Предвосхищая будущее: последние разработки в протезировании

Дата публикации: 21 сентября 2020

Исследования в области протезирования верхних конечностей ведутся во всем мире. Существующие биоэлектрические протезы мало изменились за последние 50 лет и имеют ряд ограничений, которые затрудняют их использование: отсутствие обратной связи; система управления, рассчитанная на снятие всего 2 сигналов (схват и раскрытие); необходимость в компенсаторных движениях для правильного позиционирования кисти (вызвано ограничениями степеней свободы). Сейчас даже дорогой протез – это скорее манипулятор из автомата с игрушками, чем замена руки. 

Будущее протезирования верхних конечностей выглядит, наверное, так: 

— инвазивные электроды для управления
— очувствление протеза
— появление новых степеней свободы
— нейроинтерфейсы. 

Наиболее интересны и перспективны, на наш взгляд, следующие пять проектов: 
 

1. DARPA MPL – остеоинтеграция, инвазивное управление, протез полной руки с максимально похожей кинематикой, виртуальное обучение. 
 

На сегодняшний день это единственный в своем роде биоэлектрический протез для протезирования вычленения плеча. Он обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, т.е. должны управляться пользователем. 

Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках. Методика реконструктивной хирургии заключается в выделении в грудных группах мышц отдельных пучков, отвечающих за движение суставов руки (от плеча до фаланг пальцев). Затем выделенные группы "подшиваются" к определенным участкам кожи на груди, чтобы можно было считать сокращения мышц поверхностными датчиками. Либо датчики вживляются в выделенные группы мышц, тогда "подшивание" не требуется. 
Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах, но увеличили их количество, по сравнению со стандартными коммерческими протезами. В протезе предплечья используются 4 электрода, в плече-8. 

Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет задавать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку). 

Уже появилась компания, которая будет представлять протезы LUKE arm (DARPA).
В конструкции протеза DARPA использованы самые передовые военные и гражданские технологии (двигатели, аккумуляторы, материалы), из-за чего стоимость протеза превышает по самым скромным оценкам $100.000 

2. OPRA Osseointegration – остеоинтеграция, инвазивное управление.
 

Особенность протеза заключается в отсутствии культеприемной гильзы, вместо которой использован титановый штырь, вживленный в кость культи плеча методом остеоинтеграции. Титановый каркас создается из специального пористого сплава титана, через который прорастает костная ткань создавая единый жесткий каркас. По анатомическим особенностям такой способ крепления протеза существенно лучше стандартных технологий, т.к. обеспечивает максимально возможное надежное крепление протеза к телу человека, без люфтов. Кроме того культя не потеет, не образуются натерности и т.д. Остеоинтегрированный протез самый комфортный для повседневного использования. 

Сложности существующих технологий остеоинтеграции заключаются в том, что среднее время жизни титановым имплантов – 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене импланта. Кроме того сама операция может пройти с осложнениями, что также снижает привлекательность процедуры для пользователей. 


Электроды вживляются двух типов: к нервным окончаниям и к мышечным волокнам. Поскольку протез пока не обладает возможность передавать чувствительность обратно в ЦНС пользователю, то вживление сразу двух типо электродов связано с увеличением надежности считывания импульсов, а также с заделом на будущее, с целью создания очувствленного протеза на следующих этапах работ. 

Управление хватом осуществляется по стандартной схеме как и с обычными поверхностными электродами, только человек выполняет просто фантомный хват пальцами, а не полноценно движение кисти вверх/вниз, необходимое для активации крупнейших групп мышц. 

3. LifeHand 2 – инвазивное управление, очувствление протеза (интеграция датчиков обратной связи с периферической нервной системой человека). 
Главная цель исследований – создание двунаправленной биологической системы управления протезами. Т.е. одни и те же электроды должны считывать управляющие сигналы с периферических нервов культи, к которым подключены, а также передавать обратное воздействие от датчиков, расположенных в кисти. 

Особенностью используемых электродов является то, что они "подключаются" не к мышечной ткани, как обычные миоэлектроды, а напрямую к нервным волокнам, которые и передают управляющий сигнал к мышцам. 

4. Проект искусственной кожи – определение давления, температуры и влажности. Разработка принадлежит объединенной команде ученых из Южной Кореи и США. Внутри гибкого прозрачного силиконового материала находится сетка из кремниевых нанолент, которые генерируют электричество при растяжении или сжатии. Благодаря разнице электрических импульсов обеспечивается тактильная обратная связь. Кремниевые наноленты также позволяют чувствовать температуру предметов. 

Датчики влажности состоят из конденсаторов. Принцип работы основан на физических законах: когда полимер, окружающий конденсатор, поглощает воду, влага меняет свойства полимера в отношении сохранения заряда. Конденсаторы измеряют заряд, определяя тем самым уровень влажности окружающей среды. 

Подобный протез должен выполнять множество сложных операций, таких как нажатие клавиш, способность держать чашку с горячим или холодным напитком, определение сухих и влажных поверхностей, рукопожатие и т. д. Большой раздел исследования, опубликованного в журнале Nature, посвящен алгоритму выполнения данных операций, а также испытанию работы датчиков. Например, датчик влажности проверялся в определении сухих и влажных подгузников. 

Но ключевая проблема передачи сенсорной информации от искусственной кожи к мозгу человека не решена. Удалось передать информацию о давлении из кожи в мозг крысы, но, как отмечают авторы работы, для людей этот метод может быть небезопасен. 

5. Искусственные мышцы – мощность (силовые характеристики) и пластичность (точность движения, гибкость).
Разработкой занимаются одновременно несколько команд. Популярные "воздушные" мышцы McKibben были разработаны еще в 1950-х. Другой подход был у ученых из Массачусетского технологического института, они использовали волокна нейлона, которые при нагревании сжимаются, при этом увеличиваясь в диаметре, что заставляет их изгибаться. 

Недавняя статья гарвардских ученых обещает мускулы ценой в $1 и силой, способной поднимать груз, превышающий их собственный вес в 1000 раз. Мышцы выполненны на основе техники оригами: 
 

Каждая мышца состоит из запечатанного мешка, заполненного воздухом или жидкостью. Мешок имеет складчатую структуру оригами, которая функционирует как скелет. Когда с помощью электрического насоса давление внутри мешка уменьшается, вся структура сжимается, как мышцы в человеческом теле. И наоборот, при повышении давления структура распрямляется. 

Авторы сконструировали десятки таких устройств на основе различных материалов скелета и «кожи», приводимых в действие водой и воздухом. Один вариант обеспечивает высокий уровень сокращения от исходной длины; другой дал точность, которая позволяет поднять цветок, не сломав его; третий просто сворачивается спиралью. По оценке ученых, система способна выдавать вшестеро больше силы на грамм собственного веса, чем весьма эффективные мускулы млекопитающих: 2,6 г искусственных мускул могут поднять объект весом до 3 кг. 

Следует понимать, что протезы из представленных проектов не коммерциализированы и находятся в стадии разработок, недоступны к установке, а в исследованиях не решены проблемы интуитивного управления, обратной связи (сейчас на уровне вибрации и покалывания), воспроизведения мелкой моторики. Но Deus Ex, терминатор и Люк Скайуокер показали нам, каким должен быть протез. Мы стоим на пороге больших перемен в области протезирования.

Поделиться: