«Бионические» протезы: какие органы сегодня можно подменить электроникой Юрий Ильин

«Бионические» протезы: какие органы сегодня можно подменить электроникой

Юрий Ильин

Опубликовано 22 февраля 2013

В первых трёх фильмах эпопеи «Звёздные войны» есть множество кадров и целых сцен, сразу же вошедших в историю мирового кинематографа. Одна из таких — момент, когда Люка Скайуокера оснащают высокотехнологическим протезом руки, потерянной в ходе поединка с Дартом Вейдером.

_{Кадр из фильма «Звёздные войны. Эпизод V: Империя наносит ответный удар»}

Протез выглядит и функционирует неотличимо от натуральной руки и даже, похоже, передаёт тактильные ощущения. То есть является почти совершенным «бионическим», как сегодня принято называть подобные вещи, протезом. К сожалению, земной науке до тех технологий, которые применялись давным-давно, в далёкой галактике, ещё идти и идти.

Термин «бионический» происходит от названия «бионика»: так именуется прикладное направление науки о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Бионика тесно (и даже неразрывно) связана с целым рядом других наук — биологией, физикой, химией, кибернетикой, а заодно с электроникой, навигацией, связью, морским делом и так далее.

Бионические протезы и импланты — лишь одно из направлений, в котором ведутся исследования, связанные с бионикой; и одно из самых важных. Основная особенность бионических протезов — это их способность брать на себя функции утраченных органов и конечностей.

Давайте посмотрим на примеры хотя бы относительных успехов в этой области.

Бионические руки

Создание искусственных рук, которые могли бы заменить людям их природные, — задача чрезвычайной сложности. Во-первых, из-за того, насколько деликатным является это «устройство», сколько тончайших движений оно способно совершать. Это уж не говоря о том, что на кончиках пальцев у человека располагаются главные осязательные органы, имитировать которые — особо сложная задача.

Неудивительно, что к настоящему времени ни одного стопроцентно успешного проекта по созданию бионической руки не существует.

Но есть интересные.

i-LIMB — проект активных протезов компании Touch Bionics, ставший коммерческим в 2007 году. Эти протезы являются миоэлектрическими устройствами, «считывающими» биоэлектрические потенциалы, возникающие при сокращении мышц на уцелевшей части руки. i-Limb по-разному реагирует на сокращения разных мышц, осуществляя разные движения.

С помощью этого протеза можно брать и удерживать разные предметы; версия i-LIMB Ultra позволяет двигать пальцами по отдельности; в управляющее программное обеспечение (да-да, без него никак) вписан целый ряд стандартных жестов и захватов, а силу сжатия можно регулировать, что значительно помогает в некоторых ситуациях.

После непродолжительного периода отсутствия активности i-LIMB возвращается в исходное — «естественное» — положение.

i-LIMB Pro в основном рассчитан на ветеранов боевых действий, утративших в бою конечности. Необходимо отметить, что в данном случае о соединении протеза с нервами речи не идёт. Можно научиться ею пользоваться, но нельзя научить сам протез делать что-то, что не прописано в его программе.

Bebionic3 — аналогичный i-LIMB проект миоэлектрической бионической руки. 14 разных захватов и положений руки, возможность выполнять разные действия — в том числе использовать компьютерную мышь и нажимать на курок цветочного обрызгивателя.

И i-Limb, и Bebionic3 могут выглядеть достаточно натурально, однако опять же до полноценной замены рукам им очень далеко.

Куда ближе к успеху, например, проект Технического университета Чалмерса; его сотрудники в конце прошлого года объявили, что им удалось создать протез, который управляется частично тем же миоэлектрическим методом, а частично — нервной системой: имплантируемые электроды перехватывают биоэлектрические сигналы, поступающие по нервам из мозга, и встроенный в протез компьютер декодирует их в команды для управляющих моторов. Протез позволяет двигать как всеми пальцами сразу, так и каждым по отдельности.

Уровень интуитивности управления протезом, как уверяют разработчики, значительно превосходит другие активные протезы, представленные на рынке.

Ну а высший пилотаж — это, конечно, искусственные руки, управляемые исключительно нервными сигналами.

Опять же в конце декабря в американском медицинском журнале Lancet был опубликован материал о разработке нейробиолога Эндрю Швартца из Университета Питтсбурга: 53-летней женщине, парализованной от шеи и ниже в результате тяжёлого нейродегенеративного заболевания, вживили в мозг крошечные электроды, с помощью которых она смогла управлять полностью искусственной рукой. В данном случае речь идёт именно о протезе, управляемом непосредственно мозгом. По словам Швартца, его система «декодирует двигательные намерения пациента».

Интересно, что проект финансировало Агентство передовых оборонных исследований при Минобороны США — DARPA.

И вот почти уже на днях появились публикации о новом прототипе бионического протеза, передающем в мозг в том числе и тактильные сигналы, — благодаря специальным сенсорам, расположенным на пальцах, в ладони, на запястье. Таким образом, человек в буквальном смысле чувствует, где располагается протез и что он сжимает.

Естественно, до реальных ощущений тут ещё далеко. Более того, использование протеза требует специального импланта, который нельзя носить дольше месяца. Прототип есть прототип.

Бионические ноги

Нога — казалось бы, чуть менее сложное устройство, нежели рука. Тем не менее сымитировать её так, чтобы носитель бионического протеза почти забывал о том, что его конечность имеет ненатуральное происхождение, до сих пор никто не сподобился. Хотя и здесь работы ведутся весьма активно.

Университет Вандербильта уже несколько лет разрабатывает и испытывает бионический протез ноги с двигателями на колене и около ступни. Непосредственным носителем протеза стал 23-летний студент Крейг Хатто, несколько лет назад лишившийся ноги в результате нападения акулы.

Судя по видео, он вполне может сегодня ходить как по ровным поверхностям, так и по наклонным, и снаружи заметна лишь небольшая хромота:

Судя по описанию, нога представляет собой автономное устройство, оснащённое мощным компьютером (реализованным на одной схеме) и соответствующим ПО. Нога «сама знает», как ей себя вести в каждый момент времени. Известно, что Хатто проходил с этой ногой расстояния до 13-14 км.

В конце ноября прошлого года много шума наделала история о том, как Зак Воутер, инвалид, лишившийся ноги несколько лет назад, смог подняться на вершину самого высокого в Западном Полушарии здания — 103-этажной Башни Виллиса в Чикаго.

Протез, которым пользуется Воутер, так же как и искусственная нога Хатто, разработан в Университете Вандербилта, на сей раз совместно с Реабилитационным институтом Чикаго. Протез подсоединяется к нервным волокнам в ноге, так что управляется эта искусственная нога «силой мысли».

Существует и множество других сходных разработок, причём речь идёт не только о протезах. Например, «бионическая нога» Tibion — это фактически экзоскелет для ног, рассчитанный на пожилых людей с конечностями, парализованными, например, вследствие инсульта.

Искусственное сердце

Говоря о бионических протезах, нельзя обойти вниманием и искусственное сердце.

Разработки в этом направлении ведутся более полувека, первые эксперименты относятся к концу 1949 года. Первая успешная попытка имплантации искусственного сердца состоялась в 1982 году: устройство Jarvik-7, разработанное Робертом Ярвиком, было вживлено двум пациентам, один из которых прожил потом 112 дней, а второй — 620 дней.

Последнее поколение «сердцезаменителей» — таких, как Phoenix-7, AbioCor, SynCardia — преимущественно предназначены для временной замены главного насоса в человеческом теле. Расчёт идёт на то, что пациент в итоге получит донорское сердце, которым удастся заменить искусственное устройство.

Управление по контролю за продуктами и лекарствами (США) пока одобрило только два искусственных сердца — SynCardia temporary Total Artificial (одобрено в 2004 году после 10 лет испытаний) и AbioCor Replacement Heart (одобрено в 2006 году).

К несчастью, первая попытка вживить AbioCor в июне 2009 года закончилась малоудачно. Пациент умер в конце августа того же года. Впоследствии разработчик AbioCor — компания AbioMed прекратила маркетинг своего искусственного сердца.

Так что SynCardia, судя по всему, сейчас лидирует в этой области.

Кардиохирурги, однако, сталкиваются с двумя неприятностями. Во-первых, часто случается, что организм начинает активно отторгать искусственный орган; во-вторых, у пациентов, перенесших операции по протезированию клапанных механизмов сердца, отмечается Кардиопротезный психопатологический синдром, заключающийся в фиксации внимания на работе имплантированного клапана, сопровождающейся характерными звуковыми явлениями.

Достаточно представить себе, что внутри у вас — шумящее инородное тело, и чувства таких пациентов станут понятны…

Слуховые аппараты

К бионическим протезам можно относить и так называемые кохлеарные имплантаты, представляющие собой медицинские устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика, которые устанавливаются снаружи, на волосах или коже больного, а также приёмника, имплантируемого подкожно, и цепочки электродов, введённых внутрь слуховой улитки посредством хирургической операции.

Функция кохлеарного имплантата заключается в стимуляции электрическими импульсами волокон слухового нерва в улитке.

Аппараты предназначены для людей с тяжёлой потерей слуха сенсоневральной этиологии.

Кохлеарные импланты — вещь далеко не новая. Методики стимуляции слухового нерва разрабатываются с 1950-х годов, к концу 1950-х относится первая попытка создания кохлеарного имплантата для использования в клинических условиях.

Первые попытки создания «бионического уха» — мультиэлектродного имплантата — относятся к 1978 году. Эксперименты проводились в Университете Мельбурна. На основе этой разработки получился коммерческий продукт, который к концу 2000-х частично вернул слух более чем сотне тысяч человек всех возрастов (вплоть до 6-месячных детей) по всему миру.

Устройства, впрочем, очень недёшевы: 45-125 тысяч за весь процесс лечения.

Искусственные глаза

«Компьютерра» ещё в прошлом году писала про глазные имплантаты Argus II (разработан компанией Second Sight) и Bio-Retina.

Argus II состоит из специальной антенны, устанавливаемой на глазное яблоко (или рядом с ним) и специальных очков, оснащённых камерой и соединённых с носимым компьютером. Сигнал, полученный камерой, обрабатывается этим носимым компьютером, после чего передаётся на приёмник, который даёт команду вживлённым электродам начать стимуляцию уцелевших клеток сетчатки глаза и зрительного нерва.

60 электродов — это очень мало, но пациенты могут различать грубые формы предметов и даже читать крупные буквы. Это не говоря уже о возможности ориентироваться в пространстве, которая сама по себе очень ценна.

Сейчас разные компании и научные учреждения разрабатывают аналогичные системы с большим количеством электродов, которые позволят слепым людям видеть окружающее пространство куда лучше.

В свою очередь, Bio-Retina представляет собой сенсор с разрешением 24х24 пикселя (то есть всего 576 пикселей), который помещается на не функционирующую сетчатку и подключается прямо к глазному нерву. Встроенный обработчик изображения переводит данные от каждого из пикселей в электрические импульсы таким образом, чтобы мозг мог вычленять оттенки серого на получаемой картинке.

Питание Bio-Retina получает от специальных очков, которые способны проецировать на сенсор инфракрасное излучение. Крохотная солнечная батарея вырабатывает три милливатта, которых вполне достаточно для работы устройства. Пока что ни одного человека с Bio-Retina нет, но первые пациенты получат имплант уже в этом году.

Как видим, бионическое протезирование — вполне процветающая область науки, к тому же частично коммерциализованная. К сожалению, все эти бионические устройства, хоть и имитируют работу «живых» органов, не могут их заменить в полной мере.

И вряд ли смогут в ближайшие десятилетия — слишком уж тонкую материю из себя представляет человеческое тело и слишком многое с ним остаётся загадочным и непонятным.

К оглавлению