«Бионические» протезы: какие органы сегодня можно подменить электроникой

Технологии
автор: Юрий Ильин  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"

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.

Поделиться
Поделиться
Tweet
Google
 
Читайте также
Бионический протез из «Звёздных войн» стал реальностью
Бионический протез из «Звёздных войн» стал реальностью
Эти два кибернетических глаза позволяют видеть слепым
Эти два кибернетических глаза позволяют видеть слепым
Дармовая энергия по заоблачным ценам: кто устроил панику в Австралии?
Дармовая энергия по заоблачным ценам: кто устроил панику в Австралии?
  • kue

    «..использовать компьютерную мышь и нажимать на курок цветочного обрызгивателя..»

    Впал в мрачную задумчивость (( Уже теперь и безрукие скоро не откосят от «обрызгивателя».

    • ExMuser

      Я на наносекунду затаил дыхание перед «опрыскивателем». :)

  • Вот они инновации в действии. И деньги приносят…

    … Когда же у нас наконец нефть-то кончится…

    • AlexKuksa

      Когда у нас кончится нефть — нового ничего не начнется.

      • ExMuser

        Ну да, война — дело старое как жизнь. :) :) :)

      • Халявные деньги кончатся, и, по идее, руководству придется крутиться, чтобы их не революционизировали.

        • AlexKuksa

          Не тот случай. Почитайте про правило трех конвертов.

          • Поискал, нашел только статьи про ведение домашнего бюджета. Но вы же не про то? :)

            Также вспоминается анекдот про админа. Т.е. имеется в виду, что власти свалят?

            Ну да, я подразумевал идею, что властям, тем, что заменят сваливших, придется как-то крутиться, чтобы на этой холодной обедневшей земле выжило их племя.

          • AlexKuksa

            Сталин оставил Хрущеву три конверта и наказал вскрывать их, если страна окажется на грани кризиса. «Через несколько лет случается первый кризис. Хрущев вскрывает конверт и читает: «Вали все на меня. Коба». Спустя некоторое время случается второй кризис. Хрущев вскрывает второй конверт и читает: «Обещай им все что хочешь. Коба». Третий кризис. Хрущев читает: «Готовь три конверта».

          • Да, именно эту ситуацию и описывал анекдот про админа и его предшественника. Ответ см. выше.

    • …»а за то у нас песни хорошие!!!» ©

      • Александр

        что за ересь вы несёте люди далёкие от медицины и от других наук в частности

        • Цукен Некуцй

          куда уж нам, таким далёким до вас, таких недалёких, в частности

  • Stavr Ognev

    >к настоящему времени ни одного стопроцентно успешного проекта по созданию бионической руки, к настоящему времени не существует

    Fix it now.

  • Цитата: «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». Пожалуй это квинтэссенция статьи. Есть теория (и довольно распространенная), что нервные импульсы в теле человека (или любого другого биологического существа) движутся противоположно вектору времени и только это может объяснить скорость реакции на раздражители.

    • ExMuser

      Простите, но — ересь. Принципы работы ЦНС в нашей Вселенной ещё (пока) никто так толком и не изучил. И в ближайшие десятилетия не изучит точно. А попытки — похвальные. Позволяют людям хоть как-то вернуться к привычному для здоровых людей образу жизни. Честь им и хвала, и да пусть им всегда сопутствует удача.
      Но! Самая большая проблема — это питание этих всех девайсов. В этом отношении человечество недалеко отошло от Гальвани…

  • док доков

    Выкуп аварийных авто http://avtvykup.ru

Хостинг "ИТ-ГРАД"
© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2016
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.
«Партнер Рамблера» Почта защищена сервером "СПАМОРЕЗ" Хостинг "Fornex"