Главная » 2014»Март»2 » «Бионические» протезы (какие органы сегодня можно подменить электроникой)
19:22
«Бионические» протезы (какие органы сегодня можно подменить электроникой)
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.
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.
