По данным ВОЗ, заболеваниями опорно-двигательной системы страдают 1.73 миллиарда человек. Не менее 175 миллионов перенесли различные ампутации.
| Ампутация — многозначный термин. Она может быть хирургической или травматической, но всегда сводится к отсечению дистально расположенной части органа. В большинстве случаев речь будет идти о конечностях. Естественно, эту потерю нужно компенсировать. |
▎Историческая справка
Человек встретился с ампутациями примерно в то время, когда осознал цельность своего тела. В контексте медицины ампутации были всегда, но пик их популярности пришёлся на XIX век. Тогда наступала «прекрасная эпоха» — условное обозначение периода между 1871 и 1914 годами. Она принесла миру весьма развитую промышленность. Платой за прогресс оказалось появление совершенно новых травм. Высокоэнергетических.
В тот момент хирургия приобрела нынешние черты, во многом благодаря стараниям русского хирурга Пирогова. Тем не менее врачи того времени ещё не имели доступа к антибиотикам. Физическое поражение неизбежно приводило к загрязнению раны. Микроорганизмы плодились в очаге, вызывали массированный иммунный ответ, истощение организма и его неизбежную гибель. Поэтому хирурги часто прибегали к ампутациям. В условиях кустарной операционной проще отсечь руку или ногу, чем бороться с тем, что мы сейчас именуем сепсисом.
Ампутация спасает организм ценой его части, но с этим проблемы только начинаются. Человек эволюционировал как существо, адаптированное к точным движениям. Наши руки способны выполнять огромный комплекс действий. На них строится не только самообслуживание в быту, но и трудовая деятельность.
▎История бионики
Первые протезы, датированные временами Древнего Египта, выполняли эстетическую функцию. Они прикрывали культю, имитируя конечность.
Так выглядит древнейший протез, датированный временами Нового Царства. Его нашли в местечке Шейх Адб-эль-Курна, что недалеко от Луксора
С течением времени ортопедия осваивала новые технологические высоты. Средневековье и Возрождение принесли сложные системы ремней, крюков и рычагов. Некоторые свидетельства описывают рыцарей, умевших держать щит в искусственной руке.
Архетипический образ пирата с крюком вошёл в массовую культуру примерно в те времена. Проблему инвалидизации это не решало.
▎Физиологическая база
Наши руки имеют прямую связь с головным мозгом через нервы, которые выполняют функцию проводов. Намерение, сформированное в коре, транслируется в двигательные центры. Оттуда сигнал идёт на плечевое сплетение, крупный информационный узел, раздающий приказы на локтевой и лучевой нерв.
Верхняя конечность двигается благодаря множеству мышц. Одни отвечают за сгибание. Другие выполняют разгибание. Вращательные движения, приведение и отведение конечности выполняются особыми группами мускулов. Сокращаясь, миоциты как бы тянут сухожилия, прикреплённые к костям.
Из этого следует, что для создания бионического протеза нужно дать ответ на следующие вопросы:
- Как передать сигнал от мозга на прибор-исполнитель?
- Как объяснить прибору, что ему следует делать?
- Каким образом человек будет управлять им?
| Последний вопрос намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Дело в том, что у нас намного больше чувств, чем пять. К ним относят не только зрение, слух, обоняние, осязание и вкус. Существует вестибулярный аппарат, отвечающий за понимание положения тела в пространстве. В него входит гравитационная чувствительность, ощущение линейных ускорений и проприорецепция. |
▎Гомункул Пенфилда
Картинка выше демонстрирует не авангардное искусство и даже не статуэтку из какой-то древней страны. Её герой — кортикальный гомункулус, образ тела в понимании головного мозга.
| Работа нервной системы сводится к электрохимическому взаимодействию множества нейронов. Сложнейшая цепь, формируемая этими клетками, будет функционировать по законам кибернетики. |
В организме нет лишних частей. Каждый орган имеет своеобразное отражение на соответствующих полях коры головного мозга, где расположены нейроны, ответственные за конкретно его работу. Человек развивался как существо, приспособленное к труду и коммуникации. Это стало возможным благодаря тому, что кора головного мозга выделяет много места зонам, обрабатывающим сигналы для иннервации рук и мимической мускулатуры.
Кортикальный гомункулус — научная абстракция, позволяющая увидеть схему тела «глазами» головного мозга
| Будет преступлением не упомянуть M. D. Уайлдера Пенфилда, Эдвина Болдри и Теодора Расмуссена, благодаря которым человечество узнало о таком любопытном явлении. Эти учёные исследовали, по каким закономерностям работает головной мозг у пациентов, перенесших нейрохирургические операции. Накопленные данные стали основой для картирования коры головного мозга. Статуэтки, сделанные по мотивам — трёхмерная интерпретация математических выкладок. |
▎Как считать сигналы мозга
Электроэнцефалограмма позволяет увидеть сигналы головного мозга. Электроды, закреплённые на голове, воспринимают электромагнитную активность нейронов. Компьютер преобразует данные в несколько графиков.
Разумеется, с помощью ЭЭГ нельзя прочитать мысли. Данный метод диагностики показывает, каким образом один ритм соотносится с другим. Из этого удаётся вытянуть кое-какую информацию. Например, ведётся ли в головном мозе некая осмысленная активность или там просто блуждают случайные токи.
Впрочем, американцы из Хьюстонского университета и Университета Райса предложили использовать ЭЭГ для управления бионическим протезом. Датчики, закреплённые на коже головы, собирают электрические сигналы мозга. Они передаются на сервомоторы и обеспечивают контроль над искусственной рукой.
Интересное решение, но, как водится, со своими оговорками. Набор сигналов, считанный ЭЭГ, неизбежно будет засорён фоновым шумом. Чтобы минимизировать помехи, учёные Технического университета Чаммерса предложили вживлять датчики под кожу. Однако соотношение полезного сигнала к шуму всё равно оставалось высоким.
Консорциум NEB/AS пошёл дальше, решив применять электромиографию:
Ампутированная конечность лишается дистальных частей, однако многие нервы и мышцы остаются в хирургически сформированной культе. ЭМГ позволяет считать активность сохранившихся мускулов. Делать это в пределах конечности — трудная работа.
| На помощь приходят хирурги. Они выполняют операцию, которая именуется целевой моторной реиннервацией. Смысл в том, что двигательный нерв аккуратно выделяют из тканей и подшивают к большой грудной мышце пациента. Она довольно обширная, плоская и даёт возможность для закрепления датчиков ЭМГ. Таким образом решается проблема считывания сигнала. На musculus pectoralis major он будет чистым и моторным, поскольку иных мощных источников электричества там нет. |
Датчики протеза, коснувшиеся предмета, заставляют вибрировать небольшие роботические стимуляторы на коже груди, а вибрация кинестетических рецепторов, в свою очередь, позволяет пациенту ощутить, как его искусственная рука что-то схватила.
К этому пришла исследовательская группа Кливленда, создав полноценный нейромашинный интерфейс с двунаправленной обратной связью.
▎Как работает нейроинтерфейс
Нервная система и бионический протез работают на принципах кибернетики. На этом сходства заканчиваются. Между мозгом и роботической рукой пролегает глубокая пропасть. Мы учимся пользоваться своими руками на протяжении всей жизни. Имплант, сделанный инженерами, остаётся чужеродным для организма. Даже со всем технологическим «фаршем» он вовсе не телепат и не умеет догадываться о наших намерениях.
| Эта статья разбирает архитектуру бионического протеза на примере «EMG-based-hand Gesture Recognition on Embedded Low Power Platforms». Детальные принципы работы остаются коммерческой тайной компании, но даже сведения, лежащие в открытом доступе, позволяют сформировать представление о масштабности проекта. |
- Инженерный комплекс должен будет сводиться к созданию корпуса и механики протеза.
- Кодеры отвечают за приём и обработку сигнала микропроцессором, классификацию двигательных паттернов и общение протеза с периферическими устройствами.
Бионическая рука выполняет две принципиально важные вещи. Это хват и щуп. Первый отвечает за большое действие. Второе — за малое.
Основных аппаратно-программных компонентов протеза не так много. К ним относится драйвер приводов, микропроцессор, модуль с ЭМГ-электродами и приспособления для связи с внешними устройствами.
На эластической повязке расположено 4 датчика ЭМГ. Носимый контроллер отвечает за сбор и классификацию данных. Там же происходит отсекание шума. С помощью технологии Bluetooth контроллер связывается с процессорами полиартикулярного аппарата. Это и есть протез, что закреплён с помощью культеприёмной гильзы. Дальше расположены сервоприводы. Персональное устройство для сбора данных играет роль хост-системы, на которой крутятся алгоритмы распознавания жестов.
| «Мозги» системы представлены контроллером на 32 бита. Четырёхслойная печатная плата собирает данные ЭМГ, классифицирует их и передаёт процессору ARM-Cortex M4. Две независимые 16-битные SAR АЦП считывают данные 4 датчиков электромиографии через периферический контроллер. Это понижает сложность платы, делая её более живучей, лёгкой и экологичной. Как видно, бинарная архитектура актуальна и здесь. |
Пальцы оживают благодаря двигателям постоянного тока. От микроконтроллера двигатели получают приказ на активацию. Посредником выступает драйвер H-порта. Обратная связь построена через изменение напряжения в системе.
Прибор видит лишь три движения: палец открыт, закрыт или сомкнут в захвате. Если ток максимальный или минимальный, то задача выполнена. По факту процессор осмысляет лишь высокий или низкий пороговый триггер. Когда это происходит, компьютерная система останавливает движение.
Этого было бы достаточно, будь человек крабом. Но мы более требовательны к сложности и точности движений. Двунаправленная связь — это хорошо, но она будет работать лучше в комплексе с алгоритмами машинного обучения. Когда протез уже «знает», что от него хочет владелец, его использование станет более комфортным.
Через Bluetooth данные передаются на ПК или мобильный телефон. Периферическое устройство позволяет проводить кастомизированные настройки, а также разучивать наиболее частые жесты.
▎Бионика в современном мире
Безусловно, бионические протезы не ограничены одними руками. Их вспоминают чаще, потому как их пример наиболее показательный. Благодаря роботической руке человек возвращает способность к бытовым действиям, а порой и работе. Современные модели позволяют выполнять огромный спектр движений, точечно дозируя силу.
Тест с удержанием куриного яйца наглядно демонстрирует эффективность бионических конечностей
Профессор Хьюго Герр, работающий в Массачусетском технологическом институте, занимается скалолазанием. Отсутствие ног не мешает учёному наслаждаться любимым хобби.
https://youtu.be/CDsNZJTWw0w
Крег Пол, страдавший артритом, сумел покорить Эверест благодаря бионическому протезированию коленных суставов. На момент восхождения в 2016 году он разменял седьмой десяток.
▎Перспективы бионики
Бионические протезы стали серьёзным игроком на рынке ортопедии. На протяжении долгих лет подобные разработки были прерогативой крупных научно-исследовательских центров. Бурный прогресс робототехники, информационных технологий, а также создание мощных и миниатюрных двигателей позволили выйти бионике на мировой рынок. По мнению экспертов, объём рынка коленных и бедренных имплантатов достиг 33 млрд долларов США уже в 2022 году. Данные цифры вселяют надежду, ведь где спрос и инвестиции — так бурное развитие всех элементов индустрии.
Благодаря своему футуристичному виду бионические протезы могут считаться эстетичным аксессуаром, пригодным к ежедневному ношению
Но что дальше? Даже самые осторожные прогнозы формируют любопытную картину. Бионические протезы имеют возможность кастомизации и даже моддинга. Установка дополнительной периферии вроде модулей бесконтактной оплаты — малая часть того, что мы увидим в ближайшем будущем.
| Компания Open Bionic в содружестве с Disney предлагает линейку бионических рук Hero Arm. Устройства имитируют атрибутику популярных супергероев, позволяя детям немного быстрее привыкнуть к новым органам. . |
Джейсон Барнс освоил бионику настолько, что играет на барабанах быстрее обычных людей:
| Эти люди — вовсе не инвалиды в стереотипном понимании. Благодаря современным технологиям они ведут полноценный образ жизни и достигают в ней весьма впечатляющих высот. |
Программы государственных гарантий не могут обеспечить всех и разом. Даже наиболее развитые страны со всеми фондами и страховками едва ли удовлетворят потребности населения в бионике. Остаётся надеяться на технический прогресс и постепенное удешевление технологии. Чем больше компаний будут заниматься конструированием и внедрением бионических протезов — тем быстрее они получат массовое распространение.
Автор Никита Игнатенко
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
