Эти люди давно рядом с нами. Они незаметны, они ничем не отличаются от окружающих. Но они — другие. Часть их тела заменена механизмом, который является передовым как для медицины, так и для механики. Бионические протезы давно не диковина для развитых стран, таких как США или страны Евросоюза. Десятки фирм производят и продают такие устройства, предлагая своим клиентам разную степень взаимодействия с протезом.
Прежде чем понять, как устроены современные протезы, необходимо разобраться, как функционирует наше тело в здоровом состоянии
Заставьте себя ходить
Кисть и стопа — технологически самые сложные части нашего тела. Это совершенные механизмы, обеспечивающие выполнение сложнейших задач, которые перед ними ставит кора головного мозга. Вытянуть палец или сделать шаг — одни из простейших движений, выполняемых нами, а еще иногда мы заставляем наши руки что-либо взять или куда-нибудь прыгнуть. Все эти действия — следствия координированной работы двух систем — нервной и опорно-двигательной. В нервной системе наши движения координируются на трех уровнях — спинной мозг, мозжечок и кора головного мозга. Это напоминает структуру работы компании: нижестоящие сотрудники занимаются рутинной работой, а наверх поднимаются вопросы, которые требуют более творческого и сложного подхода. Таким образом наша нервная система предотвращает свою перегрузку, оставляя для нижестоящей структуры решение, которое может быть ею выполнено.
В спинном мозге замыкается ряд рефлексов, таких как широко проверяемый неврологами в поликлиниках коленный рефлекс. На следующем уровне постоянно контролируются такие параметры как равновесие, осанка и сопутствующие им тоническое напряжение мышц, которые поддерживают тело в нужном положении. Естественно, человек не думает, как бы ему удержать себя на ногах каждую секунду, и это происходит как раз благодаря тому, что решения принимаются на уровнях ниже коры головного мозга. Высшим центром двигательной активности у приматов является кора, человек не является исключением.
Зона, ответственная за движения, находится в прецентральной извилине коры, при этом нейроны, ответственные за движения, расположены в ней топографически, т.е. группы нейронов сформированы последовательно — от клеток, отвечающих за движения в пальцах ног до клеток, посылающих сигналы к мимическим мышцам. Исследования на кошках, проведенных группой исследователей института неврологии Барроу штата Аризона, США, показали, что даже простой шаг является настолько сложным движением с точки зрения физиологии, что активирует более чем 250 нейронов коры головного мозга. Каждый шаг, каждое движение, которое делает человек, является следствием работы именно коры головного мозга.
Опорно-двигательная система, включает в себя кости, мышцы и связки. Они все в совокупности отвечают за исполнение двигательной команды, отданной тем или иным отделом нервной системы. Вне зависимости от того, откуда пришла команда, реакция на раздражение будет одинаковой — сокращение мышцы. Передача сигнала с нерва на мышцу происходит в нервно-мышечной пластинке (синапсе)
Возбуждающий сигнал в нервной клетке вызывает высвобождение из везикул медиатора — ацетилхолина. Он, в свою очередь, связывается рецепторами в мышце, вызывая там возбуждение, в результате которого происходит сокращение мышцы. Так возникает движение.
Необходимость дополнения
Так как в движении принимают участие две системы — опорно-двигательная и нервная, то и повреждения могут возникать в двух разных областях. Повреждения центральной нервной системы не являются показанием для протезирования — последние исследования показывают, что человек даже после серьезного инсульта может восстановится в полном объеме — функции безвозвратно потерянных нейронов берут на себя другие зоны. Лечение прерывания проведения нервного импульса является чисто нейрохирургической задачей. Протезирование здесь применяется только при тяжелых старых повреждениях нервных стволов. Основная область применения бионических протезов на сегодня — это травматические повреждения, отрывы конечностей, ампутации по тем или иным причинам. Ампутация является калечащей операцией, в результате нее человек становится инвалидом, а, учитывая статистику (60 % ампутаций проводится у людей в возрасте от 24 до 54 лет, более 60 % пациентов — мужчины), это становится существенным ударом в том числе и по экономике.
Само слово “протез” — греческого происхождения, prósthesis — означает дополнение, приложение. Протезирование со времени древних греков до 20 века мало изменялось. Замена утраченной нижней конечности сводилась к деревянному бруску, верхней — к более-менее воссозданной внешней формы руки. Материалы менялись, добавлялись разные приспособления, позволяющие облегчить труд — крюки и т.п. В XX веке протезирование оставалось таким же, каким и за сотни лет до этого. Бионические протезы отличаются тем, что в них применяется непосредственная связь протеза и организма пациента. В абсолютном большинстве серийно производимых протезов эта связь пока прямая, не имеющая обратного ответа (простыми словами, протезам еще не приделали чувствительные датчики). Сами протезы являются плодом нейрофизиологии и чистой механики, при этом две эти науки сильно пересекаются при конструировании импланта.
История альпиниста Герра
Хью Герр родился и вырос в Пенсильвании, и все детство мечтал стать альпинистом. В возрасте 17 лет в Нью Гемпшире он с другом отправился покорять гору Вашингтон. Они попали в бурю и в течении 4 дней дожидались помощи. В результате обморожения Герр потерял обе ноги. Ему изготовили два протеза, которые были типичными протезами того времени — они позволяли восстановить опорность ноги, но другие возможности оставались недоступными — с такими протезами было сложно даже подниматься по лестнице.
После ампутации и протезирования Хью Герр принял два решения: первое — стать биофизиком, второе — снова начать ходить в горы. Он получает степень бакалавра по физике, затем поступает в Массачусетский технологический институт, в котором получает степень биоинженера. Воплощая свою мечту, Герр становится руководителем группы исследователей, которые начинают заниматься исследованием простых вещей, которые человек делает каждый день не задумываясь — ходьба, бег, прыжки, танцы. “У меня было 8 различных протезов”, -рассказывает мистер Герр в интервью New York Times. — “Каждый из них имел свое предназначение. Один для бега, три разных протеза для скалолазания — один для льда, один для камня, один для узких порогов. У меня есть даже специальный протез для плавания, натурально, с перепонками.” Занимаясь исследованиями в MIT, Герр основывает компанию BiOM, которая начинает производство программируемых протезов.
Жизнь из машины
Только в XXI веке ученые стали задумываться, как человек совершает свои обычные движения. Для конструирования протеза голени BIOM изучала двигательные паттерны здоровых людей. Особенностью голеностопного сустава является его циклические движения при ходьбе. Основой этих движений является последовательное сокращение и расслабление групп мышц разгибателей и сгибателей. При ходьбе, беге, поднятии или спуске по лестнице мышцы выполняют запрограммированные действия, повторяя их до тех пор, пока не будет дана новая установка.
Протез BiOM состоит из нескольких компонентов: собственно физическая модель (см.рисунок), датчики на культе голени и два микропроцессора, обрабатывающие каждый по 40 миллионов операций в секунду, которые координируют работу всего протеза.
Датчики на голени являются электромиографами — прямо скажем, не новыми по своей идее. Сигнал, который приходит по нерву к мышце (группе мышц), преобразуется в нервно-мышечной пластинке в потенциал действия. В результате происходит высвобождение кальция, который, связываясь с миозином, одним из белков мышечного волокна, вызывает в итоге мышечное сокращение. Электромиограф считывает электрическую активность мышцы. Метод считывания сигнала с мышц, а не с нервов гораздо более эффективен: во-первых, это проще технически и менее инвазивно, во-вторых, считывать сигнал можно с целой целой группы мышц, выполняющих одну и ту же функцию (например сгибание стопы). В случае голеностопного сустава датчик снимает данные с двух групп — тыльных сгибателей стопы и мышц — разгибателей с передней поверхности голени. От датчиков сигнал передается на компьютер, который, анализируя информацию, приводит стопу в нужное положение для контакта с поверхностью.
В отличии от ног, руки у человека играют куда большую роль. Движения в верхних конечностях крайне сложны, в них задействовано большее количество мышц, они гораздо точнее, нежели движения ног. Кроме этого, для человека важны чувствительные функции кожи рук — осязание.
Тем не менее, основные принципы работы протеза не отличаются от вышеописанного механизма работы BiOM, только в случае кисти количество датчиков увеличивается в силу сложности движений.
При всей отработанности механизма создания бионического протеза, сам процесс достаточно сложен, хотя уже сейчас он поставлен на поток. При создании новой модели ученые в первую очередь изучают возбуждение мышц при определенных действиях: при ходьбе,беге или спуске по лестнице для протезов нижних конечностей, при взятии кружки, ручки, броске, рукопожатии — для протезов кисти. Все эти данные собираются и анализируются для разных уровней ампутации конечности. После этого данные загружаются в носимое устройство, которое крепится на теле пациента. В случае если мышцы повторяют записанное ранее движение, то они приводят протез в нужное положение.
Deus Ex
Целью протезирования является полная замена функции утерянной конечности. Перед учеными стоит задача стереть грань между искусственной и настоящей рукой. Протезирование сталкивается с рядом проблем.Во-первых, это вес импланта. Чем легче протез, тем лучше для пациента. Это влияет на адаптацию, на сложность использования, на ношение бионического протеза. Использование новейших материалов позволяет снизить вес, но до сих пор данный параметр не достиг совершенства. Микропроцессоры, обрабатывающие информацию, датчики, снимающие информацию с мышц, моторы, приводящие в движение компоненты протеза — все это потребляет энергию, в итоге бионические протезы на сегодняшний день приходится подзаряжать(и в этом случае проблема севшего протеза более остра, чем разрядившийся мобильный телефон). Моторы протезов издают звуки, что совсем не похоже на беззвучный механизм работы живой конечности.
Кроме проблем механической природы, есть проблемы и с функциями имплантов. Основной проблемой является обратная связь, т.е. чувствительность. В этом плане серийных протезов, которые бы передавали информацию в головной мозг от датчиков на свой поверхности, пока нет. Максимум, чем пока снабжают протезы рук, это датчики давления, позволяющие избежать чрезмерного сдавления предмета, взятого искусственной рукой. Когда именно появятся импланты, позволяющие не чувствовать разницы между своей рукой и искусственной, сказать трудно. Но можно почти со стопроцентной вероятностью утверждать, что это случится в наше поколение. Это уже почти произошло.
