Истоки зарождения и будущее развитие бионических протезов

В статье рассматривается бионические протезы, которые контролируются головным мозгом. Раскрывается история развития, терминология, принцип работы, реальное применение в настоящее время как в России, так и за рубежом.

Аннотация статьи
развитие
будущее
протезы
история IT
биотехнологии
Ключевые слова

Потеря конечности или любого органа – это очень большая проблема. Бывают случаи, когда приходится смириться, но всё же иногда современные способы протезирования способны повлиять на человека «с ограниченными возможностями» и сделать из него человека с «дополненными возможностями». выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.

Первым известным исторической науке протезом, является находка из Древнего Египта, которой более 3 тысяч лет. Учёные пришли к выводу, что устройство крепится к телу системой из нескольких кожаных ремней (рис. 1).

https://sibac.info/files/2018_02_03_Studencheskii/saik.files/image001.jpg

Рис. 1. Фото древнеегипетского протеза

В средневековье так же повсеместно использовались накладные конечности. Хорошим примером протеза являются стальные руки рыцарей – это средневековый протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец. Они могут принимать определённые позиции, которые устанавливает пользователь. Управление протезом происходило при помощи кнопки на тыльной части кисти. Приспособление позволяло брать в руки предметы и писать пером.

По мере того, как продолжалась гражданская война в США, количество ампутаций росло катастрофически быстро, такие события отразились на то, что протезирование оформилось в отдельную область. Джеймс Хангер, один из первых ампутантов гражданской войны разработал и запатентовал протез, изготовленный из бочарных клепок и металла, который имел шарнирные суставы в области колена и лодыжки.

Протез Джеймса Хангера модифицировался, движения стали были более плавными и тихими при ходьбе. Протез, сделанный для пианистки в начале XX века, был изготовлен из дерева, кожи и ткани, запястье вращается, пальцы меняют свое положение, а в ладонь добавлен крючок, чтобы можно было, например, носить сумку. На (рис. 2), протез представлен в Музее науки в Лондоне.

https://sibac.info/files/2018_02_03_Studencheskii/saik.files/image002.jpg

Рис. 2. Фото протеза в музее науки в Лондоне

Для того, чтобы погрузиться в такие аспекты как принцип работы и будущие перспективы развития необходимо конкретизировать терминологию. Бионика – это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Бионические протезы относятся к косметически-функциональному типу. Восстановление функции конечности достигается с помощью эффекта мышечной реиннервации. Принцип работы заключаются в том, что нервный импульс вызывает изменение электрического биопотенциала мышцы, когда человек пытается пошевелить конечностью. Данный сигнал улавливается встроенным датчиком, поступает к микродвигателям, которые приводят протез в движение. Таким образом, процесс управления протезом полностью контролируется головным мозгом человека. Последние модели таких протезов также дают возможность чувствовать тепло и давление посредством передачи датчиков, сигнал от которых поступает в кожу культи или на поверхность кожи.

Первостепенные требования, которые предъявляются к бионическим протезам:

  • протез должен быть изготовлен по соотношению лёгкости и прочности, что часто увеличивает и усложняет расходы на производство;
  • износостойкость деталей, устойчивость шарниров, должны быть устойчивыми и обеспечивать плавное движение в них;
  • электроника должна быть надежной;
  • максимальная приближенность в анатомическом сходстве с конечностью.

При выборе бионического протеза необходимо ориентироваться на более известные брендовые марки (ОТТО БОКК). Немаловажно учитывать наличие у производителей сервисных центров, который выполняет гарантийное и послегарантийное обслуживание своей продукции. Компании при тесном взаимодействии с врачами травматологами и ортопедами, получают бесценный опыт, что дает наиболее оптимально подобрать бионический протез с учетом вида анатомических особенностей культи конечности и ее травмы.

Существует четыре способа взаимодействия человека с протезом.

Первый, наиболее радикальный, разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга.

Второй, использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам.

Третий, имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части культи.

В настоящее время наилучшим методом управления бионическими протезами является электромиография. Это метод анализа мышечной активности, основанный на измерении разности потенциалов в двух точках, между которыми под кожей по мембранам мышечных волокон распространяется потенциал действия организма. Данный метод может быть инвазивный и неинвазивный. Такие высокотехнологические протезы уже вышли за пределы лабораторий и производятся серийно. Однако научить пациента правильно управлять протезом все еще сложная проблема, хотя и существуют обучающие упражнения с использованием дополненной реальности.

Бионическое протезирование коснулось не только конечностей человека, но и такого сложного органа как глаза человека.

Ученые разработали бионический глаз. При потере зрения, вживляется протез сетчатки или нервостимулятор, саму сетчатку или стимулятор с неповрежденными нейронами дополняют искусственно созданными фоторецепторами. Если зрение потеряно полностью, то изображение создается с помощью видеокамеры, процессор преобразует изображение в электронный сигнал и пересылает его на приемник ресивер, встроенный в глаз, в сетчатку же встроен фото сенсор для преобразования сигналов. По итогу есть вживляемый в кору головного мозга или в сам глаз протез с датчиками.

Существует несколько технологий. Первая-поток импульсов отражается от дисплея под наклоном на очках, и проходит через глазной хрусталик, попадая на протез. Второй способ- видеокамера записывает информацию и пересылает на видеопроцессор. Процессор преобразует изображение в электронный сигнал и отправляет его в передатчик, сетчатка соединена с электродами, далее информация идет через оптический нерв в мозг. Немецкая разработка протеза контролирует интенсивность подачи света с помощью электродов, в сетчатке. Далее свет попадает в микрочип, который в свою очередь передает сигналы непосредственно в мозг. Данная технология более привычна глазу и является более передовой.

Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития – создание готового удобного в управлении протеза, который частично может восстановить утраченные функции, на данный момент существуют недостатки, которые приходится принимать при использовании.

  • Батарея-бионические руки могут проработать в течении дня, но этого недостаточно, не обеспечивают мобильности, например, в путешествиях.
  • Отсутствие защиты от воды-необходимо защищаться с помощью специальных перчаток, чтобы грязь не попала внутрь устройства.
  • Лаги при управлении: при управлении с помощью миоэлектрических датчиков пользователи имеют лаг: сначала мозг передаёт команду в мышцу у датчика, затем датчик передаёт команду двигателю, и после этого меняется жест. Так что реакция – далеко не самая высокая.
  • Большая стоимость.
  • Необходимость индивидуальной подготовки.

Развитие не стоит на месте, планируется оснащение доступом к wi-fi сетям, сенсорным дисплеем с возможностью просмотра почты или социальных сетей. Будет функционал smart-часов, а затем и полноценного смартфона. Протез станет пультом управления для любых домашних электронных устройств, начиная от чайника и заканчивая телевизором.

Текст статьи
  1. Бионические руки [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://geektimes.ru/post/276638/ (дата обращения 21.12.2019)
  2. Как работают бионические конечности [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://theoryandpractice.ru/posts/2353 (дата обращения 21.12.2019)
  3. RSLSteeper launches bebionic fully articulating myo-electric hand [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://newatlas.com/ (дата обращения 21.12.2019)
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 15 января по 21 января
Сегодня — последний день приема
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
25 января
Загрузка в eLibrary
25 января
Рассылка печатных экземпляров
02 февраля