических параметров (например, по мере роста ребенка) или в случае повреждений. Поэтому важно учесть факторы, обеспечивающие комфорт использования:

Материал. Он должен быть легким, но прочным. Оптимальный вариант – титан.

Гильза. Она должна идеально подходить к культе, иначе натираний и проблем с циркуляцией крови не избежать.

Гарантия. Она обязательно выдается на протезно-ортопедическую продукцию, а также покупателям предоставляются сервисные услуги.

Метод крепления. Гильза должна легко надеваться и сниматься.

Информацию о видах крепления можно кратко свести в таблицу.

Бионические протезы ног выносливее “оригинала” (3 фото + видео)

Целью безногого профессора Хью Хэрра является желание создать протезы, превосходящие по функционалу настоящие ноги.

Несколько лет назад, опаздывая на очередную встречу с партнерами, Хью Хэрр, оставив свою Honda Accord на стоянке для инвалидов, буквально выскочил из машины и припустился бегом по тротуару, однако буквально через секунду его остановил полицейский. Хэрра попросили представить документы, разрешающие парковку в данном месте. Профессор указал на ветровое стекло своего автомобиля, на обратной стороне которого было приклеено удостоверение инвалида. Полицейский же смерил его долгим взглядом и сухо спросил: «А в чем состоит ваш физический недостаток?»

Высокий и стройный брюнет Хью Хэрр сделал шаг в сторону полицейского и спокойным тоном ответил: «У меня [короткое ругательство] нет ног».

В 17 лет Хэрр участвовал в альпинистском подъеме, но, к сожалению, восхождение оказалось неудачным: в результате обморожения ему пришлось ампутировать обе голени. Сегодня Хэрр возглавляет группу механотроники при лаборатории МТИ (Массачусетский технологический институт), основное направление которой – протезирование. Сегодня ему 45, и на протяжении 27 лет его главной целью по-прежнему остается создание искусственных нижних конечностей, которые будут лучше настоящих. Любимым «подопытным кроликом» для Хэрра является он сам. Как говорит ученый, «нет людей с ограниченными возможностями, есть лишь ограниченные возможности технологий».

В арсенале Хэрра есть ноги на все случаи жизни. В повседневной жизни он пользуется протезами со спрятанными в туфлях плоскими пружинами, сделанными из углеродного волокна. Когда выходит на утренние пробежки, то меняет их на длинные карбоновые дуги. Собираясь в горный поход, Хэрр надевает специальную, сконструированную им самим пару специальных «ног». Это длинные, сделанные из алюминия с небольшой резиновой стопой, протезы. Они напоминают металлические когти, которые заменяют альпинистские кошки. Директор группы механотроники считает отсутствие у него настоящих ног большим преимуществом, а не недостатком, так как вместо них он может вставить все, что угодно. Единственным ограничением являются лишь законы физики и фантазия человека.

Фантазия самого Хэрра последние несколько лет работает, так сказать, сверхурочно. Компания iWalk, которую ученый основал в 2006 году, рассчитывает в скором будущем запустить массовое производство протезов PowerFoot One. Это последняя и самая совершенная модель роботизированного протеза голеностопа, предполагаемая стоимость $10 000.

PowerFoot способен автоматически регулировать положение стопы, благодаря мощному оснащению, которое состоит из трех встроенных микропроцессоров и 12 сенсоров. Процессоры и сенсоры замеряют инерцию, мощность, а также положение стопы, регулируют угол наклона стопы, уровень амортизации и жесткость протеза. Самое поразительное, что система пересчитывает показатели 500 раз в секунду! Таким образом, сенсорный контур обратной связи, подобной той, что используется нервной системой, и богатая библиотека образцов походки позволяет PowerFoot легко подстраиваться к ходьбе по разной поверхности. Также наклоняются мыски во время спуска по лестничным ступенькам, и еще протез может непринужденно покачиваться, когда человек сидит, закинув ногу на ногу.

Данная модель протеза единственная в своем роде, которая абсолютно не зависит от силы человека, носящего его. Протез оснащен системой пассивных пружин, а также 225-граммовой перезаряжаемой литий-фосфат-железной батареей. Материальный состав протеза включает алюминий, титан, пластик и углеродное волокно. Вся система обеспечивает тот же объем силы отталкивания от земли, что и настоящие мышцы и сухожилия человека — 20 Дж. Еще одной функцией PowerFoot является автоматическая подстройка мощности под скорость ходьбы, кроме того имеется ручная настройка изменения мощности протеза. Работает ручная настройка через мобильный телефон, оснащенный Bluetooth-гарнитурой. Один из участников-инвалидов, принимавших участие в проверке PowerFoot, признался Хэрру, что его здоровая нога намного чаще устает, чем та, что с протезом. На что ученый ответил: «Впервые не человек движет протезом, а протез передвигает своего носителя».

Среди испытуемых принимает участие и сам Хэрр. После необходимых доработок около 1000 экземпляров отправят в Министерство обороны США – для солдат, лишившихся ног в ходе военных действий в Ираке и Афганистане. Спонсорами проекта по протезированию в числе других являются армия США и ведомство по делам ветеранов.

Да, деньги играют большую роль в жизни, однако Хью Хэрром движет и моральный долг. В 1982 году, в том самом неудачном восхождении на гору Вашингтон, погиб Альберт Доу, член спасательной команды. С тех пор Хэрр чувствует себя обязанным использовать свои возможности и интеллект, чтобы помогать людям. Он воспринимает это как завещание, которое оставил ему Альберт Доу.

Спустя три месяца после ампутации Хэрр, обладая невероятной силой духа, совершил восхождение на гору с обычными протезами. А спустя еще три месяца он в своем гараже уже конструировал новые протезы, используя на практике все знания, полученные в школе Ланкастера с профессионально-техническим уклоном.

Если до несчастного случая Хэрр собирался посвятить себя рабочей профессии, то после он стал целеустремленным до одержимости студентом. Получив диплом инженера-механика в МТИ, он заслужил докторскую степень Гарварда в области биофизики. Однажды, когда во время работы над диссертацией руку Хэрра поразил синдром запястного канала, не позволяющий писать и нормально управлять рукой, он прикрепил к оправе солнцезащитных очков карандаш и продолжил работу… головой, причем в самом прямом смысле. «Он работает до изнеможения, до полного истощения физических сил, — говорит Роджер Крам, профессор Университета штата Колорадо в Боулдере, бывший коллега Хэрра по Гарварду. — Каждый его шаг продиктован желанием усовершенствовать протезы».

Понятие «инвалидность» не должно быть клеймом, и Хэрр надеется, что люди переосмыслят свое отношение к этому. Херр был среди ученых, которые подтвердили, что южноафриканский бегун-спринтер Оскар Писториус, являясь инвалидом (ампутированы обе голени), должен иметь право участия в Олимпийских играх. Как оказалось, «спортивная» дискриминация коснулась и самого Хэрра. Многие сомневаются в том, что он стал вторым человеком в мире, который смог покорить без вспомогательного снаряжения известную для всех альпинистов скалу близ горы Индекс (в штате Вашингтон), при восхождении на которую он использовал специальные альпинистские протезы. «Если человек с физическим недостатком просто принимает участие в состязаниях, то им восхищаются, — говорит Хэрр. — Однако стоит ему победить, он тут же становится мошенником».

Кроме того, Хэрр верит, что через 10–20 лет атлеты-параолимпийцы будут выступать на равных и даже лучше, чем спортсмены-олимпийцы. Как считает Хэрр, ограничение возможностей скоро станет преимуществом; пока к этому делаются небольшие, но верные шаги, и среди инвалидов сегодня уже есть «летчики-испытатели» технологий. Результатом работ Херра в итоге будет искоренение инвалидности, а также размывание границ между человеком и техникой, что станет величайшим событием XXI века.

Бионические протезы: история, принцип работы, последние достижения

Бионические протезы сегодня являются авангардом медицинской инженерии. Человеческий организм несовершенен, потеря конечности и органа, к сожалению, не является редкостью и составляет огромную социальную проблему. Печальная статистика демонстрирует, что около 15% населения Земли имеют те или иные функциональные нарушения, мешающие нормальной жизнедеятельности, примерно 50 миллионов человек ежегодно становятся инвалидами. Вызванные этим финансовые потери составляют свыше 4 триллионов долларов – это огромная нагрузка на мировую экономику. Поэтому создание протезов, хотя бы частично возвращающих человеку утраченную функцию, является Святым Граалем современной медицины.

История развития бионических протезов

Чтобы понять, как работают бионические протезы и проследить их эволюцию, необходимо определиться со значением этого термина. Бионика (или биомиметика) – прикладная дисциплина, изучающая возможности применения принципов организации и функционирования живой материи при создании технических систем и устройств. Говоря проще, это создание искусственных аналогов решений, «изобретенных» природой. Ярким примером такого подхода является застежка «велкро» (липуска), принцип действия которой был скопирован с репейника.

Итак, бионический протез (биопротез) – это искусственный аналог, структурно и функционально имитирующий работу утраченного органа. Хотя подобные устройства широко стали разрабатываться только сейчас, история их развития насчитывает уже несколько столетий. Одним из ранних примеров является «железная рука» немецкого рыцаря Готфрида Берлихенгена (16 век), имевшая подвижные пальцы, сгибание которых осуществлялось нажатием кнопки на тыльной стороне ладони. Протез позволял осуществлять захват крупных предметов (например, рукояти оружия) и, по некоторым сведениям, даже держать перо.

Модели, получившие распространение в Викторианской Британии 18-19 столетия, также являлись сугубо механическими устройствами и приводились в действие с помощью жестких тяг или гибких тросиков. Однако степеней свободы у них становится больше за счет увеличения количества суставов. В ладонях некоторых моделей того времени имеется отверстие, в которое вставляются различные функциональные насадки, например небольшой крюк для ношения сумок. Протезы становятся не только функциональными, но и эстетичными – их форма приближена к очертаниям настоящих конечностей, а сами изделия в некоторых случаях украшались чеканкой, резьбой и гравировкой. Особых успехов в 19 веке достиг Джеймс Джиллингем, изготавливавший искусственные аналоги ног и рук не только для взрослых, но и для детей с врожденными или приобретенными дисфункциями.

Протезы 20 века также представляют собой тяговые устройства. Отличием стало использование современных материалов – прежде всего пластика и облегченных сплавов, которые пришли на смену более тяжелым и труднообрабатываемым стали и древесине. Благодаря уменьшению массы был устранен один из главных недостатков протезов прошлого – повышенная нагрузка на одну из сторон тела и, как следствие, дисбаланс опорно-двигательного аппарата. Пластиковые модели позволяли также более реалистично имитировать облик здоровой человеческой руки или ноги, что положительно сказывалось на социализации их владельцев.

Несмотря на очевидный прогресс в протезировании, который человечество совершило за несколько веков, долгое время протезы представляли собой неудобные, малофункциональные аналоги утраченных конечностей. Их движения были очень ограниченными и неточными, что существенно снижало возможности использования таких устройств в бытовой жизни.

Бионическое протезирование сегодня

Лишь в конце 20 и начале 21 веков развитие микроэлектроники, материаловедения, медицины, нейрофизиологии создало условия для появления устройств, максимально приближенных по своим функциям к человеческим конечностям. Более того, нынешние технологии позволяют разрабатывать аналоги таких сложных органов, как ухо и глаз, что было недостижимо в предыдущие эпохи. Современный бионический протез конечностей представляет собой электронно-механическое устройство, приводимое в движение нервными импульсами. Его конструкция состоит из следующих компонентов:

Каркас. Изготавливается из пластика и легких металлических сплавов, обеспечивает жесткость протезу и защищает электронную начинку от повреждения. Каркас имеет гильзу, с помощью которой устройство надевается на остаток конечности. Для повышения эстетических качеств протезов они покрываются силиконовой или резиновой оболочкой, имитирующей кожу.
Механика. Бионический протез имеет встроенные сервоприводы, шарниры и тяги, которые обеспечивают устройству подвижность. В искусственных ногах также применяются гидравлические, пружинные или пневматические амортизаторы, смягчающие и распределяющие ударную нагрузку при передвижении.
Система управления. Для контроля над протезом в нем предусмотрены датчики нервных сигналов и обрабатывающий процессор, управляющий приводами. В серийных миоэлектрических моделях датчики подсоединяются к остаткам мышц культи и фиксируют изменения их биопотенциала при сокращениях. В опытных энцефалографических устройствах сенсоры закрепляются на коже головы или вживляются под нее, снимая электрические потенциалы мозга. В некоторых моделях также предусмотрены датчики обратной связи, обеспечивающие пациентам возможность испытывать проприоцептарные и тактильные ощущения.

Нейрофизиологический принцип работы бионического протеза позволяет существенно упростить управление им, а также хотя бы частично вернуть пациенту ощущение обладания полноценной конечностью. Большинство имеющихся на рынке моделей обеспечивают выполнение достаточно широкого набора действий – держать посуду и столовые приборы, писать, печатать на клавиатуре, завязывать шнурки, подниматься по лестнице и даже заниматься спортом (бегом, ездой на лыжах).

Сложно сказать, когда и кем был изготовлен первый бионический протез, однако серийно такие устройства впервые стала выпускать британская компания TouchBionics в 2007 году. Сегодня на рынке представлено несколько производителей функциональных искусственных конечностей, среди которых также стоит отметить RSL Steeper (Великобритания), Ottobock (Германия), Osseur (Исландия). Продукция этих компаний достаточно широко используется в медицине для помощи инвалидам, однако из-за небольшого спроса и малой конкуренции даже простой бионический протез стоит порядка 25 000 долларов (без учета установки и последующей реабилитации). Для решения этой проблемы в некоторых странах существуют программы поддержки, финансируемые за государственный счет. В России бионические протезы практически не производятся – среди немногих примеров отечественных серийных разработок можно указать модель «Страдивари», выпускаемую компанией Motorica.

Отдельно стоит рассказать о бионических протезах глаз, первые модели которых появляются уже сегодня и используются для помощи людям с дистрофией сетчатки. Имеющиеся на данный момент устройства (например, Argus II от компании Second Sight) представляют собой массив электродов, вживляемый в сетчатку и подключаемый к внешней камере, установленной на очках. Изображение с нее поступает на встроенный видеопроцессор, который обрабатывает сигнал и подает его на имплантат, стимулирующий оставшиеся здоровые клетки сетчатки. Этот протез позволяет частично вернуть зрение, обеспечивая восприятие очертаний крупных предметов и даже большого шрифта. Хотя использование внешней камеры и недостаточная четкость изображения существенно ограничивают возможности и удобство Argus II, он уже используется в медицинской практике, в том числе в России. Схожий принцип работы и конструкции имеют протезы Alpha IMS и PRIMA.

Будущее бионического протезирования

При очевидном прогрессе в бионическом протезировании, наблюдаемом в последние 20 лет, создание искусственных органов и конечностей сталкивается с рядом проблем:

Несовершенство конструкции. Имеющиеся серийные и опытные модели рук и ног все еще работают все еще недостаточно свободно и точно из-за ограниченных возможностей сервоприводов. Решить эту проблему разработчики стремятся за счет технологии искусственных мышц – синтетических волокон, сокращаемых при подаче сигнала. Например, исследователи Массачусетского технологического института используют в качестве материала дешевый и доступный нейлон. По результатам исследований 2016 года, его волокна сопоставимы по прочности и эластичности биологическим мышцам, а по силе сокращений даже превосходят их.
Ограничения в передаче сигнала. В существующих миоэлектрических и энцефалографических протезах из-за опосредованности и «зашумленности» передаваемого сигнала наблюдается небольшая, но ощутимая задержка в их работе. Это ограничивает использование протезов в тех случаях, когда важна скорость реакции – например, при управлении транспортом. Для решения проблемы предлагается имплантировать датчики непосредственно в двигательные центры коры головного мозга.
Высокая цена. Большинство серийно выпускаемых моделей из-за сложности конструкции и производства стоят очень дорого, что ограничивает их массовое внедрение. В качестве дешевой альтернативы британский робототехник Джоэл Гибберт разработал бионическую руку, детали которой напечатаны на 3D-принтере, а в качестве контроллера использует открытую электронную платформу Arduino. Это позволило сократить стоимость устройства до 1000 долларов (при средней рыночной цене в 50-60 тысяч).

Несмотря на эти проблемы, тенденции в современном протезировании позволяют многим исследователям и футурологам прогнозировать широкое внедрение искусственных органов, конечностей и даже тел уже в ближайшие десятилетия. В частности, получившая сегодня распространение философия трансгуманизма (ярким последователем которой является знаменитый Рэй Курцвейл) декларирует появление к 50-60-м годам этого столетия протезов, по своим возможностям намного превосходящих биологические аналоги. Согласно этому течению, использование таких устройств – благо, позволяющее вывести человека на следующую ступень эволюции (постчеловечество) и преодолеть естественные ограничения природного тела. Однако здесь возникают новые вопросы не только технического, но и философского характера:

Как общество будет реагировать на технологию аугментации? Будут ли люди с бионическими протезами восприниматься остальными как инвалиды, полноценные члены социума или социальная угроза?
Кем будет ощущать себя сам аугментированный человек? Примет ли он свои искусственные, но более совершенные органы и конечности как благо или в нем разовьется комплекс неполноценности, отношение к себе как к суррогату человека, бездушной машине?
Как отразится использование более совершенных и многофункциональных протезов на нашем сознании? Оно миллионы лет эволюционировало с ощущением целостности и неделимости своей телесной оболочки. Как изменятся границы личности в условиях, когда любую конечность и даже все тело можно легко заменить?

Эти и другие вопросы уже сейчас активно задаются не только в философских или научных трудах, но и массовой культуре. Тема биопротезирования и связанных с ним социальных проблем ярко выражены в серии игр Deus Ex, комиксе Transmetropolitan, романах Брюса Стерлинга, Питера Уоттса и других представителей литературы жанра «киберпанк». Такой интерес демонстрирует, что общество активно готовится к внедрению искусственных органов и тел. И вопрос состоит уже не в том, произойдет ли это, а в том, готовы ли мы принять данную технологию и использовать ее для своей пользы.

Бионические протезы ног

Бионические протезы позволили расширить возможности людей с инвалидностью. По своим функциям они максимально восполняют движения человеческой ноги, обеспечивают безопасность во всех фазах шага, естественность и гармоничность движений, дают пациенту ощущение уверенности на любой поверхности.

В основе современного протеза лежит микропроцессор. Он связан с большим количеством датчиков, расположенных по всему протезу. Сенсоры собирают информацию о наклоне поверхности и рельефе дороги, нагрузке на протез. Благодаря им центральный микропроцессор получает и обрабатывает всю необходимую информацию, в соответствии с которой и работает коленный модуль. Интеллектуальное управление протеза позволяет пользователю передвигаться в собственном удобном темпе.

Каркас протеза изготавливается из высокопрочных материалов, благодаря чему протез обладает повышенной надежностью и долговечностью. Питание всей системы осуществляет встроенная батарея, заряда которой хватает на период от трех до семи дней. Для управления протезом сегодня разрабатывают мобильные приложения. Необходимые функции работы можно индивидуально настраивать через смартфон или ПК. Для коммуникации с дистанционным управлением протезы имеют встроенный модуль Bluetooth.

История создания современных протезов находится в самом начале своего пути. Первый коленный модуль был разработан немецкой компанией Otto Bock и представлен на всемирной конференции по ортопедии в Нюрнберге в 1997 году. В России этот протез впервые пациенту установили в 2000 году. Пользователи могут ходить как в медленном, так и в быстром темпе, кататься на велосипеде.

В 2006 году в продаже появился коленный модуль Rhee Knee, который стал итогом совместной работы исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Proprio Foot от компании Ossur стал первым в мире интеллектуальным протезом ступни, который способен «думать и действовать сам». На лестнице стопа автоматически подстраивается под движения человека.

Следующим важнейшим шагом в развитие современного протезирования стало объединение электронного коленного модуля и электронной стопы в одну систему. Появился протез Symbionic Leg, который представляет связку коленного модуля Rheo Knee и стопы Proprio Foot.

В 2015 году компания Otto Bock выпустила на российский рынок водонепроницаемый бионический протез бедра – Genium X3. С этим протезом человек может погружаться на глубину до трех метров в течение нескольких часов и заниматься любыми водными видами спорта.

История развития бионических протезов только началась, и впереди нас ждет открытие поистине неограниченных возможностей для людей с инвалидностью.

Стоимость протеза ноги с внешним источником питания (бионический):
от 1 млн. 300 тыс. руб. до 4 млн. 500 тыс. руб.

Коленный модуль Genium создан специально для людей с ампутацией на уровне бедра. Он позволяет воспроизвести практически естественную физиологическую походку человека. Genium позволяет подниматься по лестнице переменным шагом, практически без компенсирующих движений.

Функция «walk-to-run» позволяет осуществлять быстрое переключение между нормальной скоростью ходьбы и спортивным беговым шагом. Например, если пользователю нужно немного пробежаться до автобусной остановки – то протез легко справиться с этой задачей.

Коленный модуль Genium влагозащищен. С ним пациенту не нужно менять повседневный протез на протез с водонепроницаемым покрытием, чтобы, к примеру, принять душ.

Протез Genium был объявлен прорывом в протезировании. Одно из главных достоинств коленного модуля Genium X3 – это водонепроницаемость и устойчивость к коррозии. Это первый протез с электронным управлением, в котором можно заходить в воду, погружаться на глубину до трех метров в течение нескольких часов и заниматься любыми водными видами спорта.

Коленный модуль Genium X3 позволяет ходить назад, подниматься по лестнице не приставным, а переменным шагом. Бионическая система имеет специальный беговой режим. Батарея Genium X3 может работать более пяти дней без подзарядки, что обеспечивает пользователю непревзойденную свободу.

При помощи Genium X3 движения пользователя приближаются к естественной картине походки как никогда ранее. Множество специальных функций позволяют разгрузить здоровую конечность при односторонней ампутации. А при двусторонней ампутации позволяют человеку чувствовать себя на протезах более уверенно.

C-Leg – коленный гидравлический модуль, который полностью управляется микропроцессором, ориентируясь на индивидуальные особенности походки пользователя. Сенсорная система контролирует все данные и распознает, где находиться человек: на ровной плоскости или склоне, спускается по лестнице переменным шагом или гуляет.

Самый безопасный электронный коленный модуль, на нем практически невозможно споткнуться.

C-Leg 4 представляет собой новое поколение коленного модуля C-Leg при этом он надежнее и динамичнее. Переход из фазы опоры в фазу переноса происходит проще. Система выполняет более гармоничное управление чередой коротких шагов в условиях изменения скорости ходьбы. Новая технология позволяет легко передвигаться по разным поверхностям: грунту, песку, камням.

C-Leg 4 обладает защитой от попадания водяных брызг, в нем можно гулять по пляжу или отправиться на рыбалку.

Время работы без подзарядки от 16 часов до 2-х дней в зависимости от режима эксплуатации.

Коленный модуль Rheo Knee 3+ обеспечивает пациенту естественную походку. Это самообучающийся коленный модуль – он автоматически подстраивается к стилю ходьбы человека, в отличие от других коленных суставов с микропроцессорным управлением, которые навязывают определенный характер ходьбы.

Оснащен функцией ручного замка.

На неровной поверхности система поддержки опоры мгновенно активизируется, не позволяя человеку споткнуться или упасть. В коленный модуль Rheo Knee 3+ встроен дополнительный кинематический датчик для повышения безопасности в фазе опоры и улучшения устойчивости в положении стоя. Коленный модуль Rheo Knee нового поколения влагозащищен от брызг и дождя, его можно использовать почти в любых климатических условиях.

Как работают бионические конечности

По земле пока ходит не так уж много субъектов, которых можно было бы назвать настоящими биомеханическими гибридами, так что встреча с фермером Дэвидом для любого станет сюрпризом. Рыжий, пышущий здоровьем и неугасимым весельем здоровяк встречает нас на посыпанном гравием проезде, ведущем к его мастерской. 30-летний механик без колебаний спрыгивает со своего огромного трактора, пробирается среди вездеходов и раскиданных повсюду тракторных запчастей. Он хватается то за одно, то за другое дело, даже не задумываясь, что в некоторой степени он уже не человек, а машина.

Потерявший ногу Дэвид Джонсон работает инженером в компании Ossur. Он испытывает протез Power Knee и у него есть все возможности для самостоятельной настройки протезной электроники и для испытания ее алгоритмов в реальных условиях.

Ломай — не стесняйся

Дэвид носит хитроумный протез левой ноги, которую потерял в автомобильной аварии. Сегодня протез должны заменить. Вот почему на ферму, где живет и работает Дэвид Ингвасон, приехали инженеры из компании Еssur. Штаб-квартира этого крупного производителя протезов расположена в Рейкьявике (Исландия), в часе езды от фермы Дэвида. Обычный исландский крестьянин, он оказался в избранном кругу инвалидов, которых обеспечили протезом марки Symbionic Leg. Это интегральная бионическая конструкция, включающая в себя искусственные колено, лодыжку и стопу.

Свою искусственную ногу Ингвасон регулярно ломает, хозяйничая на ферме, разъезжая по окружающим пустошам, поросшим высокой травой, лазая по затянутым мхом вулканическим плоскогорьям. Приводы забиваются глиной, механика стонет под непрерывными нагрузками, пока технический шедевр стоимостью больше иного седана не превращается в мертвую железяку, набитую электроникой. Как объясняет Магнус Оддсон, отвечающий за разработку новой техники в компании Еssur, при любых осложнениях от Ингвасона требуется всего лишь позвонить, и сотрудники компании тут же привезут ему новую ногу, причем совершенно бесплатно. Ведь для фирмы все повреждения, которые испытатель наносит протезу в результате крайне небрежного обращения, — источник весьма ценной информации.

Сегодня мы мы стоим на пороге реализации давних фантазий о «механическом силаче», то есть о настоящих бионических усилителях человеческих мышц. Достаточно добавить к технологиям «умных протезов» и экзоскелетов подходящий нейро-машинный интерфейс, который не будет связан с вторжением в мозг.

Когда ноге не нужен мозг

Прошлой осенью компания Еssur выпустила в продажу модель Symbionic — первую в мире искусственную ногу с электронным управлением, доработанную до уровня массового производства. Это выдающаяся веха в истории разработки протезов. Нога Ингвасона выступает, по сути, в роли самостоятельного робота, напичканного датчиками, которые исследуют окружающую среду и угадывают намерения хозяина. Специальные процессоры вычисляют, на какой угол должна выдвинуться при шаге искусственная нога. Та же идеология закладывается в конструкции искусственных рук, когда сложнейшие алгоритмы помогают определить, с каким усилием нужно схватить пластиковую бутылку с водой или как спружинить, упершись в пол при падении. Протезы, чье действие основано на самостоятельном видении и слухе, полностью обходятся без поврежденных органов чувств. Все эти бионические системы способны активно подстраиваться под характер своих владельцев. Служа человеческому телу, они восстанавливают его функции.

Система Modular Prosthetic Limb выглядит просто как хороший бионический протез. На самом же деле это целый рой из автономных роботов. Каждый съемный сегмент с собственным электроприводом содержит вдобавок и свой процессор, который согласует свою работу с остальными элементами.

Возьмем один из характерных случаев, когда человека может подвести протез традиционной конструкции. Обычно механическое колено фиксируется намертво, когда пятка касается земли. Таким образом, протез поддерживает вес человеческого тела. Когда вес переходит на носок, колено разблокируется. Но если носок касается земли слишком рано, искусственная нога может самопроизвольно сложиться под весом хозяина. Протез типа Symbionic Leg обмануть не просто. Датчики усилия и акселерометры постоянно отслеживают положение ноги по отношению к ее владельцу и к окружающим предметам. Встроенные процессоры анализируют все входные данные с частотой 1000 замеров в секунду и оперативно принимают оптимальные решения — когда приложить усилие, а когда его снять. Для того чтобы фиксировать или отпускать коленный сустав, здесь нужно нечто большее, чем просто чувствительное касание земли носком ступни.

Но, допустим, умный протез как-то ошибется, просчитывая ситуацию, — тогда первый же импульс, указывающий на то, что его владелец готов упасть, запускает в действие программу по восстановлению равновесия. Приводы сразу же вдвое замедлят свое движение, а магнитная жидкость, заполняющая колено, станет более вязкой, повышая сопротивление. Если верить Ингвасону, вся система работает так, что он почти никогда не падает — по крайней мере реже, чем это бывало, когда он ходил на своих ногах.

Как работает робот-протез

Использование протезов влечет за собой, как правило, новые проблемы со здоровьем. В чисто механических ножных протезах используется сложная система рычагов и защелок. Именно она позволяет инвалидам ходить, но свободной эта походка никогда не будет, так как владелец протеза вынужден при каждом шаге поддергивать бедро вверх чтобы не цепляться носком протеза за дорогу. Ручные протезы с электроприводом при ходьбе приходится как-то фиксировать, и этот балласт нарушает осанку и равновесие при ходьбе. Примерно у 70% инвалидов, пользующихся протезами, развиваются осложнения в позвоночнике и суставах.
Специалисты считают, что подобные побочные следствия приводят к тому, что тучные или страдающие хроническими болями пациенты становятся еще менее подвижными, что подрывает их здоровье и укорачивает жизнь. Решение этой проблемы нашли в специальных алгоритмах. При использовании протеза Symbionic Leg компании Ossur пациент уже не должен поддергивать бедром. Все необходимые движения выполняет за него роботизированный протез. При каждом шаге носок приподнимается вверх, выполняя движение, которое принято называть «тыльное сгибание».
Другие алгоритмы оказываются посложнее — с их помощью робот анализирует поток поступающих извне данных, а они постоянно меняются в зависимости от характера местности, по которой приходится шагать. Если нога при движении вниз упирается в приподнятую поверхность, когда колено еще до конца не разогнулось, робот делает вывод, что перед ним ступенька лестницы, и соответственным образом подстраивает свои движения. Если при контакте с землей носок задирается, а пятка несколько проваливается, искусственный интеллект делает вывод, что под ногами склон и он меняет углы и усилия так, чтобы оптимальным образом преодолеть это препятствие.

Новый протез Ингвасона — это следующая модель Symbionic Leg, заряженная модернизированными программами. С их помощью колено и лодыжка смогут осмысленно взаимодействовать между собой. В ближайшие годы компания Еssur собирается создать своего рода «сетевой разум». Но вот новый протез уже на ноге. Поначалу Ингвасон довольно неуклюже заковылял через свой грязный двор, заваленный ржавыми останками тракторов и легковушек. Но всего через несколько минут робот подстроился под своего хозяина.

Для того чтобы заново воссоздать человеческий орган, например мочевой пузырь, в Институте регенеративной медицины Уэйк-Форест болванку из биоразлагаемого материала заселяют клетками, взятыми у пациента. Этой лабораторией руководит Энтони Атала, лауреат приза PM Breakthrough Award от 2006 года. Сейчас здесь заняты выращиванием более сложных органов — таких как печень и сердце.

Сначала строить, потом — выращивать

Каким в компании Еssur видят будущее? «Хорошо было бы, говорит Оддсон, — собрать все знания, которые накоплены в компании Еssur, и разработать нечто, вообще игнорирующее нервную систему человека. Это будет не экзоскелет. Правильнее было бы назвать такую концепцию «Умные штаны». На первых порах она может быть подспорьем для парализованных. Такое устройство стало бы стимулировать мускулы, генерируя те команды, которые уже не способны выдавать мозг или поврежденные нервы. Можно было бы использовать уже имеющиеся приводы, то есть человеческие мускулы, но приладить к ним новый центральный контроллер».

В компании Еssur инженер диагностирует моторизированный сустав Rheo Knee. Этот элемент является частью протеза Symbionic Leg и содержит датчики угла и усилия. С них данные поступают на бортовой компьютер.

А в самой дальней перспективе, считает Оддсон, протезирование как отдельная отрасль науки и техники должно исчезнуть вообще, уступив место будущим технологиям восстановления утраченных органов. К 2050 году, предсказывает он, конечности можно будет создавать с нуля. Кто знает, будут ли их выращивать или строить на основе печатной технологии? Все сокровенные биомеханические тайны, раскрытые такими компаниями, как, к примеру, Еssur, будут сведены в единую упряжку для восстановления человеческой плоти по новым технологиям.

Забавно слушать такие оптимистические прогнозы, в которых специалист предсказывает, что его отрасль уйдет со сцены благодаря ее же собственному эффективному развитию и уступит свое место другим областям знания. Правда, вся наработанная изощреннейшая техника не пропадет втуне — она будет реализована в новых устройствах, которые изменят жизнь миллионов людей, как больных, так и вполне здоровых.