Proteza bioniczna: historia stworzenia, zasada działania

Począwszy od średniowiecza aż po dzień dzisiejszy, ludzkość stara się stworzyć protezy, które byłyby podobne do utraconej kończyny, jak to tylko możliwe, nie tylko pod względem wyglądu, ale także funkcjonalności. Aby ułatwić życie chorym, którzy w dawnych czasach nie mieli szansy na urzeczywistnienie w społeczeństwie i poprawę ich samopoczucia, pozwala współczesna medycyna i nauka. Szybki rozwój postępu technologicznego pozwala tworzyć niesamowite rzeczy, dzięki którym życie pacjentów staje się bardziej wolne, pozytywne i bogate.

Nauka o przyszłości

Obecnie pojawia się nowa dyscyplina łącząca technologię i biologię. Bionika jest nauką, która bada układ nerwowy, jego komórki i badanie receptorów. Celem tej pracy jest stworzenie innowacyjnych urządzeń.

Bionika jest dyscypliną stosowaną, a dziś jej rozwój odbywa się w dość szybkim tempie. W końcu ludzkość zawsze dążyła do posiadania takich zdolności, które nie zostały mu dane z natury. Oczywiście żywe ciało może wiele zrobić. Są jednak rzeczy, których po prostu nie można zrobić. To na przykład brak umiejętności rozmawiania z ludźmi, którzy są poza zasięgiem słuchu, a także umiejętność latania. Ale człowiek zawsze starał się zrekompensować swoje niedoskonałości. Do tego użył różnych urządzeń zewnętrznych. Na przykład wynaleziono telefon i samolot. Ale jeśli chodzi o dziedzinę medycyny, jest to coraz trudniejsze. Jednocześnie, każdy z nas rozumie, że lekarze, w przypadkach, gdy coś dzieje się z ciałem pacjenta, przeprowadzają jego "naprawę", wykorzystując najnowsze osiągnięcia w tej dziedzinie.

Bionika jest nauką, która była w stanie połączyć te dwa, na pierwszy rzut oka, dość proste pojęcia. Ponadto pozwala nam spojrzeć trochę w przyszłość. Wszakże tam, całkiem możliwe, lekarze zaczną aktywnie ulepszać swoich pacjentów, "zmieniając" ich "niewłaściwe", "zużyte" narządy i układy. Ponadto, jest wysoce prawdopodobne, że bionika pozwoli nam zostać stworzonym tak, że natura nie może stworzyć, to znaczy, silniejszego i szybszego. To jest esencja tej nauki.

Niezwykłe urządzenia

Jedna z głównych dziedzin bioniki zajmuje się produkcją nowoczesnych protez i implantów. Takie urządzenia technologiczne są umieszczane tam, gdzie wcześniej była utracona kończyna.

Nazwa bionicznej protezy pochodzi od słowa "bionika". Aby tworzyć swoje produkty, oprócz technologii i biologii, ta dyscyplina wykorzystuje osiągnięcia elektroniki i cybernetyki, fizyki i chemii, nawigacji itp.

Bioniczna proteza lub implant ustanowiony dla osoby zaczyna wchodzić w interakcję z komórkami układu nerwowego. I pomimo tego, że takie urządzenia są wykonane ze sztucznych materiałów, pozwalają one pacjentowi kontrolować ich ruchy. Jest to możliwe dzięki renowacji mięśni. Jego podstawowa zasada polega na tym, że nerwy, które kiedyś były odpowiedzialne za amputowaną nogę lub ramię, są połączone z pozostałymi tkankami mięśniowymi na kończynie. Przesyłają sygnały do ​​elektronicznych czujników protetycznych.
Po usunięciu kończyny, w jego ciele znajdują się nerwy odpowiedzialne za aktywność motoryczną. Lekarze za pomocą złożonych operacji chirurgicznych łączą je ze strefami największych mięśni. Na przykład w przypadku amputowanego ramienia, od klatki piersiowej.

Jak działają bioniczne protezy? Kiedy dana osoba ma ochotę poruszyć palcami, jego mózg wysyła sygnał do mięśnia piersiowego. Tutaj elektrody są zawarte w pracy. Otrzymują ten sygnał i przesyłają impuls przez przewody do procesora wewnątrz bionicznej kończyny. Dzięki temu proteza może wykonać zamierzony ruch.

Co ciekawe, sztuczna kończyna może nawet poczuć ciepło, ucisk i dotyk. Ostatecznie lekarze wytwarzają połączenie żywego nerwu czuciowego z obszarem skóry umiejscowionym na klatce piersiowej. Metodę tę nazwano docelową reinerwacją zmysłową. Czujniki umieszczone na sztucznej kończynie, wysyłają sygnał do obszaru skóry. Co więcej, ten impuls jest przekazywany do kory mózgowej, a osoba, na przykład, jest w stanie wyczuć ciepło i wyciągnąć rękę.

Dzisiaj możemy powiedzieć, że bioniczne protezy kończyn są wprowadzane do życia. Nadal istnieje problem kontroli jakości takich urządzeń.

Bioniczne ręce

Stworzenie takiej protezy zajęło naukowcom dużo czasu. Oczywiście zadanie przed naukowcami nie było łatwe. Jak stworzyć tak inteligentną protezę, że mógłby odtworzyć wszystkie ruchy swojego mistrza, nawet najbardziej delikatnego? W końcu natura dostarczała koniuszkom palców ludzkich rąk najbardziej wrażliwe zakończenia nerwowe, które zapewniają dokładność wykonywania różnych zadań.

Oczywiście do tej pory naukowcy nie zdołali jeszcze w stu procentach powtórzyć naturalnych możliwości ludzkiej ręki. Istnieje jednak kilka całkiem interesujących prób, które pozwoliły zbliżyć sztuczną kończynę do naturalnej jak najdokładniej.

Czym są protezy bioniczne? Historia stworzenia tych urządzeń wciąż ma bardzo mało czasu. Staje się to głównym powodem, dla którego ich użycie w tym momencie nie jest tak ogromne. Pierwsze protezy bioniczne zostały opracowane przez naukowców pracujących w Chicago Rehabilitation Institute. Udało im się stworzyć urządzenie, które pozwoliło pacjentowi kontrolować rękę, a nawet rozpoznać wiele wrażeń. Pierwsza bioniczna ręka została podniesiona przez Claudię Mitchell. Ta kobieta, która służyła w US Navy w przeszłości, miała wypadek w 2005 roku. Aby uratować życie pacjentowi, chirurdzy musieli przejść operację amputacji lewej ręki. I na ramieniu. Sztuczna ręka była przywiązana do nerwów, która pozostała niezmieniona.
Dzisiaj taka proteza bioniczna jest produkowana przez różnych producentów. Zastanów się nad niektórymi z nich.

Protezy I-LIMB

Jedną z firm produkujących bioniczne ręce jest Touch Bionics. Początkowo produkowała swoje produkty dla weteranów wojennych. Takie protetyczne ramię może nie tylko brać, ale także trzymać przedmioty. W tym przypadku jej palce są w stanie poruszać się oddzielnie i odtwarzać kilka standardowych zarejestrowanych ruchów. Co ciekawe, taka proteza bioniczna może kompresować przedmioty o różnych mocach.

Na czym opiera się to urządzenie? Jest to urządzenie mikroelektryczne zdolne do odczytywania potencjału bioelektrycznego przetrwałej części ręki. Dalej następuje transfer informacji na urządzeniu programowym. Zapewnia to dalsze funkcjonowanie kończyny bionicznej. System komputerowy, który jest wyposażony w sztuczną rękę, zawiera pewną listę standardowych chwytaków i ruchów.

Protezy Bebionic3

To bioniczne ramię jest podobne do opisanego powyżej. Z jego pomocą osoba może wykonać czternaście różnych ruchów i chwytów, odtwarzając różne działania.

Ta proteza myo-elektryczna jest obecnie finalizowana, ale wkrótce może stać się pełnoprawnym zamiennikiem utraconej ręki.

Bioruka, utworzona na Politechnice Chalmers

Naukowcy z tej instytucji stworzyli unikalną protezę. Częściowo może działać z mioelektryków, a częściowo z powodu impulsów przekazywanych przez układ nerwowy osoby niepełnosprawnej. Elektrody są wszczepiane w ramię osoby, która odczytuje sygnały przekazywane przez mózg. Co więcej, impulsy te docierają do urządzenia komputerowego, które rozdziela je na sterowane silnikiem. Dzięki temu ramię protetyczne może reprodukować ruchy palcami jednocześnie i indywidualnie.

Do tej pory twórcy tego modelu pracują nad jego ulepszeniem. Postawili sobie za zadanie stworzenie takiej protezy kontrolowanej wyłącznie przez impulsy nerwowe przekazywane przez mózg.

Urządzenie Andrew Schwartz

Produkcja protez wykonanych zgodnie z rozwojem tego neurobiologa pozwoliła na zmianę życia sparaliżowanych osób. Pierwszym pacjentem, który przeszedł operację, aby zainstalować ten bioruki, była kobieta, która cierpiała na ciężką chorobę neurodegeneracyjną. To właśnie ta choroba spowodowała, że ​​pacjent stracił funkcje motoryczne w całym ciele. W mózgu kobiety wszczepiono specjalne elektrody, za pomocą których kontrolowano bioruka.

W prototypie nowej protezy kończyny górnej sygnały dotykowe są przesyłane za pomocą czujników osadzonych w końcach sztucznej dłoni, nadgarstka i palców. Ta innowacja pozwala pacjentowi poczuć nie tylko położenie samej protezy. Czuje i obiekty skompresowane przez bioruk.

Oczywiście, dzisiaj możemy powiedzieć, że tych uczuć nie da się porównać z naturą naturalną, daną nam przez nas. Ponadto materiał, z którego wykonany jest implant, nie powinien znajdować się w żywym organizmie dłużej niż miesiąc. Niemniej jednak można śmiało powiedzieć, że już pierwsze kroki w celu stworzenia "inteligentnej" protezy zostały już wykonane.

Nogi bioniczne

Na pierwszy rzut oka stworzenie sztucznej kończyny dolnej nowego pokolenia wydaje się być łatwiejszym zadaniem w porównaniu do tego, z czym naukowcy musieli się zmierzyć, tworząc "inteligentną" rękę.

Jednak do tej pory naukowcy nie byli w stanie znacząco zbliżyć się do swojego rozwiązania. Oczywiście, od kilku lat trwają prace nad protezami, które mogą zastąpić kończyny dolne. Co więcej, badacze przedstawili już kilka najbardziej udanych modeli.

Testy nóg bionicznych

Naukowcy z Uniwersytetu Vanderbilt intensywnie pracują nad stworzeniem silników do kolan i stóp. Pierwszym pacjentem, który doświadczył możliwości tej sztucznej kończyny jest dwudziestodwuletni facet Crain Hatto. Stracił nogę w walce z rekinem. Analizując wideo o chodzie młodzieńca, można bezpiecznie stwierdzić, że żuraw dobrze się porusza na różnych powierzchniach. Utyka tylko nieznacznie i niezależnie może pokonać odległość do 14 km. Taka proteza jest w stanie reagować nawet na najmniejsze zmiany podczas ruchu osoby.

Kolejnym udanym postępem naukowców z Uniwersytetu Vanderbilt, a także naukowców z Centrum Rehabilitacji Uniwersytetu w Chicago, jest sztuczna noga, zainstalowana przez Zacka Woutera. Wykorzystując możliwości techniczne tej protezy, pacjent ten niezależnie wspiął się na 103. piętro wieżowca.

Zasada działania tego modelu polega na tym, że proteza jest kontrolowana przez sygnały wysyłane przez mózg. W tym przypadku urządzenie jest połączone z zakończeniami nerwowymi, które znajdują się w pozostałej części kończyny.

Bionoga tibion

Oprócz powyższych wydarzeń, istnieją inne równie godne modele sztucznych kończyn dolnych. Jednym z nich jest Bionoga Tibion. Konstrukcja tej protezy, naukowców jak najbliżej tych parametrów, które ma szkielet naturalnej nogi. To opracowanie jest przeznaczone dla pacjentów w podeszłym wieku, którzy unieruchomili kończyny dolne, na przykład po udarze.

Wymagania dotyczące bioprotezy

Aby sztuczne kończyny były wystarczająco skuteczne w ich funkcjonalności, muszą spełniać następujące wymagania:

- mieć podstawę lekkiego i wytrzymałego materiału (zwykle stopów tytanu), co jest szczególnie ważne w przypadku protez dolnych kończyn;

- posiadać niezawodną elektronikę, która pozwoli z dokładnością przenosić impulsy z mięśni pozostałego obszaru;

- posiadać autonomiczne zasilanie, które zapewni działanie mikrosilnika i procesora przez długi czas;

- mieć odporne na zużycie części imitujące kolano lub staw łokciowy;

- być jak najbardziej zbliżonym pod względem anatomicznym do amputowanej kończyny.

Montaż sztucznych kończyn w Rosji

Gdzie w naszym kraju można umieścić protezy bioniczne? Rosja to kraj, w którym takie urządzenia nie są produkowane. Jednak ci, którzy znaleźli się w tarapatach i zostaną niepełnosprawni, otrzymają pomoc w Centrum Rehabilitacji i Ortopedii, które znajduje się w Moskwie. W ciągu ostatnich dziesięciu lat specjaliści z tej instytucji pracowali nad protezami kończyn dolnych. W Centrum produkowane są nowoczesne protezy modułowe z wykorzystaniem zaawansowanych technologii niemieckiej firmy Otto Bock i islandzkiej firmy Ossur. Te sztuczne kończyny zawierają nowoczesne bioprotezy, które są wyposażone w mikroprocesor.

Są w stanie zapewnić najbardziej naturalny chód. Te protezy używają następujących modułów:

1. Rheo Knee. To jest samouczący się moduł kolanowy. Jest tak "inteligentny", że nieustannie i stale dostosowuje się do pacjenta, a także do otoczenia. Moduł ten wykorzystuje najbardziej zaawansowane technologie w postaci czujników obciążenia, które wykonują pomiary z częstotliwością 1000 razy w ciągu sekundy.

2. Stopa Proprio. To pierwszy przystanek na świecie ze sztuczną inteligencją. Jest podawany pacjentom, którzy przeszli operację usunięcia nogi. Moduł nawet automatycznie zagina kostkę. Oznacza to, że w swojej funkcjonalności jest blisko zdrowej stopy.

3. Noga symbioniczna. To jest całkowicie bioniczna noga. Do jego działania wykorzystuje się połączone zasilanie, jak również sterowanie z jednego mikroprocesora stopy i adaptacyjnego złącza kolana.

Bionic jest bardzo skuteczny dla osób niepełnosprawnych. proteza nogi Cena za to w RTC wraz z instalacją wynosi od 1 do 3 milionów rubli.

Oczywiście, bioniczne protezy są niedostępne dla zwykłych ludzi. Łatwo to jednak wytłumaczyć ich wyrafinowanym urządzeniem i wspaniałą funkcjonalnością. Na przykład bioniczna proteza nogi, której cena jest oczywiście bardzo wysoka, pozwala nie tylko normalnie chodzić, wspinać się i schodzić po schodach, ale także uprawiać sport, nie odmawiając sobie aktywnego życia.

Jakie inne narządy można zastąpić elektroniką?

Pod bionicznymi protezami zrozumieć i implanty ślimakowe które są wszczepiane w narządy słuchu. Są to specjalne urządzenia reprezentujące system, w którym znajduje się mikrofon, procesor dźwięku, a także nadajnik sygnału audio. Ostatnia z tych części jest zamocowana na skórze lub pod włosami. Odbiornik, który jest integralnym elementem tej protezy, jest wszczepiany do tkanki podskórnej pacjenta, a elektrody są wprowadzane do ślimaka słuchowego.

Od 1950 roku naukowcy przeprowadzali eksperymenty, których celem jest stworzenie sztucznego serca. Pierwsza operacja implantacji takiej protezy została przeprowadzona w 1982 roku.

Najbardziej niesamowity wynalazek uważany jest za sztuczne oko. Jest to skomplikowane urządzenie, które może częściowo zastąpić narząd wzroku. Zaczyna działać po zainstalowaniu anteny w gałce ocznej. Obraz pada na specjalne okulary, które są wyposażone w kamerę i są podłączone do komputera, który przetwarza obraz.