Человек начал заменять потерянные части тела искусственными приспособлениями на заре цивилизации и на протяжении истории продолжал совершенствовать протезы и технику протезирования. Сегодня протезирование находится на стыке технологий, медицины, программирования и искусства, и вдохновляет на новые исследования многих учёных и специалистов.
Материал создан Артёмом Новиковым, пресс-секретарём Северо-Западного института управления РАНХиГС, а также на основе данных, предоставленных специалистами компании «Моторика».
Древний мир и античность
Первые известные исторической науке функциональные протезы появились около 5 тыс. лет назад в Древнем Египте.
В каирском музее хранятся остатки протеза правой руки, изготовленного для некого высокопоставленного египтянина в эпоху династии фараона Джосера в конце XXVII века до н.э. Его обнаружили в 2001 году на раскопках в Саккаре — древнейшем некрополе африканского государства.
Учёные пришли к выводу, что устройство крепилось к телу системой кожаных ремней, причём некоторые из них управляли функциями протеза. Например, поворотами туловища в разные стороны можно было открывать и закрывать кисть, а сгиб левого колена вызывал сгиб локтя.
Другим примером мастерства древнеегипетских протезистов считается деревянный палец ноги, крепившийся к стопе широкой кожаной муфтой. Изготовленный около 3 тыс. лет назад протез помогал древнему египтянину сохранять устойчивость при ходьбе. Современные учёные доказали это на добровольцах с похожими травмами — египетский протез помогал распределять вес тела при шаге.
Протезы упоминаются в трудах античных авторов. Историк Плиний писал о римском полководце, потерявшим руку на Пунической войне (II век до н.э.). Военачальнику изготовили металлическую руку, в которой он мог нести щит.
Средние века
Железная рука другого воина долгое время считалась вершиной мастерства в изготовлении искусственных конечностей. Неизвестный кузнец-оружейник в 1509 году сделал протез кисти и предплечья для немецкого рыцаря Геца фон Берлихигена.
Он имел вид латной перчатки, каждый палец которой можно было согнуть и зафиксировать в произвольном положении с помощью пружин и храповиков. Таким образом рыцарь мог надежно удерживать не только меч или поводья, но и перо.
Стальной кулак разжимался нажатием кнопки, которая освобождала все пальцы. Рука сохранилась и хранится в замке-музее города Ягстхаузен — родины Берлихигена.
Новое время
Тем не менее, в отдельную область медицинской науки протезирование оформилось только к началу XIX века. Во многом это произошло благодаря открытию и внедрению антисептиков в медицинскую практику, поскольку раньше потеря руки или ноги обычно кончалась гибелью от кровопотери и заражения.
На протяжении XIX века европейские врачи экспериментировали с различными системами механических протезов. В 1860 году граф Бофор представил Парижской академии наук механическую руку упрощенной конструкции. Она была настолько дешёвой и легкой в изготовлении, что протез смогли выдавать нуждающимся на средства публичного фонда пособий бедным.
Так замена утраченных конечностей постепенно переставала быть привилегией знатных и состоятельных людей.
Протезы в России
В России первый механический протез в 1791 году изготовил знаменитый изобретатель Иван Кулибин. Он создал искусственную ногу для поручика артиллерии Сергея Непейцына, лишившегося конечности выше колена при штурме крепости Очаков в ходе Русско-турецкой войны.
Конструкция оказалась настолько удачной, что Непейцын смог не только ходить без костыля или трости, но и танцевать на балах. Впрочем, «механическая нога» Кулибина так и не попала в серийное производство. По легенде чертежи протеза во время войны 1812 года попали в руки французов, которые продали русское изобретение Наполеону.
Протезирование как отрасль появилась и начала активно развиваться в России только в конце XIX века. В 1883 году в Санкт-Петербурге открылся Мариинский приют для ампутированных и увечных воинов, где инвалиды начали получать протезы рук с рабочими приспособлениями. Впоследствии при нём возникла школа-мастерская, где инвалиды обучались протезному делу.
В 1916 году филиалы Мариинского приюта и протезные мастерские открылись в Москве, Киеве, Саратове, Воронеже и других крупных городах.
После революции 1917 года разработка протезов продолжилось. Снабжение протезно-ортопедическими изделиями было бесплатным для всех категорий инвалидов.
В 1919 году на основе Мариинского приюта открылся Петроградский институт протезирования, главой которого стал профессор Герман Альбрехт — основоположник российского протезирования и изобретатель первых в отечественной практике активных протезов верхних конечностей для тех, кто потерял обе руки по плечи.
В 1923 году в Петрограде организован техникум по подготовке мастеров протезно-ортопедического производства. Он стал первым и долгое время оставался единственным учебным заведением в России, где учили данной профессии. Во время Великой Отечественной войны и ленинградской блокады техникум продолжал работу, поставляя протезы для фронта и тыла.
В 1944 году техникум поставил 1000 готовых изделий в Волховский район Ленобласти, где продолжались бои за полное освобождение города от немецкой блокады.
В послевоенные годы техникум и научные институты продолжили разработку протезов, используя новые материалы и данные научных исследований. Тяжелые деревянные выточки начали менять на более легкие конструкции из дюралевых трубок, полиэтилена и слоистых пластиков.
После Второй мировой войны СССР и Германия стали передовыми странами в области разработки протезов конечностей. В настоящее время наша страна в силу технологического отставания и других факторов уступила пальму первенства западным научным центрам.
Протезирование в России в наши дни
Несмотря на отставание, развитие протезно-ортопедической отрасли в России не остановилось и сегодня продолжается на той же научно-образовательной базе, что и ранее, вбирая международный инновационный опыт, который привносят молодые инженеры-энтузиасты.
Это область деятельности крайне востребована. По данным статистики, сегодня в России около 40 тыс. человек нуждаются в протезах верхних конечностей, и в 10 раз больше — в протезах ног. Нижние конечности чаще страдают в различных инцидентах — чаще всего это автоаварии и травмы, полученные в экстремальных видах спорта.
В 2010 году социальный техникум вошел в состав Северо-Западного института управления РАНХиГС, став одним из факультетов учебного заведения. А в начале 2017 года факультет совместно с московским стартапом «Моторика» модернизировал учебную программу по подготовке мастеров протезно-ортопедической и реабилитационной техники.
С осени этого года в Санкт-Петербурге студенты начнут изучать производство протезов с использованием трехмерной печати, программирования и других высоких технологий.
Протезирование сегодня и завтра
Своё видение трендов и общего вектора развития протезирования в «Моторике» описывают следующим образом.
Не только для изготовителей протезов в России, но и для всех, кто работает в этой отрасли, важно стремиться дать пациенту функциональные изделие, которое заменит и даже превзойдёт по функциональности травмированную конечность.
В протезе человек должен комфортно себя чувствовать, а управление должно работать на интуитивном уровне. Только такое изделие будет восприниматься как продолжение собственного тела и настоящий помощник.
Протезы рук, которые доступны на рынке сейчас, ещё очень далеки до функциональности человеческой руки. С их помощью можно выполнять лишь простые бытовые операции.
Повышения функциональности можно добиться, если внедрить в протез мелкую моторику с сотнями различных вариаций движений. С механической точки зрения это даже возможно, но появляется пока что непреодолимый барьер с системой управления.
Сейчас в большинстве биоэлектрических протезов используется система управления, которая работает с помощью электродов (ЭМГ-датчики), считывающих электрический потенциал, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения. Информация с датчиков передаётся на микропроцессор кисти, через компьютерные алгоритмы преобразуется в двигательные команды. В результате протез выполняет сжатие или разжате пальцев.
Такая система ограничена каналами считывания сигнала. Обычно для удобства пользователя используют два канала, то есть располагают по датчику на двух мышцах. С такой системой можно выполнять два действия в зависимости от активной в данный момент мышцы. Путём переключения режимов можно добавить функциональность в такую систему. Режим переключается при задействовании сразу двух каналов (другими словами, напряжения сразу двух мышц, на которых расположены датчики). После этого система переключается на другие два действия.
Обучить человека использовать двухканальную систему на основе электродов без потерь времени на обдумывание предстоящего действия можно. Сделать это для системы, которая оперировала бы сотнями и тысячами действий, невозможно. Даже если мы увеличим число электродов и сделаем 4, 8, 16 каналов, у человека будет уходить минуты на попытки задействовать нужные группы мышц для выполнения определенного схвата.
Решение может быть в нейроинтерфейсах и получении управляющего сигнала прямо из мозга, но такие варианты находятся в зачаточном состоянии. Строить управление протезом на нейроинтерфейсе пока рано из-за сложности получить стабильный сигнал и необходимости постоянно концентрироваться. Стандартом в управлении протезом это может стать в перспективе 10 лет.
Также улучшить ситуацию может связка системы управления на основе электродов и искусственного интеллекта.
Такой протез должен угадывать и выполнять требуемый жест на основе прошлого опыта его использования, данных с датчиков гироскопа и системы компьютерного зрения, которое распознает предметы.
Это наиболее перспективное в ближайшие несколько лет решение по увеличению функционала и удобства протеза. Мы в «Моторике» рассчитываем изготовить первый прототип такого протеза в конце 2018 года.
Нам видится, что в будущем у искусственных рук будет развиваться другая функциональностть из-за смены парадигмы взаимодействия с внешним миром. Уже сейчас внедряются голосовые помощники, которые могут распознать и набрать текст, делать заказы в магазине и многое другое, для чего сейчас мы используем руки. Возможно, проще будет внедрить в протез портативный компьютер, который сможет осуществлять эти и многие другие действия.
Также диктовать направление развития протезов будут новые устройства и интерфейсы взаимодействия с ними, новые виды деятельности человека и даже успехи в освоении космоса. Скорее всего потребуется выпуск специфических рабочих протезов и создание полноценных киборгов, которые смогут решать неизвестные нам сегодня задачи.
