Протезы рук приблизились к реальным конечностям сразу по двум параметрам


xw_1014660

Умные протезы с каждым годом становятся всё совершеннее. Но так или иначе улучшение технологии для искусственных конечностей всегда сводится к работе над двумя параметрами: имитацией чувствительности и полноценным контролем за каждым пальцем. Недавно в журнале Science Translational Medicine вышло две новые статьи, рассказывающие о достижениях в обеих этих сферах.
Исследователи разработали методики управления искусственными конечностями, которые сочетают в себе прогресс как в развитии технологии тактильной обратной связи, так и в исполнении двигательных команд. По словам разработчиков, их достижение помогает преодолеть основные ограничения в использовании «умных» протезов.
Как правило, подобные устройства приводятся в движение электроникой, которая регистрирует движения мышц пользователя, и отдаёт сигнал к совершению аналогичных движений протезом. Также прежде уже предпринимались попытки придать искусственным конечностям чувствительность посредством подключения электродов устройства к нервам пациента.

Учёные пытались заменить недостающие тактильные ощущения, стимулируя оставшиеся нервы пациента регулярными тренировками: электрический импульс подавался с различной интенсивностью, когда протез касался тех или иных предметов. Тогда испытуемые сообщали об ощущении покалывания, которое обеспечивало им обратную связь с миром, однако многие посчитали, что такие неестественные ощущения покалывания могут стать настоящей проблемой в долгосрочной перспективе.
Нейроинженер Дастин Тайлер (Dustin Tyler) и его коллеги из Западного резервного университета Кейза в своей работе достигли максимальных результатов как в обеспечении чувствительности, так и в мастерстве управления искусственной конечностью. Заменить неприятное покалывание от электрических импульсов стало возможным благодаря особой методике «узорных импульсов», которые различаются по интенсивности по ходу времени.
В рамках эксперимента исследователи прикрепили датчики давления к каждому пальцу «умных» протезов добровольцев. Сигналы датчиков могут быть переведены в электрические импульсы особого порядка, которые помогают воспроизвести то или иное тактильное ощущение. Различные модели стимулирования вызывали разные чувства, в том числе и постукивания, постоянного давления, лёгкого или движущегося прикосновения.
Далее Тайлер и его команда решили проверить, могут ли эти ощущения помочь в дополнительном контроле над протезами. Для этого добровольцев попросили использовать свою роборуку, чтобы оторвать стебельки от вишен. Обычно пациенты с ампутированными конечностями испытывают трудности в исполнении таких тонких задач, поскольку не могут понять, стоит ли им нажимать сильнее или слабее на предмет.

Читайте также:  Специально разработанный протез для женщин

xw_1014661
Результаты эксперимента показали, что без применения технологии обратной связи пациенты смогли успешно очистить лишь 77% вишен, тогда как с тактильной обратной связью процент успеха вырос до 100.
Несмотря на громкий успех эксперимента, технология по-прежнему связана с определёнными рисками для пациентов. К примеру, для подключения нервов человека к стимулятору носители протеза должны имплантировать себе электроды в верхней части рук, при этом оставив некоторые соединения на поверхности кожи. Таким образом возрастает риск занесения инфекции или повреждения электрода.
«Двое участников наших испытаний оказались достаточно осторожными и проносили свои электроды на протяжении двух лет. Но мы понимаем, что это проблема, и пытаемся уменьшить электрод до таких размеров, чтобы его можно было вживлять под кожу, подобно кардиостимулятору», — рассказывает Тайлер, ведущий автор исследования и соавтор первой статьи.
Что же касается второй разработки, то она принадлежит команде из Технического университета Чалмерса в Гётеборге, Швеция, которую возглавлял биоинженер Макс Ортис Каталан (Max Ortiz Catalan). Учёные сообщили в своей статье о существенном прогрессе в области технологии полного контроля над искусственными конечностями.
Как мы уже упомянули, обычные системы управления протезами подразумевают считывание мышечной активности как намерений о совершении движений, в дальнейшем эти сигналы интерпретируются как руководство к действию. Поскольку импульсы можно считывать через кожу, методика является неинвазивной. Но слои ткани и кожи между мышцами и датчиками искажают двигательный сигнал, замедляя управляемость протеза. Соответственно, внешние электроды могут оказаться ещё менее эффективными.

xw_1014663

Чтобы получить мышечные сигналы напрямую, Ортис Каталан и его коллеги изучили умные протезы. Искусственная конечность подсоединяется к кости пациента через титановый соединительный элемент. Костная ткань, как правило, хорошо развивается и вырастает вокруг винта, что значительно отличает новую технологию протезирования от старой, где конечность крепится на петлеобразное соединение.
В рамках эксперимента Ортис Каталан и его команда отправили отводящие электроды через разъём, протолкнули их через кость и имплантировали непосредственно в мышцы, которые отвечают за движение недостающей конечности. Авторы исследования подчёркивают, что их эксперимент был весьма смелым, так как прежде внутримышечные электроды использовались только в экспериментах на животных и в краткосрочных клинических испытаниях.
Счастливым обладателем новой системы контроля за собственными искусственными конечностями стал водитель грузовика по имени Магнус N, которые использует технологию с вживлённым электродом с 2013 года и пока не собирается от неё избавляться.
«Мой протез подчиняется мне не хуже настоящей руки. Моя предыдущая искусственная конечность с накожными датчиками куда хуже поддавалась контролю, особенно на холоде. К тому же, новым устройством оказалось в пять раз легче управлять», — делится впечатлениями пациент в пресс-релизе.
Помимо вживления электродов в мышцы, исследователи также обернули электрод вокруг нерва ампутированных конечностей пациентов. Этот элемент позволит интегрировать в протез и систему тактильной обратной связи. Но перед этим Ортису Каталану и его коллегам ещё предстоит ознакомиться с результатами работы команды Тайлера.

Читайте также:  В Арабских Эмиратах к 2025 году начнут осуществлять 3D-печать доступных протезов

Комментарии и отзывы

Нашли орфографическую ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter