Війна та роботизація: над якими розробками протезів працюють науковці

Робітник ортопедичної клініки в Києві працює з протезом ноги, 25 травня 2022, фото: AFP via Getty Images

Директор Дніпропетровського протезно-ортопедичного заводу Олексій Штанько сказав, що з початку повномасштабного вторгнення Росії в Україну у їхньому закладі подвоїлася кількість пацієнтів з ампутованими кінцівками: раніше вони приймали 70-80 постраждалих на місяць, а зараз близько 200-250. Завод наразі допомагає військовим та скаліченим війною цивільним пройти реабілітацію і виготовити індивідуальні протези, що не лише ідеально підходять під форму тіла людини, а й імітують колір шкіри чи форму нігтів.

Які наразі бувають протези кінцівок та що розробляють провідні науковці — пояснює Суспільне.

Рухати силою думки

Науковці світу сконцентрували увагу на розробках протезів, які б могли функціонувати максимально наближено до справжніх рук і ніг. Наразі найбільш дослідженою та близькою до впровадження технологією є інтерфейс мозок-комп’ютер. Він обробляє сигнали мозку і передає їх на роботизовані пристрої: штучні кінцівки-протези, курсори миші або інвалідні візки. Завдяки цій технології хворі можуть силою думки керувати протезами. Донедавна технологію використовували лише у наукових лабораторіях через те, що прилад, який зчитує активність мозку, був громіздкий і незручний у користуванні.

У 2021 році компанія BraineGate розробила бездротовий швидкісний інтерфейс мозок-комп’ютер, який працює так само швидко, як його великий дротовий аналог. Дослідження, опубліковане у журналі IEEE Explore, свідчить, що пацієнти із повним паралічем усіх чотирьох кінцівок вводили тексти на планшетах за допомогою бездротового комп’ютера так само швидко, як вони це робили, використовуючи громіздкий пристрій з лабораторії. Автори статті зазначають, що після деяких подальших досліджень хворі зможуть застосовувати прилад у реальному житті, а не лише в лабораторії.

Ходити, не думаючи

Попри інноваційність технологій “руху силою думки”, вони не дозволяють жити попереднім життям, адже людина рухається автоматично, не думаючи про роботу кожного м’яза. Тому багато провідних лабораторій світу працюють над можливістю рухати протезом в інший спосіб.

Шведські науковці працюють над розробкою протезу нижньої кінцівки, який за допомогою імплантованих у м’яз стегна мікроскопічних електродів дозволяє максимально передавати тактильні відчуття під час руху ноги. Науковці випробували розробку на кількох добровольцях і називали її нейропротезом. Він сконструйований для того, аби люди з ампутацією відчували, як кінцівки згинаються у суглобах або торкаються землі чи інших предметів довкола. Подібні відчуття дозволяють автоматично регулювати ходу, щоб уникати падінь і не думати про кожен окремий крок.

Розробка протезу нижньої кінцівки, який дозволяє передавати тактильні відчуття під час руху ноги, фото: science.org

На устілці стопи протеза та в колінному суглобі розташовані датчики тиску: дотики перетворюються на електричні імпульси і по мікроскопічних електродах надходять до великогомілкового нерва. Це дозволяє відчувати дотики та будь-які рухи у штучній нозі, а мозок сприймає протез як частину тіла.

Наразі дослідники працюють над тестуванням дієвості технології на більшій кількості добровольців, а також тривалими спостереженнями за адаптацією та якістю життя людей із новими протезами.

Навігація магнітними кульками

Утім, технології засновані на мікрочипах, здатні передавати інформацію про електричну активність м’язів, не беручи до уваги швидкість руху та ступінь згинання. Тому науковці з Массачусетського технологічного університету (США) розробили інший прилад для автоматичного і точного контролю штучної кінцівки. Вони пропонують вводити магнітні кульки у м’язову тканину залишку ампутованої ноги або руки, що допомагатиме точно виміряти ступінь скорочення м’язу і передати сигнал до спинного мозку, а також на біонічний протез протягом мілісекунди.

Прилад для автоматичного і точного контролю штучної кінцівки, фото: bionicsforeveryone.com

Дослідники назвали цю технологію магнітомікрометрією і вже випробували її на лабораторних тваринах. Найближчими роками вони планують випробувати винахід на добровольцях із ампутованими кінцівками.

Максимально схожі на власні кінцівки

У одному з епізодів космічної саги “Зоряні війни” у бою на світлових мечах Люк Скайвокер втратив руку, а біомедичний інженер прилаштував йому нову, яку було складно відрізнити від справжньої. У Люка навіть збереглися тактильні відчуття. Це надихнуло команду науковців із університету Пітсбурга (США) спробувати створити подібні протези рук і ніг. Учені намагаються оснастити штучні ноги і руки датчиками, тісно пов’язаними із нервовою системою та імплантованим у хребет пристроєм, що б дозволило відчувати предмети, які тримають пацієнти.

Згаданий хребетний імплант спочатку сконструювали для полегшення хронічного болю, утім, команда вчених почала використовувати його для передавання інформації від датчиків на протези рук і ніг. Це допомагає стимулювати ті нервові волокна, які раніше передавали сигнал від справжньої кінцівки людини.

Попередні дослідження на добровольцях свідчать про те, що технологія допомагає частково відновити відчуття у долонях протезу руки. Крім того, учасники говорять, що такі протези зменшують фантомні болі, які люди часто відчувають після втрати рук чи ніг. Ба більше, подібні протези стоп допомагають людині ліпше тримати рівновагу під час ходи.

Подібними імплантами можуть користуватися не лише люди з ампутованими кінцівками, а й паралізовані пацієнти. Їм також важливо відчувати штучну руку, адже це значно полегшить використання пристрою. Наприклад, дослідження на одному добровольці свідчить, що додавання тактильних відчуттів до штучної кінцівки вдвічі скорочує час виконання звичних завдань, як-от піднести до губ склянку з водою. Утім, у такому разі імплант має надавати інформацію не у спинний мозок, а одразу в головний. Науковці вже кілька років тестують подібні штучні кінцівки на паралізованих добровольцях, які силою думки навчилися користуватися роботизованою рукою. Це може допомогти лежачим людям стати більш незалежними, адже вони зможуть самі їсти, одягатися або займатися хобі чи іншими справами.

Попри те, що згадана технологія не дозволяє повністю відчувати силу і напрям дотику, вона повертає людині базові відчуття, тому науковці працюють над покращенням технології роботи датчиків та їхнього зв’язування із нервовою системою людини. Але подібні протези все ще перебувають на стадії розробки і найближчим часом не будуть широко застосовуватися у медичній практиці.

Не лише функції, а й комфорт

Попри інноваційність та функціональність протезів, ними має бути зручно користуватися. Тому науковці Медичного центру Луїса Стокса (США), який спеціалізується на обслуговуванні ветеранів із втратою кінцівок та іншими порушеннями, намагаються розробити матеріал для кращого поглинання та виведення поту, що може накопичуватися всередині протеза при його використанні. Надмірне потовиділення може погіршувати прилягання протеза до ампутованої кінцівки, погіршуючи рухи та сприяючи подразненням та розвитку інфекцій. Науковці сподіваються, що вирішення цієї проблеми допоможе оптимізувати використання протезів, що, немов гільза, накладаються на залишок власної кінцівки людини. Це допоможе підвищити комфорт і гігієну людей із ампутаціями у найближчому майбутньому.

Ілона Свєженцева