Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

БИОПРОТЕЗИРОВАНИЕ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ

Морозов А.М. 1 Кадыков В.А. 1 Любский И.В. 1 Аскеров Э.М. 1 Пахомов М.А. 1 Городничев К.И. 1 Пельтихина О.В. 1 Хорак К.И. 1
1 ФГБОУ ВО «Тверской государственный медицинский университет Минздрава России»
По данным статистики около 12% населения Земли имеют нарушения функций и структур организма, препятствующие физической активности, а также затрудняющие социальную жизнь и профессиональную деятельность человека. Для адаптации людей, перенесших ампутацию, необходимы не только психологическая помощь и реабилитационная лечебная физкультура, но и разработка наиболее функционального протеза, отвечающего также и эстетическим требованиям современного человека. Целью нашего исследования было оценить качество и возможный функционал современных биопротезов, а также определить перспективы их использования в существующих условиях. Был проведен классический анализ литературных источников, как российских, так и иностранных, в том числе доступных в сети Интернет. В данной статье представлены краткая история протезирования, основные принципы биопротезирования, рассмотрены устройство, достоинства и недостатки бионических протезов. Биопротезирование способно значительно улучшить качество жизни человека, перенесшего ампутацию. К сожалению, высокотехнологическое протезирование пока мало распространенно ввиду высокой стоимости, но развитие нанотехнологий и удешевление производства комплектующих позволят в ближайшем будущем сделать биопротезы более технологичными и доступными. Однако даже сейчас можно с уверенностью сказать, что функционал современных бионических протезов постоянно совершенствуется и обновляется.
биопротез
протез
биопротезирование
искусственная конечность
высокотехнологичный протез
1. Оксенюк Д.Н., Черноус Д.А. Минимизация сил и моментов в биомеханической модели конечностей человека // Механика. Научные исследования и учебно-методические разработки. 2014. № 8. С. 148-153.
2. Рубцов В.В., Васина Л.Г., Куравский Л.С., Соколов В.В. Модельный образец специальных образовательных условий для получения высшего образования студентами с инвалидностью: опыт создания и применения // Психологическая наука и образование. 2017. Т. 22. № 1. С. 34-49.
3. Литвинова Н.Ю., Черняк В.А., Панчук О.В., Плюта И.И. Роль дуплексной флоуметрии в оценке состояния тканей нижней конечности у пациентов с хронической ишемией нижних конечностей // Сердце и сосуды. 2014. № 3. С. 83-88.
4. Рудьковский Д.Н., Кан Д.В. Анализ рынка современных бионических протезов // Молодежь и современные информационные технологии: сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Томск, 04-07 декабря 2017 г.). Томск: Издательство: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2017. С. 272-273.
5. Бушуева В.В., Губанов Н.Н., Губанов Н.И. Закономерности тройной детерминации научного творчества // Гуманитарный вестник. 2016. № 5 (43). С. 4. DOI: 10.18698/2306-8477-2016-5-362.
6. Москвитин С.К., Тюхтихов М.В., Алексеев А.А., Коренев Л.Е. Протезирование верхних конечностей тела // Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XVIII Международной научно-практической конференции (Пенза, 25 июня 2018 г.). Пенза: "Наука и Просвещение" (ИП Гуляев Г.Ю.), 2018. С. 121-124.
7. История имплантируемой техники. Протезы конечностей. 2017. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/post/400695/. (дата обращения: 03.06.2019).
8. Бионические протезы: история, принципы работы, последние достижения. 2017. [Электронный ресурс]. URL: https://robo-sapiens.ru/stati/bionicheskie-protezyi/. (дата обращения: 07.06.2019).
9. Агеева У.О., Агеева В.Г., Барский А.Б. Бионическое интеллектуальное протезирование конечностей и логические нейронные сети // Информационные технологии. 2016. Т. 22. № 5. С. 379-386.
10. Борисова О.В., Борисов И.И., Кривошеев С.В., Резников С.С. Разработка механизма лучезапястного сустава антропоморфного протеза // Материалы XXVIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС - 2016) сборник трудов конференции. 2017. С. 216-218.
11. Энциклопедия полимеров / Под ред. Коллегия Кабанова В.А. (глав. ред.) Т. 2 М.: “Советская энциклопедия”, 1974. С. 928.
12. Березняк А.Е. Моделирование и прототипирование протеза верхней конечности // Межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов им. Е.В. Арменского (Москва, 17 февраля-01 марта 2017 г.). 2017. С. 110-111.
13. Скворчевский А.К. Разработка и исследование новых классов биопротезов и биороботов для реабилитации людей с ограниченными возможностями // Медицина и высокие технологии. 2015. № 1. С. 35-44.
14. Барабаш А. Ученые создали искусственную кожу, различающую прикосновения // Hi-News.ru. Новости высоких технологий. [Электронный ресурс]. URL: https://hi-news.ru/technology/uchyonye-sozdali-iskusstvennuyu-kozhu-razlichayushhuyu-prikosnoveniya.html. (дата обращения: 05.06.2019).
15. Завьялов С.А., Мейгал А.Ю. Технологии биоуправляемых протезов сегодня и завтра // Journal of biomedical technologies. 2015. № 2. С. 36-42.
16. Степаненко Д., По мановению мысли // Популярная механика 2016. № 2. С. 26-27.
17. Афонин А.Н., Алейников А.Ю., Гладышев А.Р., Попова А.В. Разработка и реализация макета бионического протеза кисти руки // Робототехника и техническая кибернетика. 2016. № 3 (12). С. 68-71.
18. Ахмерова У.Д., Чернышова Е.А., Морозов А.М. Бионические протезы, механизм обратной связи // Молодежь, наука, медицина: материалы 64-й Всероссийской межвузовской студенческой научной конференции с международным участием (Тверь, 19-20 апреля 2018 г.). Тверь: Издательство Тверского государственного медицинского университета. 2018. С. 103-107.
19. Губанов Н.И., Губанов Н.Н. Перспективы использования объективно-нереальных ситуаций // Вестник Ишимского государственного педагогического института им. П.П. Ершова. 2013. № 3 (9). С. 18-23.
20. Чернышова Е.А., Ахмерова У.Д., Пельтихина О.В., Морозов А.М. Применение протезов в параолимпийских видах спорта как фактор физической и психологической реабилитации // Инновации в медицине и фармации – 2018: материалы дистанционной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. Минск: Издательство Белорусского государственного медицинского университета. 2018. С. 492-494.
21. Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ) / Под ред. Петровского Б.В., 3-е издание. Том 21. С. 176.
22. Иванюк Н.М., Каримов В.Р., Будко Р.Ю., Гронский П.В., Клейман С.М. Способ и система управления интеллектуальной бионической конечностью // Патент РФ № 2635632. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Бионик Натали" (RU); заявлено 2016.12.14; опубликовано 2017.11.14 Бюл. № 32.
23. Левицкая О.С. Лебедев М.А. Интерфейс мозг-компьютер: будущее в настоящем // Вестник российского государственного медицинского университета. 2016. № 2. С. 4-16.
24. Замилацкий Ю.И., Курдыбайло С.Ф., Гайнуллина Р.Р., Чекушина Г.В. Технология протезирования, сокращающая время и трудозатраты на изготовление протезов верхних конечностей // 3-й Азиатско-Тихоокеанский конгресс по военной медицине: материалы конгресса (Санкт-Петербург, 08-12 августа 2016 г.). Санкт-Петербург: Издательство Военно-медицинской академии имени С.М.Кирова, 2016. С. 169-170.

В современном мире идет активное развитие технологий и роботизации производств, однако уровень травматизма сохраняется. Согласно статистике около 12% людей на планете [1] имеют нарушения структур организма, снижающие его функциональность, что в свою очередь отражается на уровне физической и социальной активности человека, снижает качество жизни и становится препятствием при реализации профессиональной деятельности. Более 50 миллионов человек каждый год приобретают инвалидность [2] по тем или иным причинам, около 300 000 теряют ноги [3], а 390 тысяч – руки [4]. Утрата конечности не только приводит к физическим ограничениям, но также несет в себе и социальные проблемы для пострадавшего. Это все влияет на качество жизни человека.

Пытаясь уменьшить негативное влияние травмы, человечество изменяет инфраструктуру городов, адаптирует окружающую среду для лиц с ограниченными возможностями, а также прибегает к помощи искусственных конечностей – протезов. С развитием современных технологий выбором все чаще становятся биопротезы [5].

Биопротезы – это протезы конечностей, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые способны реагировать на биотоки, возникающие в организме человека. Именно благодаря созданию биопротезов появилась возможность вернуть утраченные функции организма, будь то конечность или внутренний орган, и возвратить человека к полноценной социальной жизни.

Целью нашего исследования было оценить качество и возможный функционал современных биопротезов, а также оценить перспективы их использования в существующих условиях.

Материалы и методы исследования. Для компиляции основных фактов применялся классический метод анализа литературы. Изучался материал из актуальных публикаций, содержащих информацию по современным бионическим протезам и истории их создания, реализации таких устройств в настоящие дни, подробному внутреннему строению высокотехнологичных протезов, а также информацию об успешных применениях таких протезов. Поиск осуществлялся не только среди печатных источников, но также и в Интернете.

Результаты исследования и их обсуждение. История протезирования. Развитие протезирования имеет длинную историю – от примитивных механизмов до сложных современных конструкций. И для того, чтобы углубиться в изучение современных технологий, необходимо проследить их изменения в ходе истории человечества.

Истоки ортопедической техники идут из Древнего Египта. Древнеегипетские протезы производились из ткани и дерева, их главным предназначением было вовсе не заменить утраченную конечность, но своим видом создать у человека чувство цельности, полноценного вида в обществе. Это стремление позволило выполнить первый функциональный протез большого пальца ноги еще в период 950–710 гг. до н.э. Данное изобретение было обнаружено в 2001 г. на раскопках в Саккаре [6]. Протез состоял из двух деревянных частей, соединенных кожаной нитью через отверстия, просверленные в древесине. Палец закреплялся с помощью ремешка.

Однако деревянные протезы имели множество недостатков, поэтому мастера начали поиск новых материалов. Так, в 1858 г. при раскопках в Италии был обнаружен первый металлический протез ноги, создание которого датируется 300 г. до н.э. Он был выполнен из бронзы и железа, с деревянным сердечником, располагающимся ниже колена. Такие протезы создавали лишь иллюзию новой конечности и по своей функциональности не позволяли вернуться к полноценной жизнедеятельности. Но на Апеннинском полуострове во времена Древнего Рима произошел один из известнейших случаев протезирования в Древнем мире. Ученым Плинием Старшим был описан уникальный железный протез правой руки, используемый генералом Марком Сергием [7]. Как командир он должен был держать свой щит и иметь возможность принимать участие в битвах, используя для этого железную руку.  

Человечество развивалось, вместе с ним прогрессировало протезирование, давая начало все более сложным и модернизированным устройствам, поэтому в Средние века созданием искусственных конечностей занимались не только кузнецы, торговцы и оружейники как люди, преимущественно работавшие с металлами и деревом. Кроме них, развитию протезирования способствовали представители других профессий. Так, например, часовщики были особенно полезны для добавления сложных внутренних механических функций с помощью пружин и зубчатых колес. Тем не менее базовой функцией протезов оставалась эстетическая замена, служащая человеку сокрытием уродства или травмы.

Активному развитию протезов способствовала начавшаяся эпоха Ренессанса, когда открылись новые перспективы для искусства и философии и произошел резкий скачок развития в науке и медицине. В это время широкое распространение получило забытое, но ныне широко используемое протезирование зубов, а именно в отличие от более ранних приемов применения человеческих зубов их изготовление, которое осуществлялось преимущественно из таких материалов, как железо, сталь, медь и дерево.

Из этих материалов также изготавливались не только зубы, но и протезы других частей тела. В летописях находятся упоминания, датирующиеся 1508 г., о немецком наемнике Гетца фон Берлихингена, применяющем для жизни усовершенствованные железные руки, которые управлялись с помощью пружин, подвешенных на кожаных ремнях [8].

С развитием технологий и представления людей о должном внешнем виде протезы претерпевали множество изменений в своей эстетической и механической части. Несмотря на это, особенности их крепления и фиксации длительное время оставались без изменений, оставляя желать лучшего. Благодаря Питеру Вердайну в 1696 г. был разработан первый протез ноги ниже колена, не требующий дополнительной фиксации [7]. Именно эта модификация протеза голени позже станет основой для современных протезов. Кроме того, существующие протезы из железа и меди Густав Герман предложил заменить на алюминиевые с целью сделать протез легче и функциональнее.

Но одного освоения технологий протезирования было недостаточно. Развитие медицины, а именно внедрение новых методов в область хирургии, позволило реализовать стремление максимально сохранить конечность, а также использовать меньший по размерам и весу протез, что привело к модернизации ампутации. Так, в 1843 г. Сэр Джеймс Сайм разработал способ ампутации лодыжки, не приводящий к удалению конечности до бедра [7]. Указанный подход приветствовался в сообществе инвалидов-ампутантов, так как это позволило ходить с протезом ступни, а не использовать целую искусственную ногу.

Таким образом, подводя итог развитию протезов в мировой истории, можно сказать, что они претерпевали существенные изменения. Искусственные конечности, от деревянных пальцев до механизированных устройств, дали возможность своим хозяевам не только чувствовать себя полноценными в обществе, но и частично позволили вернуть функции утраченного органа. Следует отметить, что некоторые протезы, созданные в прошлых веках, и по сей день являются основой для создания высокотехнологичных бионических протезов.    

Современный этап. Дальнейший прогресс в протезировании произошел в конце XX и начале XXI вв. Создание новых классов биопротезов напрямую связано с развитием микроэлектроники, медицины, нейрофизиологии, в настоящее время является одной из приоритетных задач модернизации отечественного здравоохранения. На сегодняшний день современный бионический протез представляет собой электронно-механическое устройство, большая часть которого создается из пластика [9, 10]. Основными компонентами конструкции таких протезов являются каркас, механика и система управления.

Для создания каркаса широко используются поливинилхлориды, стеклопластики, жесткие и эластичные пенопласты [11], а также легкие металлические сплавы, благодаря чему обеспечиваются прочность и долговечность протеза. Существует множество видов пластика, которые обладают различной температурой плавления, повышенной прочностью или эластичностью и другими важными в протезировании факторами [12]. Другая функция каркаса – защита электронных систем от различных повреждений. Под каркасом находится аккумулятор, в зависимости от емкости которого заряда хватает на период от 3 до 7 дней. Протезы покрывают силиконовой или резиновой оболочкой для повышения эстетических качеств.

Для повышения удобства использования протеза и улучшения его мобильности применяют механические системы. Бионический протез имеет встроенные механизмы, которые делают устройство подвижным. Например, в искусственных ногах используются гидравлические, пружинные или даже пневматические амортизаторы, обеспечивающие смягчение и распределение ударной нагрузки при движении [8].

Для контроля над протезом в нем устанавливают датчики нервных сигналов [13] и обрабатывающий процессор, который осуществляет управление приводами. Такая сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет вносить коррективы в свою работу, составляя систему управления протезом. Сегодня искусственные конечности уже имеют возможность программироваться так, чтобы принимать собственные решения с использованием камер и алгоритмов, однако о широком применении заявлять пока рано.

Для некоторых моделей ученые смогли разработать искусственный заменитель кожи, снабженный подобием рецепторов, благодаря которым протез способен «ощущать» прикосновения, определять их силу и передавать информацию к нервной системе [14, 15]. Такое усовершенствование позволило пациентам вновь испытывать проприоцептивные и тактильные ощущения.

До недавнего времени протезы крепились к телу пациента механически и не имели никакой связи с нервной системой. Любое движение в шарнирах-суставах требовало больших усилий, так как для его выполнения владельцу нужно было тем или иным образом регулировать поведение своего протеза, вручную обеспечивая обратную связь, совершая нефизиологичные движения мышц [16], что в свою очередь ограничивало набор выполнимых команд, поэтому мелкая моторика была практически невозможна. Теперь протезы рук обладают различным набором движений для повседневных задач, набором вариантов захвата и сжатия предметов. Управлять режимами работы данных протезов возможно посредством регистрации биопотенциалов нервных волокон, располагающихся в сохранившихся группах мышц конечностей, или же напрямую, считывания изменения электрических сигналов от головного мозга, а также при помощи специальной панели управления [17,18]. При желании пошевелить конечностью определенным образом возникает нервный импульс, который приводит к изменению электрического биопотенциала мышцы, что в свою очередь улавливается датчиками прибора.

Благодаря нейрофизиологическому принципу работы бионического протеза появилась возможность значительно упростить управление, а также частично вернуть пациенту ощущение обладания полноценной конечностью. При помощи бионических протезов человеку намного проще справляться с различными бытовыми действиями: пользоваться столовыми приборами, писать, работать за компьютером, завязывать шнурки, открывать бутылки, гладить белье, одеваться и многое другое [19].

Некоторые протезы позволяют активно заниматься спортом [20]. Для того чтобы начать пользоваться протезом и научиться правильно управлять им, нужна достаточная сила всех крупных и средних мышечных групп. Срок освоения протеза зависит от многих факторов, таких как уровень соматического здоровья, двигательная активность, уровень ампутации, функционирование мышц туловища и конечностей, изменение объемных размеров культи и др.

Задача лечебной физкультуры при ампутации конечности заключается в адаптации к протезу, укреплении мышц таза и культи, обучении управлению протезом, тренировке координации движений, устранении контрактур усеченной конечности, укреплении мышц сохранившейся конечности, тренировке ориентации в пространстве.

Усовершенствование способов ампутации и развитие протезирования позволяют сократить сроки реабилитации людей. Ранняя ходьба на высокотехнологичном протезе позволяет больному быстрее адаптироваться к новым условиям жизни, а также способствует формированию нового двигательного стереотипа, оказывает положительное влияние на психическое состояние больного.

Как и ранее, биопротезы несут эстетическую функцию. Они устроены так, что при установке требуется минимальное инвазивное вмешательство и как следствие – незначительное количество инородных материалов в суставе, что также обеспечивает малую болезненность.

Более совершенная конструкция не требует дополнительных ремней для крепления, поэтому сосуды не сдавливаются и не нарушается трофика тканей культи, что обеспечивает их нормальную жизнедеятельность [21].

В основе управления биопротезов заложены принципы работы здоровой конечности, в чем заключается их физиологичность. Такое управление не требует от инвалида неестественных компенсаторных движений для осуществления захвата предмета.

Прогресс в развитии очевиден, и люди, потерявшие конечности, перестают чувствовать свою неполноценность, спрос на биопротезы с каждым днем только растет. Но сейчас существует постоянная потребность в улучшении бионических протезов, которые были бы способны восстановить полные двигательные функции и сенсорные способности утраченной конечности [22]. За последние 20 лет их создания и использования был выделен ряд недостатков, которые требуют ликвидации. К сожалению, имеющиеся модели рук и ног не способны развивать значительных усилий, а также работают недостаточно свободно и точно. Решить эту проблему можно за счет технологии искусственных мышц на основе углеродных трубок. Результаты многочисленных исследований показывают, что физические свойства материалов, изготовленных с применением нанотрубок, состоящих из атомов углерода, могут оказаться очень полезными в создании высокотехнологичных протезов. Благодаря уникальной структуре по своей работе они способны превосходить живые мышцы, а их способность чувствовать малейшие изменения давления позволяет использовать их в качестве переключателей в компьютерных чипах и микросхемах.

Однако существует другая не менее значимая проблема: в протезах из-за опосредованности и «зашумленности» передаваемого сигнала наблюдается задержка в их работе, что ограничивает использование протезов в тех случаях, когда важна скорость реакции (например, при управлении транспортом). Для решения данной проблемы предлагается имплантировать датчики непосредственно в двигательные центры коры головного мозга [23].

Также широкому распространению бионических протезов препятствует их высокая цена. Стоимость искусственной конечности по-прежнему остается еще очень высокой и в зависимости от комплектации может составлять до 2,5 миллионов рублей, что ограничивает массовое внедрение и делает их не самыми доступными устройствами на данный момент.

В 2013 г. практически все части протеза были распечатаны на 3D-принтере, но и это не позволило сделать протезы доступными для всех, хотя существенно снизило их стоимость [24]. Набольшее предпочтение сейчас отдается протезам, изготовленным с использованием сверхлегких материалов, таких как углепластик, титановые и алюминиевые сплавы [12].

Выводы. В настоящее время протезирование добилось заметного успеха. Биопротезирование способно значительно улучшить качество жизни человека, перенесшего ампутацию. Научные исследования в области биопротезирования не замедляют темпов, в дальнейшем можно будет ожидать, что протезы получат больший спектр возможностей, станут легкими, сильными, чувствительными, энергоемкими и максимально адаптированными к потребностям человека, чутко отвечающими всем его запросам. Также не исключено, что в скором времени появятся инновационные разработки с новыми возможностями, которые позволят бионическим протезам превосходить по своей функциональности естественные конечности.

На данный момент существует два основных направления по развитию бионических протезов. Во-первых, дать владельцу возможность почувствовать объект, к которому он прикасается, то есть сделать протез чувствительным. Во-вторых, избавиться от необходимости каждый раз снимать и надевать протез (при приеме душа или перед сном), то есть требуется вживление всех составных частей.

К сожалению, высокотехнологическое протезирование пока мало распространено ввиду высокой стоимости, наиболее известные случаи получения бионического протеза относится к благотворительности частных организаций или общественному сбору средств. Однако государственные программы, нацеленные на развитие бионического протезирования, уже существуют.

На современном этапе развития протезирования человечество проявляет большой интерес к данной технологии, а многие даже приветствуют ее внедрение, что свидетельствует о готовности социума принять данную ступень технологического прогресса в медицине. Кроме того, данный интерес демонстрирует, что общество активно готовится к внедрению искусственных органов и позитивной адаптации людей с инвалидностью.


Библиографическая ссылка

Морозов А.М., Кадыков В.А., Любский И.В., Аскеров Э.М., Пахомов М.А., Городничев К.И., Пельтихина О.В., Хорак К.И. БИОПРОТЕЗИРОВАНИЕ. ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 4.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=28969 (дата обращения: 12.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074