Обзор рынка бионических рук которые можно купить в россии. Бионический протез: история создания, принцип работы
Более 15% людей на сегодняшний день страдают из-за нарушений в организме, которые не дают им полноценной физической активности и препятствуют нормализации социальной жизни. Сложно себе представить, но всего лишь за 12 месяцев свыше 50 миллионов людей получают инвалидность. И все это ведет к огромным денежным расходам. Например, за 2015 год было потрачено практически четыре с половиной триллиона долларов. Эти расходы нельзя назвать потерями. Но можно сравнить с бедами мировой экономики – например, с ситуацией 2008 года, когда был провал в экономике. Вышеназванная сумма значительно выше годового ВВП РФ.
Никто не говорит о том, что нужно экономить на здоровье, например, инвалидов. Дело в другом – эти расходы можно было бы уменьшить без потери оказания медицинской помощи нуждающимся. Например, если бы в массы поступили качественные и функциональные протезы , то экономия была бы колоссальной. И это не пустые слова, а исследования Высшей школы экономики.
Сейчас есть возможности и материалы для создания многофункциональных протезов , которые по функциям ничем не уступали бы обычным, грубо говоря, человеческим рукам. Протез позволяет сгибать даже кисть, о чем раньше даже боялись говорить в медицине. Сгиб в запястье – это огромные возможности для инвалида и возможность вести полноценную жизнь. сегодня есть такие протезы, которые способны вращаться на 360 градусов, без какого-либо вреда человеку. Казалось бы, что мешает ученым наконец-то выпустить в медицину такие новшества? Все просто – для инвалидов модели станут непозволительной роскошью. То, что раньше казалось фантастикой, сейчас уже реализовано. Проблема в цене, которая по-прежнему фантастическая.
Бионический протез рук «BeBionic»
Сложно себе представить, но компания RSLSteeper посвятила области протезирования уже более 90 лет – и добилась в этой отрасли больших высот, начав производить целый ряд моделей бионических рук . Уже в 2010 году состоялась первая презентация технологии – она прошла в Германии. Один из протезов обладал четырьмя функциональными охватами, которые можно было переключить с помощью большого пальца, что достаточно удобно.
Дальше презентовали вторую модель протеза. У нее уже был прекрасный дизайн, причем вырос функционал охвата. Данный протез позволял работать даже с компьютерной мышью и делать быстрый двойной клик. С помощью сенсоров протез научился подстраиваться под габариты и формы объекта.
После вышла третья модель «BeBionic 3» — появилась она в 2012 году. Вы можете посмотреть видео ниже, чтобы посмотреть, на что способна данная технология.
Еще одна примечательная разработка – это «BeBionic Small». Это так называемый компактный протез
, который отличается от третьей модели только размером. Также протез получил реалистичные подушечки на пальцах руки. Они нужны для комфортной и аккуратной работы с небольшими вещами.
Представители компании заявили, что проработать протез может весь день. Дальше его необходимо заряжать. Из минусов – нельзя ложиться спать с протезом. Так как покупка дорогостоящая, на нее идет гарантия на 12 месяцев. При желании клиент может доплатить и увеличить гарантию даже сроком на 5 лет.
Каждый палец работает благодаря своему мотору. Причем он очень грамотно расположены, чтобы не возникало у модели проблем с равновесием. За положение пальца отвечает микропроцессор. Огромное количество дел можно переделать за счет 14 хватов – этого количества вполне достаточно. Можно уменьшить силу хвата, скорость движения протеза. То есть, полноценная имитация настоящей руки . Если нужно что-то поднять, увеличиваешь силу, если просто берешь пластиковый стакан в руки, уменьшаешь ее. Что больше удивляет, автоматический захват. Если система понимает, что предмет в руке человека начинает падать, она сразу же усиливает охват в пределах нормы.
Протез будет достаточно легким. Производитель решил использовать алюминий и углепластик. Причем, несмотря на свою легкость, протез способен справиться с нагрузкой вплоть до 45 килограмм. Вращение в 360 градусов – один из приятнейших бонусов представленной модели.
Touch Bionics установили первую в мире бионическую руку
Компания «BeBionics» не сидит где-то в тени, создавая новые проекты. Сотрудничество с СМИ дает свои плоды – бренд этой фирмы известен во многих странах. Вдобавок в 2007 году не было конкурентов у данной компании. Они первые выпустили на рынок бионическую руку , чем и завоевали славу. Даже на момент 2007 года производитель научил работать протезы таким образом, что они справлялись с различными охватами.
Наступает 2014 год. Выходит протез под названием «i-Limb Revolution». Эта модель позволяла людям с легкостью упаковывать вещи, работать с мелкими предметами, носить продукты в пакете, закрывать и открывать шкаф и даже завязывать шнурки обоими руками.
Вы может и не замечали, но без запястий многие бы действия мы совершать не могли. Поэтому производитель начал работать над запястьем протеза. И добился успеха – движение кистью возможно на 40 градусов, причем в обе стороны – это значительно расширяет возможности протеза.
Наступает 2015 год. Рождается еще одна модель – «i-Limb Quantum». Ее функционал кажется удивительным. 24 хвата, вдобавок еще 12 может настроить сам владелец протеза. Это был прорыв в данной сфере технологий.
Чтобы выбрать охват, владельцам протеза нужно работать с мобильным приложением – оно программирует искусственную руку
. Больше всего данная модель впечатляет тем, что можно контролировать и регулировать охваты жестами. Жест в одно направление сменяет охват, в другое – укрепляет его. Работает протез под четыре направления жестов – этого достаточно для комфортного и функционального управления искусственной рукой
.
Компания «Touch Bionics» ведет активную деятельность на ютьюбе, постоянно публикуя интересные ролики, связанные с протезами. Например, один ролик посвящен тому, как с помощью искусственных рук человек готовит блюдо.
Отметим, что компания была основана в 2003 году. Ее основание произошло в 2003 году. Всего за 2015 год фирма заработал свыше 15 млн. долларов. Больше всего покупателей пришло из Германии и Франции. В 2016 году компанию продали Исландии. Стоимость сделки составила 27 с половиной миллионов фунтов. Продать Touch Bionics решили ввиду неправильно построенной бизнес-модели, из-за которой компания теряла прибыль.
Новый владелец компании, «Ossur» — далеко не новичок на рынке бинических протезов . Фирма уже давно работает над технологиями нижних конечностей, причем работает с огромными объемами. А за счет Touch Bionics выйдет на новый уровень.
Ottobock
Это немецкий концерн, входящий в тройку лидеров. Даже до нашей страны дошли разработки данной корпорации.
Компания представляет линейку «MyoFacil2». Это миолектрические устройства. Пока их функционал минимален. Подходят данные технологии для инвалидов, у которых ампутированы ниже локтя руки. Ниже мы разместим видео, где инвалид с таким протезом решает обычные домашние дела. Ему не составляет труда навести дома порядок, позавтракать, поехать на работе на автомобиле и т.д.
Стоимость такого товара может достигать пол миллиона рублей. Можно найти и за 400 тысяч протез – все зависит от того, какие расходники установлены, какое предприятие занимается их продажей.
У модели впечатляющие скоростные показатели схватывания рукой – показатели могут достигать 300 миллиметров за 1 секунду. С помощью протеза можно работать даже с мелкими деталями. Минус все же есть. Грубо говоря, перед нами миоэлектрический «крюк» с перчаткой, что пока пиком технологий назвать нельзя.
Есть еще одна интересная технология у организации – это «Michelangelo». Всего у модели семь хватов. Она позволяет с легкостью работать с плоскими и миниатюрными вещами. Эта модель отличный конкурент для «i-Limb».
Представители компании заявляют, что минимальная цена такого протеза составляет 2 миллиона рублей. Причем срок эксплуатации – 3 года. Дополнительные расходы – это покупка перчатки не реже чем раз в 6 месяцев. Увеличить цену протеза можно своеобразность культи инвалида. В итог цена может достигать 2 500 000 рублей при лучшей комплектации модели.
Работает искусственная рука за счет новой системы «Axon-Bus». Она ранее использовались в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Далее компания решила адаптировать технологию с целью создания протезов. Было использование шарнирное соединение с учетом технологии «AxonWrist», в результате чего человек получил возможность как сгибать, так и поворачивать протезом без малейшего дискомфорта.
Проблем со здоровьем от использования протеза у инвалида не возникает. Напротив, модель позволяет держать правильно осанку, не допустить искривления позвоночника. В конце концов, человек получает возможность выполнять какие-то незначительные, но все же необходимые действия даже в процессе, например, прогулки.. Причем протез получился достаточно реалистичным, поскольку при ходьбе он покачивается, как реальная рука. И не в реализме дело, в том, что на осанку в данном случае не идет отрицательного влияния, а от ампутации она часто портится.
Из нюансов – есть два мотора, которые отвечают за работу среднего, указательного и большого пальца. Два остальных пальца работают уже на основе трех других, а не самостоятельно. Для кончиков пальцев установили мягкий материал, чтобы хрупкие и маленькие предметы не портились, не ломались при работе с ними. Всего у протеза 7 хватов. Хват «открытая ладонь» присутствует.
Представители компании заявляют, что даже если человек активно пользуется протезом в течение дня, до вечера он точно не разрядится. Также компания отметила, что протезов для нижних конечностей сейчас больше, чем для верхних. Например, на территории России хороших моделей в продаже не более 7000. А что касаемо биоэлектрики, здесь точное число назвать сложно. Пока и модель «MyoFacil» не сильно популярна в России.
И вполне очевидно, в чем беда продаж в России. Рынок далек от пика развития. Специалистов в стране минимум, комплектующих всегда не хватает. В результате лишь единицы инвалидов покупают себе такие протезы, если смогут их найти на рынке.
Бионическая рука имеет свой не достаток
Батарея
Все мы знаем, что день активного пользования смартфоном – это предел его возможностей батареи. Какими бы невероятными технологии протезов не казались, они также не живут без подзарядки больше суток точно. День человек поработал с протезом, ночью придется ставить его на зарядку через обычную розетку. А что если человек любит путешествовать, часто в дороге? Приходится тратиться на покупку дополнительных аккумуляторов – и стоят они не так дешево, как аккумуляторы для гаджетов.
Вода враг – протезов
К сожалению, покупаться в протезах не получится. Даже перед походом в душ придется снимать искусственную руку. Чтобы в устройство не попадала влага, да и не влияла агрессивная среда в целом, нужно надевать специальные перчатки. Конечно, сделать герметичный корпус для протезов – не так уже сложно. В будущем такие модели будут, и их не нужно будет постоянно снимать. Лишь для технического обслуживания.
Управление не всегда работает корректно
В плане скорости у протезов все нормально. Если покупать хорошую модель, то она будет способна справиться с теми нагрузками, с которыми настоящая рука просто не справиться. И вроде бы все замечательно, но миоэлектричесские датчики не всегда срабатывают грамотно. Проблема в том, что первым делом мозг отправляет команду в мышцу у датчика, дальше в работу вступает датчик, который передает команду двигателю. И только после этого совершается жест. К чему мы клоним? Протез работает быстро, но в плане скорости реакции все пока печально.
Кстати, в плане протезов для нижних конечностей уже с реакцией все хорошо. Опять же, это заслуга «Ossur». Всего лишь за 15 минут хирурги могут установить ступни . Поскольку их работа заключается в установке в остатке конечностей специальных сенсоров. А скорость реакции гарантирует мыслительное управление, а не механическое. То есть, не нужно соединять протез с мышцами или нервами. Сигнал будет идти конкретно на нервную систему, чем и достигается прекрасная скорость работы.
Стоимость
Как мы уже сказали, удовольствие за два миллиона рублей (а то и больше), позволить себе может не каждый инвалид. А когда ценовая политика станет более-менее приемлемой, сложно представить.
Современная наука и медицина позволяют существенно облегчить жизнь больным, которым ранее не давалось никаких перспектив на улучшение самочувствия и реализацию в социуме. В этой статье мы ознакомим вас с 6 удивительными техническими достижениями современной медицины. Возможно, эта информация будет полезна для вас, и вы сможете воспользоваться предложенными новинками технического прогресса, делающими жизнь больных более насыщенной, позитивной и свободной.
Бионические протезы
Упоминание о бионических протезах вызывает у многих ассоциации с фильмом «Звездные войны». Искусственная рука может функционировать как настоящая, глаз «видит» и мозг «считывает» полученную информацию, ухо воспринимает все звуки – это далеко не весь перечень таких протезов.
Слово «бионический» произошло от слова «бионика», и оно обозначает использование технических устройств, способных воспроизводить структуры живой природы. Одним из направлений этой отрасли является создание протезов и имплантатов, созданных на основе множества наук – химии, физики, биологии, кибернетики, электроники, навигации и др. Они способны воссоздавать функции утраченных органов и конечностей.
Бионические руки
Создание этих протезов заняло много времени и сил, т. к. при создании искусственной конечности трудно воспроизвести такие деликатные движения, которые способна выполнять кисть человека. Это объясняется тем, что на кончиках пальцев расположены самые чувствительные нервные окончания, обеспечивающие предельную точность движений.
Пока ученые не смогли на все 100% повторить естественные возможности руки человека, но существует несколько интересных попыток, максимально приближающих функции протеза к обычной верхней конечности. Такие бионические устройства разрабатываются различными компаниями.
Протезы i-LIMB
Эти бионические руки выпускаются компанией Touch Bionics и изначально разрабатывались для ветеранов войны. Они способны брать и удерживать предметы, пальцы могут двигаться по-отдельности, воспроизводя несколько записанных стандартных движений, сила сжатия предметов может быть различной.
Работа протеза основана на свойствах микроэлектрического устройства, которое считывает биоэлектрические потенциалы с уцелевшей области руки и передает их на программное устройство, обеспечивающее дальнейшее функционирование бионической верхней конечности. В компьютерной системе содержится целый ряд стандартных движений и захватов.
Протезы Bebionic3
Эта разновидность миоэлектрического протеза аналогична бионической руке i-LIMB. Она способна выполнять 14 разных захватов и движений для воспроизведения разных действий. Как и протез i-LIMB, эта бионическая рука в процессе доработок, и после них может стать полноценной заменой настоящих верхних конечностей.
Проект биоруки ученых Технического университета Чалмерса
Ученым удалось создать биопротез, способный работать частично от миоэлектрики и частично от нервной системы инвалида. В руку пациента могут имплантироваться электроды, способные считывать производимые головным мозгом биоэлектрические сигналы. После этого сигналы поступают в компьютерное устройство, и система перенаправляет их в импульсы, управляющие моторами. В результате обладатель биоруки может управлять и всеми пальцами одновременно, и двигать отдельные пальцы.
Разработчики этой модели бионических протезов проводят работу над совершенствованием этой биоруки. Их стремления направлены на создание искусственной верхней конечности, которая будет управляться исключительно нервными сигналами, вырабатываемыми головным мозгом.
Разработка нейробиолога Эндрю Швартца
Благодаря этой разработке удалось провести операцию, которая была направлена на восстановление движений рукой парализованной женщины, страдающей от тяжелого нейродегенеративного заболевания, приведшего у полной утрате движений во всем теле. В ее мозг были имплантированы электроды, способные управлять биорукой.
Тактильные сигналы прототипа нового биопротеза руки передаются специальными сенсорами, встроенными в кончики искусственных пальцев, запястья и ладони. Такое нововведение позволяет человеку чувствовать не только расположение протеза, но и сжимаемые им предметы. Пока эти ощущения не могут в полной мере сравниваться с естественными ощущениями человека, а материал имплантата может находиться в организме человека не более месяца. Однако первые шаги к созданию идеальной бионической руки уже сделаны.
Бионические ноги
Несмотря на тот факт, что создание бионической ноги более легкая задача, чем разработка искусственной руки, пока ученые не смогли полностью приблизиться к естественному аналогу. Такие работы активно проводятся, и на протяжении нескольких лет ученым удалось создать ряд удачных бионических протезов нижних конечностей.
Университет Вандербильта проводит усиленную работу над созданием двигателей для ступни и колена. Первым человеком, испытавшим возможности такой бионической ноги, стал 23 летний студент Крейг Хатто, который лишился конечности в результате контакта с акулой. Анализ видеоматериалов о его походке позволяет делать выводы, что молодой человек может вполне хорошо передвигаться по различным поверхностям. Его хромота заметна лишь слегка, и Крейг смог пройти самостоятельно расстояние в 14 км. Протез может реагировать на самые минимальные изменения в условиях движения, т. к. он оснащен внушительным компьютерным и программным обеспечением.
Еще одной удачной разработкой ученых из Университета Вандербилта и Реабилитационного центра института Чикаго стала бионическая нога для Зака Воутера. Благодаря ее техническим возможностям он смог самостоятельно подняться на 103-этажный небоскреб. Секрет характеристик этой модели бионической ноги кроется в том, что протез может управляться сигналами, посылаемыми из головного мозга, и соединен с нервными окончаниями ноги.
Кроме вышеперечисленных бионических протезов существуют и другие достойные разработки искусственных нижних конечностей. Одной из них является бионога Tibion. Ее конструкция максимально приближена к параметрам скелета естественной ноги. Эта разработка была создана для пожилых больных с обездвиженными нижними конечностями (например, после кровоизлияния в мозг в результате ).
Слуховые аппараты
С помощью кохлеарных имплантов можно вернуть слух многим пациентам с тугоухостью. Бионическими протезами можно считать и кохлеарные имплантаты, вживляемые в органы слуха. Они представляют собой устройства, состоящие из микрофона, звукового процессора и передатчика звукового сигнала, который может фиксироваться путем прикрепления к волосам или на кожу. Приемник, входящий в состав этого устройства, имплантируется под кожу пациента, а ряд электродов вводится во время хирургической операции внутрь слуховой улитки.
Аппараты этого типа изобретены уже давно: впервые они устанавливались уже в 1951 году. Первый кохлеарный имплантат был установлен в 1978 году. Он был разработан в Мельбурне и устанавливался людям с тяжелыми нарушениями слуха сенсоневрального происхождения. К 2000 году благодаря этой разработке ученых частично вернуть слух удалось тысячам больных, в т. ч. и детям до года. Сейчас такие операции могут проводиться и в России.
Искусственное сердце
С 1950 года начали проводиться первые эксперименты по созданию искусственного сердца. Первые имплантации такого бионического протеза были проведены в 1982 году. Jarvik-7 – результат научных исследований доктора Ярвикова – был пересажен двум пациентам. Тогда они считались успешными, т. к. могли продлевать жизнь больных даже на непродолжительные сроки. Один из них смог прожить после выполнения пересадки 112 дней, а второй – 620 дней.
Множество попыток заместить естественное сердце искусственным привело ученых к тому, что они смогли создавать модели, способные стать временным вариантом для поддержания жизни людей, нуждающихся в пересадке сердца от донора. Сейчас к числу таких бионических сердец относят такие два устройства: SynCardia temporary Total Artificial и AbioCor Replacement Heart. Лидером среди этих разработок стало искусственное сердце SynCardia temporary Total Artificial, т. к. первая имплантация второго варианта потерпела фиаско.
При выполнении пересадки искусственного сердца возможно появление такого риска для больного как отторжение устройства. Оно вызывается кардиопротезным психопатологическим синдромом и заключается в чрезмерной фиксации внимания больного на работе клапана, сопровождающейся характерным слышимым звуком. В результате пациенты пугаются такого сочетания звука и осознания того, что внутри них находится инородный механизм.
Бионический глаз
Одним из самых удивительных бионических протезов можно по праву считать искусственный глаз. Сложность его работы оправдывается тонким устройством естественного органа зрения.
Argus II
Принцип работы такого устройства как Argus II заключается в установке антенны в область глазного яблока и на специальные очки, снабженные камерой и соединенные с компьютером. Полученный визуальный сигнал фиксируется камерой и поступает в обработку на компьютерное устройство. После обработки он переводится на приемник и направляется к электродам, стимулирующим уцелевшие клетки зрительного нерва и сетчатки.
Argus II включает в себя 60 электродов, и они позволяют больному различать формы, очертания и цвет предметов и воспринимать шрифт больших размеров. Полностью восстановить зрение такое устройство пока не способно, но его использование позволяет человеку получать ориентацию в пространстве и социализироваться в более полной мере.
Bio-Retina
Этот искусственный глаз включает в себя сенсор, разрешение которого составляет 576 пикселей, его имплантируют в функционирующую сетчатку и соединяют с глазным нервом. Бионический протез преобразовывает данные пикселей в электрические импульсы и головной мозг. Bio-Retina работает через специальные очки, проекцирующие инфракрасное изображение на сенсорное устройство, подпитывающееся от солнечной батарейки.
Бионический миокард
Этот бионический протез создан израильскими учеными, и он может помочь множеству людей, страдающих от , избежать наступления смерти в ожидании трансплантации сердца от донора. Разработчикам удалось воссоединить ткань живого миокарда с наноэлектроникой и полимерными материалами. В результате полученные «заплатки для сердца» позволяют заменять существенно поврежденные участки этого жизненно важного органа. Ученые добились того, что такие биопротезы позволяют не только готовить больного к необходимой трансплантации, но и лечат сердце.
Человечество со времен средневековья и по сегодняшний день стремится создать протезы, наиболее похожие на утраченную конечность как внешне, так и функционально. Будущее - за бионическими протезами, которые механически наиболее приближены к функционалу тела здорового человека, однако проблема качественного управления такими устройствами на сегодняшний день до сих пор не имеет готового решения.
За последние 5 лет появилось много компаний, занимающихся разработкой бионических протезов. В основном фокус делается на дешёвые бионические устройства из пластиковых деталей, выполненных в том числе при помощи технологий 3D печати. Есть уже готовые продукты, например, от OpenBionics, которые сейчас находятся на стадии одобрения в FDA . Механическая часть у таких игроков на рынке, как OttoBock или iLimb , тоже развивается, но это развитие направлено не на удешевление протезов, а скорее на механику движений (плавность, естественность, точность). При подобном подходе функциональная часть протеза развивается, но управляемость остается прежней.
От Крюка до бионики
История протезов начинается еще в давние времена - наиболее древним считается протез глаза , который относят к III тысячелетию до н. э. В средние века стали появляться хорошо известные «пиратские» деревянные опоры вместо утраченных ног или крюки вместо кисти. Такие протезы выполняли ограниченный ряд функций, в которых нуждался конкретный человек, исходя из его рода деятельности. Подобный подход можно встретить в протезировании и сегодня.
Когда речь идет о реабилитации после ампутации руки, наиболее простым решением является косметический протез. Помимо эстетического назначения, такие протезы не выполняют практически никаких функций и не имеют преимуществ по сравнению со средневековыми протезами-крюками.
Другое решение - это тяговые протезы. Их кисти уже могут сжиматься и разжиматься за счет, например, движений лучезапястного или локтевого сустава оставшейся части руки. Эти движения руководят механическим натяжением нитей, приводящих «пальцы» в действие. Такая кисть «умеет» только сжимать кулак и разжимать его. Она отличается быстродействием и неплохой надежностью. Тяговые протезы разрабатываются отечественными инновационными компаниями, также их можно сделать самостоятельно по инструкции (что практикуется и в странах третьего мира).
Третий класс - механические протезы, управляемые мышечной активностью. Такие устройства, как правило, выполнены из металла, имеют большую прочность, но обладают только двумя степенями свободы - сжатие и разжатие . Управлять механическим протезом не очень удобно: для того, чтобы разжать кулак, нужно напрячь внешнюю сторону предплечья, а для того, чтобы сжать - наоборот, напрячь внутреннюю сторону предплечья. Это так называемый триггерный способ управления: либо мышечная активность есть - тогда движение активируется, либо мышечной активности нет. К сожалению, такая система управления может приводить к ложным срабатываниям. Механические протезы обладают «внешностью» косметических и функциональностью тяговых, питаются от аккумулятора, который размещается на протезе. Металлический каркас и мотор, приводящий в движение кисть, позволяют называть конструкцию надежной: например, если требуется держать какой-то предмет, механическая рука сможет сжать его сильно и надолго, и это практически не потребует усилий со стороны человека. Неудобное управление и ограниченная функциональность - основные недостатки механических протезов.
Последний, четвертый класс - бионические протезы, в которых каждый палец управляется отдельным мотором - это дает большее преимущество в плане манипуляций с предметами. Система управления бионической кистью такая же, как и у механической, на основе сжатия и разжатия - поэтому этими протезами сложно пользоваться. Для облегчения использования добавляют какие-либо внешние переключатели - рычажки на протезе или приложения на смартфоне.
Дороговизна и малофункциональность
«Бионичность» подразумевает помимо восполнения механических функций потерянной руки, естественность её использования. Разработчики сфокусированы на оптимизации строения протезов - нужны максимально прочные, эргономичные, функциональные с точки зрения механики решения. Тем не менее, задача обеспечения максимальной функциональностью управления, не имеет готового решения на рынке. А неудобные и ограниченно функционирующие протезы стоят от $30 000 до $70 000 .
Все сегодняшние R&D проекты сфокусированы на двух направлениях: удешевление самого протеза и улучшение системы управления . Если для первой проблемы существуют более-менее подходящие решения, то в области разработки систем управления все только начинается.
В идеале человек, пользующийся протезом, не должен замечать системы управления. То есть интерфейс между человеком и протезом использует естественные механизмы управления, которым человек обучался ещё в детстве. Таким образом, остро стоит вопрос, какой интерфейс взаимодействия между человеком и протезом стоит использовать и как подстроить это взаимодействие под индивидуальные особенности каждого?
Совершенное взаимодействие с человеком
Для удешевления производства используются технологии 3D печати. Стоимость таких протезов невысока за счет использования пластиковых деталей, а компаний, которые занимаются 3D печатью протезов, достаточно много по всему миру, в том числе и в России. Зарубежные компании создают модели бионических протезов и выкладывают их в открытый доступ, способствуя развитию и доступности протезирования. Другие компании-разработчики оптимизируют и дорабатывают дизайн и механику свободно доступных 3D моделей.
А вот решить задачу по улучшению взаимодействия человека с протезом намного сложнее. Наиболее «естественный» подход - это полноценная трансплантация руки . Мышцы и нервы при этом работают точь-в-точь как в здоровой руке, но процедура весьма дорогостоящая, требующая донорский материал, дополнительную терапию и риски отторжения. Безусловно, за таким методом, в том или ином виде будущее, которое наступит только после революций в смежных областях - лет через 100. Пока актуально создание устройств реабилитации, в достаточной мере восполняющих функции утраченной кисти и позволяющих управлять собой естественным образом.
Можно выделить четыре основных типа взаимодействия человека с протезом:
Первый , наиболее радикальный - разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга. Такой интерфейс обладает теми же недостатками, что и трансплантированная рука. Особенно уместны импланты в мозг в случае, когда по каким-либо причинам нарушена связь головного мозга и руки. В остальных случаях стоит дополнительно оценивать пользу/риск от использования такого интерфейса.
Второй способ управления - использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам. Метод считается перспективным, но имеет ряд технических сложностей, которые мешают появлению в продаже интерфейса на его основе. Во-первых, из-за особенностей регистрации карты мозговой активности систему нужно «обучать» заново при перемещении электродов. А во-вторых, сам сигнал очень неустойчив к различного рода электрическим наводкам и помехам.
Третий: имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части руки. Такой способ имеет все те же проблемы , что трансплантация и мозговые импланты, к тому же требует длительной и индивидуальной работы врачей.
И последний тип интерфейса - электромиография (ЭМГ). Простейшая его реализация - триггерная - используется в механических протезах, руководя сжатием или разжатием кисти. В бионические протезы внедрена точно такая же система управления. Но, как уже было сказано, ЭМГ в них используется только для двух степеней свободы - сгибание и разгибание пальцев. Также к ним может быть добавлена и третья степень свободы - одновременное напряжение обеих мышц, на которых измеряется ЭМГ активность.
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 (именно этот потенциал представляет собой распространение волны мышечной активности от зоны, куда поступает потенциал действия моторного нейрона, заставляющей «работать» наши мышцы). Такой способ позволяет записывать сигнал мышечной активности с минимальным уровнем шума. Большая часть движения пальцев и кисти тесно связана с мышцами предплечья. Это легко проверить, положив одну руку на предплечье (чуть ниже локтя) и пошевелив пальцами другой руки - можно почувствовать, как при этом сокращаются различные мышцы предплечья. Использование системы управления, индивидуально настроенной на паттерны движений кисти конкретного человека, приближает нас к созданию естественного интерфейса между человеком и протезом. С одной стороны, он не инвазивен и обладает большой функциональностью, с другой – быстро настраивается и устойчив к внешним воздействиям. Проблемой может стать атрофия оставшихся мышц, однако метод позволяет извлечь максимум сохранившихся естественных паттернов мышечной активности.
Текущий статус разработок в мире
Системы управления протезом также развивается, но компаний, сфокусированных на этой задаче значительно меньше. В основном, разработчики используют уже готовые электромиографические усилители и, получив сигнал, примитивно его обрабатывают. (так или иначе всё сводится к «триггерной» системе, вопрос только в количестве порогов и в количестве каналов записи ЭМГ). В некоторых случаях, прибегают к кластерному анализу, но такое в основном встречается в научных статьях, где также утверждается, что такие методы не приспособлены для использования в реальной жизни за счет изменчивости мышечной активности. В триггерных системах используются смартфоны или иные устройства, переключающих режимы схватов, по аналогии с существующими протезами. Тем не менее, в сочетании с дешевизной 3D печати и схожей системой управления «дорогих» протезов, данные компании займут свою долю на рынке. Существует и другой подход к решению задачи управляемости - более детальная обработка ЭМГ сигнала и выделение паттернов конкретных движений, чтобы впоследствии воспроизводить их на протезе после обучения с помощью machine learning. То есть нужно обучить систему управления каждому индивидуальному движению для конкретного пациента, которое будет воспроизводиться при повторном напряжении мышц, соответствующих конкретному движению. Данное обучение системы управления может происходить в течение 1-2 минут, при этом точность распознавания движений будет зависеть от качества алгоритмов обработки ЭМГ и алгоритмов machine learning и будет составлять не менее 99% в зависимости от многообразия распознаваемых движений. Такая система управления может быть встроена практически в любой бионический протез, что выделит его на рынке среди конкурентов. Компаний, ведущих разработку в этой области, во всем мире не так уж и много. В нашей стране этим тоже занимается ряд компаний (компания «Мионикс», которую представляет автор, - одна из них - Forbes)
Также ведутся разработки систем обратной связи - от вибрационной тактильной обратной связи до искусственной кожи, интегрированной с нервной системой человека. Это отдельный пласт разработок, который безусловно необходим для тонких манипуляций со сложными объектами, например, хрупкими или мягкими. Без обратной связи протез, как реабилитационное устройство, не будет полноценной заменой утраченной конечности. Примечателен факт, что, как правило, разработка обратной связи не пересекается с разработкой улучшенной механики протеза и тем более системой управления бионическими протезами.
Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития - создание готового удобного в управлении протеза, который можно купить, надеть и пользоваться без сложного процесса обучения. К сожалению, в настоящий момент такой продукт не создан, а спрос на него каждый год растёт. Мы верим, что в ближайшем будущем сможем увидеть дешевый протез с удобной, простой и персонализированной системой управления и обратной связью. Такие системы управления также дадут толчок к развитию экзоскелетов, управляемых небольшими мышечными усилиями.
Потеря любой конечности или любого органа для человека - это большая проблема. В некоторых случаях с ней приходится мириться, но иногда современные средства протезирования способны сделать из человека «с ограниченными возможностями» человека с «дополненными возможностями», как выражаются представители некоторых компаний этой отрасли.
В этой статье мы поговорим о протезировании рук. Здесь мы не затронем тему зубов, глаз, ушей, лица, внутренних органов человека и даже ног. И начнём со Средневековья, когда одним из самых эффективных способов борьбы с инфекциями была ампутация. Тему продолжат устройства викторианской эпохи и современные бионические протезы, а в конце мы обсудим будущее этого направления.
Стальные руки рыцарей
Этот протез руки, выполненный из стали, датируется XVI веком. В нём есть сдвоенные пальцы и большой палец, которые могут принимать определённые позиции. Управление происходило с помощью кнопки на тыльной части ладони. Это устройство - один из трёх протезов шевалье
Götz von Berlichingen
Приспособление позволяло брать в руки предметы и, возможно, даже писать пером.
представлен в Музее науки в Лондоне.
Так выглядели протезы XIX и XX века. Представлены в Музее науки.
На этой фотографии немецкий солдат работает в мастерской, используя протез левой руки. Фотография
в Национальном музее Первой Мировой Войны в Канзасе.
Это швейцарский протез. В лучших традициях - с разными сменными насадками.
Этот протез
представлен
в Музее науки в Лондоне. Он сделан для 17-летнего парня в 1959 году.
Источник: sciencemuseum.org.uk
Одними из первых получателей протезов были военнослужащие. В этом случае производитель протезов из Бруклина на рекламном плакате сообщил, что горд работой с вооружёнными силами США.
Как можно заметить, протезы этого типа за несколько десятков лет не особенно изменились.
Современные бионические протезы
Давайте разберёмся сперва, что такое «бионические протезы». Бионика - это прикладная наука, объединяющая в себе биологию и технику. Живая природа помогает учёным находить решения для технических устройств. Различают биологическую бионику, которая изучает процессы в биологических системах, теоретическую, которая строит математические модели этих процессов и техническую. Нам сейчас важна техническая бионика: она применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач, как и в случае с протезами.
Ранее специалисты подразумевали под «бионическими» протезами такие устройства, которые похожи на часть тела, которую они замещают. С точки зрения современных понятий эти протезы - те, которые управляются электроникой и биотоками, то есть используют миографию или энцефалограмму.
Британская компания RSLSteeper, имеющая на данный момент около 90 лет опыта в протезировании, вывела бионический протез кисти руки BeBionic на международный рынок в 2010 году. На тот момент искусственная рука для взрослого имела только четыре функциональных захвата, но уже позволяла есть, пить, печатать, поворачивать ключ в замке, использовать банкомат и держать маленькие предметы. Пользователь с помощью устройства может разбивать яйца и держать в руке одноразовый стаканчик - потому что даже сила нажатия регулируется командами, снимаемыми датчиками с мышц.
Отсутствие массового спроса и низкая конкуренция - основная причина, по которой бионические протезы очень дорого стоят. В 2013 году протез ладони стоил до ста тысяч долларов.
Как удешевить протез? Нужно сделать дешевле его производство. В 2013 году успешно завершилась краудфандинговая кампания на IndieGoGo по созданию открытого и доступного протеза ладони, большую часть деталей для которого можно распечатать на 3D-принтере. Устройство имеет независимые приводы для каждого пальца, тактильную обратную связь и считывает сигналы через кожу для управления. В ладони устройства находятся электроприводы и управляющая плата на Arduino.
Макет детской версии Dextrus, стилизованной под руку Железного Человека.
В 2014 году Dennis Aabo Sørensen, потерявший руку из-за неосторожного обращения с пиротехническими «игрушками», вызывался добровольцем для испытаний протеза с обратной связью. Электроды протеза подключили к нервной системе человека. Сила сигнала просчитывается компьютером, и Деннис стал ощущать размер, форму и текстуру объекта.
Бионические протезы в России
На российском рынке фактически нет игроков, которые ввели в коммерческое использование бионические протезы рук. Разработку ведёт стартап «Моторика», известный внедрением в федеральную программу обеспечения инвалидов техническими средствами реабилитации тяговых протезов для детей - благодаря этой компании дети получают
тяговые протезы
за счёт государства. В этом видео - испытания четвёртого прототипа искусственной кисти Stradivary, которую команда планирует начать производить и устанавливать в России в октябре-ноябре 2016 года.
Протез Stradivary - миоэлектрический. Для его установки не требуется хирургическое вмешательство. Поверхностные миодатчики встраиваются в приёмную гильзу, касаются определённых мест на коже в районе мышц, улавливают потенциал при сокращении мышцы и передают сигнал на раскрытие или закрытие кисти.
Основная проблема, с которой встречаются при установке этого вида протезов, это слабо развитые мышцы предплечья. Чтобы избежать этой проблемы, «Моторика» и
тяговые механические протезы детям - такие протезы не только помогают выполнять различные функции руки, но и служат тренажёром.
По мнению Ильи Чеха, основателя «Моторики», сейчас есть два направления развития бионических протезов.
Первое - это очувствление, то есть обратная связь, позволяющая владельцу протеза получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается устройством.
Второе - вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Одна из проблем с протезом Джеймса Янг, получившего руку, похожую на руку из Metal Gear Solid, это необходимость снимать такой протез для сна или принятия душа. В будущем протезы будут скорее напоминать руку главного героя фильма «Я, робот», сыгранного Уиллом Смитом. Не в плане соответствия собственной конечности, а в плане отсутствия необходимости дополнительного ухода.
Сейчас в мире очень популярно недорогое печатное направление в протезировании. К этому привели доступность и распространение 3D-принтеров. Существуют различные проекты, помогающие бесплатно получить тяговые протезы, и схемы, с помощью которых можно доработать и распечатать миоэлектрический протез руки. Илья Чех считает это направление временным: оно будет популярно предстоящие 10–12 лет, пока будут развиваться и масштабироваться вживляемые технологии. 3D-печать сейчас предлагает более низкую стоимость, но существенно проигрывает в качестве. И лучшее качество по сравнению с традиционными технологиями оно скорее всего не даст никогда. Всегда будет дешевле и качественнее отрезать на лазере из листового металла, чем печатать полимерами с помощью принтера. По крайней мере так будет, если мыслить в существующей парадигме развития печати, и не фантазировать на предмет молекулярного построения объектов. Печать создана для максимального сокращения сроков и стоимости прототипирования и R&D.
Актриса Angel Giuffria (Голодные игры: Сойка-пересмешница)
У 15% людей на планете есть нарушения функций и структур организма, которые препятствуют физической активности и мешают социальной жизни, и больше 50 миллионов человек в год становятся инвалидами. Прямые и косвенные потери из-за этой проблемы составляют около 6% - в 2015 году это примерно 4,4 триллиона долларов. Это сравнимо с годовыми потерями мировой экономики от «великой рецессии» 2008 года. И это втрое больше годового ВВП России.
Качественные и функциональные протезы могли бы существенно уменьшить эти потери, но доступные протезы конечностей в большинстве своём, пишут «Известия» со ссылкой на исследование Высшей школы экономики, - это «примитивные малофункциональные изделия с плохим дизайном».
Благодаря современным материалам, сбалансированному размещению двигателей, датчикам силы прикосновения и вместительным аккумуляторам разработчики протезов смогли создать бионические руки, которые способны на большую часть повседневных действий. Одни модели приближены к реальной кисти - гибкий блок лучезапястного шарнира позволяет Michelangelo сгибаться в запястье, а другие - к роботам из научной фантастики, как BeBionic, которой из-за беспроводного управления смогли добавить функцию вращения на 360 градусов. Главным недостатком современных протезов пока остается цена.
BeBionic (компания RSLSteeper)
Компания RSLSteeper занимается протезированием более 90 лет. Она известна широкой общественности благодаря линейке бионических рук BeBionic. Выход на рынок первой версии протеза анонсировали в 2010 году на International Society for Prosthetics and Orthotics в Германии. Протез имел четыре функциональных хвата. Большой палец выполняет роль «переключателя» между их группами.Вторая версия руки BeBionic получила интересный дизайн и большее количество хватов. Появился специальный хват для компьютерной мыши - разработчики предусмотрели двойной клик. Сенсоры позволяют руке подстраиваться под форму объекта в руке пользователя.
BeBionic 3 появилась уже в 2012 году. В видео ниже Найджел Экленд показывает различные хваты, на которые способна рука.
На 30% меньше по размеру, чем BeBionic 3, и весит бионическая рука 390 граммов. На кончиках пальцев руки есть подушечки для работы с мелкими предметами. Первым пользователем BeBionic Small стала Ники Эшвелл из Великобритании.
«На полном заряде протезы проработают в течение дня. Вечером перед сном их нужно снимать и ставить батарею на зарядку», - рассказали в BeBionic. Это один из минусов - людям приходится снимать устройства при отходе ко сну. Гарантия на такую бионическую руку - один год, но можно расширить её до пяти лет.
Каждый палец руки имеет собственный мотор, расположенный так, чтобы уравновесить само устройство. Микропроцессор следит за положением каждого пальца. Всего есть 14 хватов для ежедневных дел. Пользователь может контролировать скорость и силу хвата, чтобы, например, не разбить яйцо или не сломать одноразовый стаканчик. В руке есть функция «автозахвата» - если процессор понимает, что предмет сейчас выпадет из протеза, он усиливает хват автоматически.
Облегчить протез позволяют материалы: это алюминиевые детали и углепластиковый корпус BeBionic. При этом рука BeBionic 3 выдерживает нагрузку до 45 килограммов. Благодаря беспроводной передаче данных разработчикам удалось добавить интересную функцию: рука крутится на 360 градусов.
Touch Bionics
BeBionics благодаря своей работе со СМИ и на различных мероприятиях сейчас, возможно, наиболее узнаваемый бренд. Но рука от RSLSteeper не была первой бионической рукой. Touch Bionics ещё в 2007 году начала устанавливать первую в мире руку такого типа. Миоэлектрический протез i-Limb уже тогда позволял с помощью датчиков, установленных всего у двух мышц, работать с различными хватами.В 2014 году появилась версия i-Limb Revolution. Протезы такого типа позволяют делать множество вещей, которые для людей с двумя руками кажутся абсолютно обычными, простыми: складывать вещи в чемодан и витамины в таблетницу, держать пакет с продуктами и открывать ящик комода, собирать Lego двумя руками и завязывать шнурки.
Когда мы делаем что-то руками, мы часто используем запястья. Часто протезы не дают возможности повторять этот трюк с искусственной рукой. В Touch Bionics эту проблему попытались решить с помощью мобильного запястья протеза, позволяющего двигать кисть на 40 градусов относительно стандартного положения в обе стороны.
В 2015 году Touch Bionics представили i-Limb Quantum, более футуристическую и одновременно более функциональную руку. Устройство получило 24 предустановленных хвата и возможность настроить ещё 12 хватов под владельца.
Владельцы протезов из линейки i-Limb могут использовать мобильное приложение для выбора хватов, настройки их силы и программирования новых движений. Важно заметить, что этот протез имеет наибольшее количество хватов из всех, что представлены в этой статье. Только у этой бионической руки есть функция смены хватов с помощью жестов: запрограммированный хват включается при движении руки в одном из четырёх направлений.
Touch Bionics на YouTube выкладывает интересные ролики с различными вещами, которые люди делают без протезов и с ними. Например - приготовление еды с i-Digits - протезом ладони и пальцев.
У Touch Bionics, основанной в Шотландии 2003 году, выручка к 2015 году составила 15 миллионов долларов. Особенно высокими были продажи в Германии и Франции. Исландская Ossur в 2016 году купила эту компанию за 27,5 миллиона фунтов. По мнению экспертов, это может быть связано с не самой удачной бизнес-моделью, по которой компания делала дорогие сверхсложные устройства.
Ossur является серьёзным игроком на рынке бионических протезов нижних конечностей - рынка гораздо большего объёма. С помощью Touch Bionics она расширила свои компетенции в области протезирования.
Ottobock
Один из лидеров мирового рынка протезов - немецкий концерн Ottobock . В России доступны несколько разработок от этого концерна.Линейка MyoFacil - миолектрические устройства со скромным набором функций. Они предназначены для людей с ампутированными ниже локтя руками. На видео ниже - человек без обеих кистей с такими протезами, делающий обычные повседневные дела - он бреется, чистит зубы, заправляет кровать, завтракает со своей девушкой, гладит одежду и водит автомобиль.
«Протез MyoFacil стоит порядка 400-500 тысяч рублей, это зависит от предприятия, которое устанавливает протез, и от расходников. Это простое устройство начального уровня», - говорят в компании.
Скорость схватывания такой рукой достигает 300 мм в секунду. Протез позволяет держать мелкие и крупные детали.
Минус в том, что хват всего один. По сути это просто миоэлектрический «крюк» с перчаткой.
Передовая разработка компании - Michelangelo. На видео ниже кто-то сравнил протез кисти Michelangelo с i-Limb не в пользу последнего. У Michelangelo есть семь основных хватов, позволяющих в том числе держать мелкие и плоские предметы.
«Готовый протез стоит около 2-2,5 миллиона рублей, это зависит от комплектации. Ведь период службы изделия - 3 года, а перчатку на нём необходимо менять раз в полгода. Можно приобрести комплект с одной перчаткой, но этого мало. Такие расходники увеличивают стоимость. Кроме этого, на стоимость влияет и сложность работы – она зависит от культи пациента», - рассказывают в компании.
Рука построена на системе Axon-Bus, технологическая основа которой создавалась для аэрокосмической и автомобильной промышленности, позже адаптированной Ottobock к протезированию. Запястье благодаря шарнирному соединению по технологии AxonWrist можно сгибать и поворачивать.
Использование протеза помогает пациенту держать правильную осанку, избежать искривления позвоночника в одну сторону. Это важно и во время выполнения повседневных действий, и во время ходьбы. В расслабленном состоянии во время ходьбы бионическая рука ведёт себя подобно естественной - покачиваясь. Это позволяет снизить эффект ампутации на осанку, вызываемый неестественными компенсирующими движениями.
В случае с этим протезом, существующий «баг» человеческой руки с пальцами остаётся: два мотора обеспечивают движение большого, указательного и среднего пальцев, а безымянный и мизинец движутся за ними. На кончиках пальцев - мягкий материал, позволяющий работать с мелкими предметами.
Протез обеспечивает семь хватов, включая открытую ладонь.
«Как правило все наши изделия при активном использовании работают не менее суток на одном заряде. Рынок верхних конечностей безусловно меньше рынка нижних конечностей. В России это, возможно, 5-7 тысяч протезов в год. Какое количество биоэлектрики – сложно сказать. Под него попадает и MyoFacil с минимальным набором функций», - рассказали в российском представительстве компании.
На вопрос о положении дел в России представитель Ottobock ответил, что «рынок не так сильно развит не из-за отсутствия комплектующих, а из-за ограниченного количества специалистов, которые умеют делать такие продукты».
Недостатки бионической руки
БатареяНедолгое время работы на одном заряде аккумулятора - это недостаток большей части современных гаджетов. Бионические руки при активном использовании могут проработать в течение дня, но этого мало. Как большая часть людей привязана к розеткам необходимостью подзаряжать смартфоны и ноутбуки, так и у людей с протезами возникают дополнительные неудобства при, например, путешествиях. Можно использовать второй-третий аккумуляторы.
Отсутствие защиты от воды
Ещё один недостаток - как правило, такие устройства не работают в воде. С ними нельзя купаться, принимать душ. Их важно защищать с помощью специальных перчаток, чтобы грязь не попала внутрь устройства. Возможно, в будущем появятся бионические руки с полностью герметичным корпусом, позволяющим снимать руку очень редко - только для планового обслуживания.
Лаги при управлении
Нельзя сказать, что протезы работают медленно. Иногда они способны на высокую скорость, они могут быть сильнее, чем вторая рука человека, который носит один бионический протез. Но 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.
Эту проблему, но с протезами ног, успешно
