Бионические протезы конечностей реферат

Обновлено: 05.07.2024

Протезирование - замена утраченных, необратимо поврежденных частей тела искусственными заменителями - протезами. Bionic Ear – ухо, напечатанное на 3D-принтере. Вставная челюсть. Замена утерянному зрению. Bionic Hand – протез руки с тактильными ощущениями.

Рубрика	Медицина
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	16.04.2017
Размер файла	385,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ШАКИРОВА АЛИНА РАМАЗАНОВНА

Казань-2017

Введение

Реферат посвящен характеристике устранения проблемы при потере конечностей человека и их замене. В реферате говорится о современных протезах, протезирования конечностей. Чтобы проникнуть в суть данной темы необходимо понять что такое протезирование.

Протезирование -- замена утраченных или необратимо повреждённых частей тела искусственными заменителями -- протезами. Протезирование представляет собой важный этап процесса социально-трудовой реабилитации человека, утратившего конечности, или страдающего заболеваниями опорно-двигательного аппарата.

Эволюция протезирования представляет собой длительную и легендарную историю: от примитивных истоков до сложных современных конструкций. Как и в развитии любой другой области, некоторые идеи и изобретения работали и успешно развивались, в то время как другие остались на обочине истории и устарели.

Длинный и извилистый путь к компьютеризированным протезам начался около 1500 г. до н.э. Чтобы оценить, как далеко человечество зашло в области протезирования, для начала нам стоит посмотреть на опыт древних египтян.

Основная цель, которую пытаются достичь ученые и инженеры всего мира - воплотить в искусственном изделии все функции живой руки или ноги.

Впрочем, все бионические устройства разных фирм, институтов и центров пока что не сильно похожи на свои естественные прототипы. Помимо прочих сложностей, основной элемент, которого не хватает всем разработкам - это похожая на настоящую кожа для наружного покрытия. Впрочем, вполне вероятно, что в скором времени эта проблема будет решена путем изготовления полноценной искусственной кожи - сейчас уже проводятся эксперименты по соединению в единое работающее целое нервной ткани и электронных устройств.

Устройство оборудования

протезирование ухо зрение принтер

Искусственные ноги изготавливают из лёгких и высокопрочных материалов по типу стали, титана и карбона. Современные модульные системы оснащены надёжными подвижными узлами и изготавливаются с учётом всех современных требований. Они состоят из нескольких элементов, количество которых зависит от модели:

Протез стопы включает в себя два элемента - это приемная гильза и муляж стопы. Такая конструкция изготовляется около трех, а при изготовлении протеза бедра- около четырех недель. Протез с модульным механизмом состоит из приемной гильзы, которая крепится к уцелевшей части конечности, вкладыша, шарнирного механизма, несущего механизма и стопы. Стандартная приемная гильза сделана из акриловой смолы.

Анатомическая гильза сделана из акриловой смолы с добавлением углеволокна, на ней мягкий полиэтиленовый вкладыш, который используется при протезировании бедра. К культе современные протезы крепят при помощи эластичного бандажа или чехла. Если гильза вакуумная, то из нее выкачивают воздух, после чего прикрепляют к культе. Важно, чтобы крепление было выполнено из прочных натуральных материалов.

Модульные, или шарнирные - еще один признак, по которому квалифицируются конструкции, заменяющие нижние конечности. Шарнир - это механизм, который выполняет функцию сустава во время движения. Существует несколько типов модулей с различными системами, которые создают амортизацию.

Простые шарнирные конструкции состоят из пружин, с помощью которых происходит амортизация и ограничение движения. Современные модели модульных протезов имеют тяги на основе гидравлических систем с электронным управлением. За счет гидравлических шарниров протезированная конечность двигается максимально плавно и легко.

Принцип действия оборудования

Одна из последних разработок в данной области - это так называемые биоэлектрические протезы верхних конечностей, которые приводятся в действие с помощью электродов, считывающих электрический ток, вырабатываемый мышцами культи в момент их сокращения. Затем информация передаётся на микропроцессор, и в результате протез приходит в действие. Благодаря новейшим технологиям искусственные руки позволяют осуществлять вращательные движения в кисти, захватывать и удерживать предметы.

i-Limb - протез руки под управлением смартфона.

Протез руки под управлением смартфона.

Это протез человеческой кисти. Как и многими другими подобными устройствами, им можно управлять при помощи мышц предплечья. Но куда большую функциональность ему придает мобильный телефон. Смартфон позволяет i-Limb выполнять одно из нескольких десятков запрограммированных действий, к примеру, завязывать шнурки, брать и отпускать предметы, набирать текст на клавиатуре и даже писать при помощи ручки или карандаша.

Замена утерянному зрению

Специалисты разработали инновационную технологию, позволяющую слепому человеку видеть изображение окружающей его действительности. На данный момент, технология эта строится на создании очков со встроенной в них камерой. Изображение с этого устройства преобразуется в электрические сигналы и импульсы, которые мозг способен интерпретировать.

Трехмерная печать с каждым днем открывает для себя все новые горизонты возможностей. Используют соответствующие технологии и медики для создания протезов сложных форм, которые очень трудно, а иногда вообще невозможно произвести другими способами. Разработка трехмерной модели и печать заняла всего два часа, в то время как использующиеся ранее методы потребовали бы в десять раз больше времени.

Bionic Ear - ухо, напечатанное на 3D-принтере

Это еще один удачный пример использования трехмерной печати в протезировании. Речь идет об ухе, которое не только может заменить потерянный орган, то также вернуть человеку слух. При создании этой искусственной части тела использовались гидрогель, наночастицы серебра, несколько проводов и живые клетки теленка. Последние при взаимодействии с человеческим телом превратились в натуральный хрящ, соединяющий череп человека с новым органом. А для того, чтобы вернуть человеку слух, в искусственное ухо был встроен слуховой аппарат.

Bionic Hand - протез руки с тактильными ощущениями

Bionic Hand может дать человеку информацию о размерах и форме объекта, к которому он прикасается, а также представление об его текстуре. Происходит это благодаря подключению электродов данного устройства к нервной системе носителя. Пока что данная технология находится лишь в зачаточном состоянии. Но это уже успех. И в дальнейшем он будет развиваться все сильнее.

Протез из конструктора, управляемый силой мысли

На Западе среди обладателей iPhone относительно популярен набор MindWave Mobile, представляющий собой конструктор для создания примитивных устройств под управлением смартфона или специального шлема, считывающего активность человеческого мозга. Вот из этого простого набора семнадцатилетний школьник Шива Натан и создал протез человеческой руки. Шива Натан дополнил набор несколькими сторонними деталями и создал вполне функциональную искусственную руку, управлять которой можно при помощи силы мысли. Правда, для этого нужно быть полностью сосредоточенным - стоит только подумать о чем-то другом, и электронная конечность безжизненно обвисает.

Заключение

Я могу сказать с уверенностью, что при наличии протезов описанного технологического уровня, можно практически забыть о своих недостатках; о том, чего уже нет… Более того, во многих случаях, используя протезы нового поколения, человек сможет получить даже более обширные возможности, нежели от своей естественной руки или ноги. Минус только в том, что приобрести их (как минимум на раннем этапе внедрения) могут только избранные, ведь далеко не каждый смертный может так просто оплатить подобное устройство. Скажем, с ценой в $10000 за стопу еще можно смириться, а вот протез руки со стоимостью, начинающейся от $100000, заставит задуматься о том, где найти на него средства, не только жителей развивающихся стран.

Проанализировав новые разработки в сфере производства протезов и узнав о том, какие буквально чудо-протезы уже создали ученые и инженеры из разных стран, можно сделать заключение, что человек уже не так и далек от киборгов из научной фантастики: недостает “деталей” в организме - достроим, а если еще “вставить в мозги электроды” - то будет даже лучше прежнего.

Статья посвящена анализу современного состояния разработок активных протезов верхних конечностей. Приведена историческая справка, классификация существующих протезов, рассмотрены наиболее современные конструкции бионических рук. Стойкая потеря трудоспособности активного работоспособного населения является острой проблемой современности. На долю травм среди причин первичной инвалидности приходится порядка 13%, которые занимают третье место, уступая только сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям.

1 Коробенков, Н.О. Бионическое протезирование конечности [Текст] / Н. О. Коробенков, С. С. Кочетов, П. А. Григоров // Сибирский медицинский журнал. - 2019. - №3. С. 22-27.

2 Гринин, В.М. О качестве жизни инвалидов-ампутантов в Российской Федерации [Текст] / В. М. Гринин, Е. И. Шестемирова // Проблемы социальной гигиены, здравоохранения и истории медицины. - №3. – 2020. – С. 380-384.

4 Щербина К.К. Перспективы использования цифровых технологий при импортозамещении в протезной отрасли на основе анализа обеспечения протезами инвалидов с дефектами верхних конечностей [Текст] / К. К. Щербина [и др.] // Физическая и реабилитационная медицина. - №3. – 2020. - С. 65-76.

5 Буров, Г.Н. К вопросу развития технических средств протезирования верхних конечностей [Текст] / Г. Н. Буров // Вестник гильдии протезистов-ортопедов. - №4. – 2003. - С. 7-14.

6 Toward higher-performance bionic limbs for wider clinical use [Electronic resource] / D. Farina [et all.] // Nat Biomed. - 2021. – Electronic text data. – DOI: 10.1038/s41551-021-00732-x, limited access (29.01.2022). – Title from screen.

Введение. Стойкая потеря трудоспособности активного работоспособного населения является острой проблемой современности. На долю травм среди причин первичной инвалидности приходится порядка 13%, которые занимают третье место, уступая только сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям. В структуре травм ампутации конечностей занимают 0,7% от общего количества травмированного населения, они приводят к нарушению двигательной активности пострадавшего и стойкой утрате трудоспособности, что в последующем приводит к инвалидности [1].

Несмотря на мирное время, ежегодно в Российской Федерации, тысячи людей подвержены ампутации. Наиболее часто встречающимися причинами ампутации являются травматизм (автодорожные, производственные или бытовые травмы) и последствия того или иного заболевания (сахарный диабет, заболевания сердечно-сосудистой системы, злокачественные новообразования) [2].

В настоящее время в России в целом число инвалидов с ампутационными дефектами нижних и верхних конечностей составляет около 200 тыс., а инвалидов с ампутациями верхних конечностей (плечо, предплечье и кисть) - 20 тыс., из которых 10 тыс. — это контингент с ампутациями на уровне предплечья. При этом ампутации плеча, кисти и сочетанные культи верхних конечностей составляют 25; 18 и 7% соответственно [3].

Медицинская реабилитация инвалидов с дефектами верхней конечности является актуальной задачей для протезно-ортопедической отрасли России и зарубежных стран с учетом значительного контингента лиц с ограниченными физическими возможностями к самообслуживанию и ручной деятельности. Анализ существующих статистических данных свидетельствует, что основной причиной возникновения дефекта верхних конечностей у всех пациентов являются травмы (87%), далее следуют врожденные аномалии развития и заболевания (6,9% и 6,1% соответственно) [4].

В настоящее время достижения современной науки и техники в протезировании позволяют преодолевать все эти трудности и вести полноценную жизнь.

Целью настоящего исследования является конструктивный анализ литературных источников, посвященных современному состоянию разработок в области биоинженерных конструкций протезов верхних конечностей.

Существующие конструкции протезов верхних конечностей можно разделить на 4 основные группы: косметические, функционально-косметические, активные и рабочие (рис. 1).

Рисунок 1 – Виды конструкции протезов верхних конечностей, их достоинства и недостатки

На данный момент многофункциональными являются активные - бионические протезы. Активный протез руки изначально предназначен для выполнения сложных и нетиповых рабочих операций, связанных с жизнедеятельностью и самообслуживанием инвалида, и должен удовлетворять двум основным требованиям: косметичности и функциональной эффективности. В настоящее время решение первой задачи достигнуто в удовлетворительных пределах, вторая же задача требует решения в соответствии с современным уровнем техники [5]. Современные разработки также позволили носителям бионических рук получать тактильную обратную связь. Общая стратегия обеспечения сенсорной обратной связи включает встраивание датчиков в протез для измерения положения суставов, тактильного давления и силы захвата, а также для передачи информации пользователю путем выявления ощущений в остальных структурах тела [6].

В дальнейшем планируются исследования с большей испытуемой группой, кроме того, команда настроена на разработку собственных стимулятора и электродов и обещает представить первый прототип в течение 2022 г.

Заключение. Таким образом, отрасль протезирования верхних конечностей имеет огромные перспективы развития. Несмотря на существенный прогресс в этой области, значительная часть протезов неспособна и на половину заменить функции руки здорового человека. Связано это как со значительной задержкой сигнала от электрода к сервоприводам, с ограниченным числом хватов и малым количеством протезов с тактильной обратной связью. Также имеются проблемы с доступностью современных бионических протезов, поскольку их стоимость достаточна высока. На наш взгляд, рассматриваемая отрасль очень остро нуждается в государственной поддержке и финансировании научных разработок с тем, чтобы качественные и многофункциональные бионические протезы были доступны каждому нуждающемуся, чтобы люди, столкнувшиеся с такой проблемой, смогли вновь вести полноценную жизнь.

Бионические протезы – это искусственные аналоги утраченных конечностей, по функциям максимально приближенные к действиям, которые человек привык совершать в обычной жизни.

Основная особенность биопротезов – способность условно полноценно выполнять функции утраченных конечностей.

Существуют бионические протезы рук и бионические протезы ног.

Бионические протезы рук

Александр Панкратов с бионическим протезом руки от ОРТОКОСМОС

Как это работает? С помощью современного оборудования, которое автоматически улавливает сигналы мышц. Если подробнее: датчики считывают электрический потенциал (триггер), вырабатываемый при напряжении мышечных тканей, сохранившихся после ампутации.

Бионические протезы дают возможность свободно совершать самые разные повседневные действия, которые невозможны или значительно затруднены при ношении любых других протезов.

Конечно, такой функционал позволяет человеку вести привычный образ жизни, не испытывая сильного дискомфорта от отсутствия конечности, без постоянной нужды просить помощи у окружающих. Люди, которые используют бионические протезы, в шутку называют себя киборгами. И этот тот самый случай, когда в шутке есть доля правды, ведь с каждым годом перспективы бионического протезирования расширяются.

Примечательно, что первые бионические протезы появились в… СССР еще в 60-х годах прошлого века.

Бионические протезы ног

Марина Карасева с бионическим протезом бедра от ОРТОКОСМОС

Бионические протезы ног автоматически подстраиваются под скорость ходьбы, изменения нагрузки и реагируют на изменения рельефа местности.

Биопротезы дают возможность свободно и непринужденно совершать самые разные повседневные действия, которые невозможны или значительно затруднены при ношении любых других протезов.

Бионические протезы бедра при односторонней ампутации значительно разгружают здоровую ногу, а при двухсторонней – дарят человеку уверенность в передвижении, по сравнению с обычными протезами. Человек быстро восстанавливает возможность ходить с разной скоростью и там, где хочется. А главное – снова обретает веру в себя и свои силы.

Преимущества бионических протезов

Основа применения. Обеспечивается свобода движений, которую нельзя получить при применении протезов других видов.

Функционал. К примеру, современные бионические протезы рук позволяют делать от 14 разных хватов с возможностью ощущения силы хвата. Функционал таких протезов постоянно улучшается.

Дизайн. Сегодня для многих биопротез становится предметом гордости и самовыражения. Уже прошли те времена, когда люди стремились имитировать естественность и ничем не выделяться из толпы.

Недостатки бионических протезов

Роман Петушков (единственный шестикратный паралимпийский чемпион
за всю историю Паралимпийских игр) с протезом голени и бедра от ОРТОКОСМОС.

Цена. Причем это не только собственно протез, но и расходные силиконовые перчатки, аккумуляторы, зарядные устройства, при необходимости ремонт после окончания гарантии. Дорогая стоимость считается самым главным недостатком, все перечисленное ниже – скорее особенности применения, к которым нужно привыкнуть.

Чувствительность к влаге. Поэтому должна быть специальная защищающая перчатка на случай дождя или повышенной влажности. Принимать душ, посещать бассейн или плавать в открытом водоеме с таким протезом нельзя. Хотя уже сегодня есть протезы в которых можно не бояться ходить под дождем или мыть посуду.

Необходимость подзарядки. Работы аккумулятора хватает максимум на сутки. Это нужно учитывать, собираясь в дорогу или в путешествие.

Скорость реакции. Миоэлектрические датчики обычно срабатывают медленнее, чем привычная скорость действий человека. Это может раздражать, особенно в период привыкания. Иногда бывает, что датчики реагируют неправильно, ведь любая, даже самая продвинутая техника, может давать сбои.

Также наши клиенты выделяют такие недостатки, как покраснение кожи в первые дни ношения, сложности в адаптации и привыкании к протезу, мышечная усталость и даже некоторая непредсказуемость в управлении, когда человек спешит побыстрее освоить искусственную конечность. Однако эти моменты временные и в ходе привыкания для большинства перестают быть актуальными.

Ваш отзыв будет опубликован на сайте после модерации.

Уже сегодня есть возможность протезирования верхних конечностей и отдельных ее частей. Наиболее часто встречающееся решение в России – косметические и тяговые протезы. Они не восполняют все возможности утраченной конечности, т.к. являются средствами, оснащенными наиболее важным функционалом, например, способность взять ручку в руку, писать текст, играть в теннис, ощущать сопротивление объекта при сжатии. Существуют также протезы, оснащенные различными электронными новшествами, позволяющие не только контролировать прилагаемую силу, как это происходит в активных механических протезах, но и чувствовать тепло, давление и многое другое. Данная статья содержит в себе классификации по различным параметрам протезов руки.

Ключевые слова: бионические протезы, протезы рук, система управления протезом руки.

BIONIC UPPER LIMB PROSTHESES: COMPARATIVE ANALYSIS AND PROSPECTS OF USE

Urazbakhtina Yu.O. 1 , Kamalova K.R. 2, *, Morozova E.S. 3

1 ORCID: 0000-0001-7715-302X;

2 ORCID: 0000-0001-8016-6577;

3 ORCID: 0000-0001-5810-5671;

1, 2, 3 Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia

Abstract

Today, there is already a possibility of prosthetic care of the upper limbs and its individual parts. In Russia, the most common solution is cosmetic and traction prostheses. They do not make up for all the possibilities of the lost limb, possessing only the most essential functionality, for example, the ability to take a pen in hand, write text, play tennis, feel the resistance of an object when compressed. There are also prostheses with various electronic features that allow not only to control the applied force, as it happens in active mechanical prostheses, but also to feel heat, pressure and much more. This article contains classifications for various parameters of prosthetic hands.

Keywords: bionic prostheses, prosthetic arms, prosthetic arm control system.

Достоинства и недостатки косметических протезов: привлекательный внешний вид (существуют модели, проектируемые под конкретного пациента, достигающие невероятного сходства с оригиналом как по внешнему виду, так и по тактильным ощущениям); сниженное значение массы из-за отсутствия каких-либо технических нагрузок; простота в изготовление и эксплуатации (не нужно заботиться об аккумуляторе); не требует больших денежных затрат на техническое обслуживание, отсутствие активного захвата, а также ощущений давления от предмета, помещаемого в протез; ограниченная функциональность, высокая цена на персональные силиконовые оболочки.

Достоинства и недостатки тяговых протезов: надежная конструкция; небольшие массогабаритные параметры; приемлемая цена (возможность получения протеза за счет финансирования гос. стуктурами); дешевое техническое обслуживание; устойчивость к влаге, небольшим скачкам температуры; отсутствие задержки реакции, которую дает любое электронное устройство; простота в уходе; ограниченная сила захвата, обусловленная возможностью конструкции; ограничения в степенях свободы движения; система тяг может быть некомфортной и ограничивать движения.

Еще одним видом протезов, помогающих человеку восстановить некоторые функции утраченной конечности, является бионическая модель, содержащая в себе микропроцессор и всю остальную сопутствующую техническую начинку.

В данном разделе возможно выделить несколько видов протезов, различных друг от друга по регистрации входного сигнала от пользователя, представленная также на рисунке 3:

Перейдя к разновидностям протезов, следует отметить, что описанный вариант в [5] является одним из возможных реализаций механических протезом с использованием следящего сервопривода. Ссылаясь на уже указанный источник, отметим, что на данный момент управление протезами происходит поочередно.

Приведем пример возможных способов управления в зависимости от степени поражения конечности в таблице 1.

Таблица 1 – Возможные способы управления

Уровень поражения верхней конечности	Предназначение протеза	Возможный вариант метода управления
Кисть и пальцы	Захват и удержание объектов с определенной силой	Системы с обратной связью и адаптивное регулирование
Предплечье	Перемещение объектов в разные места с возможностью коррекции действий	Алгоритмы самообучения, нейронные сети, интеграция с нейроинтерфейсом
Плечо	Различные манипуляции	Инвазивные и интуитивные методы управления

Примечание: составлено по [6]

Использование обратной связи (пример с замкнутой системой) подразумевает анализ входных параметров, которые претерпели изменения после прохождения сигнала через систему управления. На данный момент существуют различные технические реализации обратной связи, например, Extended physiological proprioception (EPP) – идея взаимодействия человека и окружающего мира через протез с использованием фантомной боли, появляющейся при утрате конечности, о которой говорил Д. Симпсоном в 1972 году (расширенная физиологическая проприорицепция).

Неадаптивное регулирование, рассмотренное в [7] использует тактильное зондирование и ультразвуковую визуализацю, которые были протестированы на нескольких добровольцах, ощутивших разницу в производительности и точности захвата. Данный метод управления имеет недостаток в отсутствие возможности коррекции силы схвата и предугадывание параметров раскрытия кисти под конкретный объект.

На данный момент управление протезом чаще всего реализуется с помощью миоэлекрического контроля с внешним питанием ввиду простоты реализации и неинвазивности [8]. Возможной реализацией нейронной сети или интеграции протеза с нейроинтерфейсом является анализ остаточных движений конечности и управление системой по уже заложенным функциям верхних конечностей. Другой вариант – скоординированное совместное действие, в котором процесс происходит интуитивно, а внимание пользователя направлено на действие руки [9].

Помимо проблем, связанных с несоответствием технических характеристик, заявленных производителем, фактическим параметрам, существует еще 4 фактора [10], нарушающих нормальную работу технического устройства:

Принцип распознавания образов, схематично описанный на рисунке 1:

Рис. 1 – Общая структура распознавания образов ЭМГ

Необходимость инвазивных способов в управление лучше всего объяснить на конкретном примере [11]. Наиболее удачным будет локтевая дисартикуляция остаточной конечности, которая оставляет еще живой достаточный участок руки, в отличие от трансгумеральной ампутации, но ношение обычного протеза с неинвазивными датчика имеет ряд неудобств. Например, питание от тела с использованием внешней петли делает протез громоздким, он цепляется за различные предметы, в том числе и за одежду [12].

Интуитивные методы управления, пожалуй, имеют наибольшее количество плюсов, относительно всего вышесказанного. Оператору не нужно долго приспосабливаться к бионическому протезу, так как интеллектуальная система направлена на обучение, отсутствуют датчики, которые нужно прикреплять к руке и переживать об их смещение, погрешности, создаваемой усталостью мышц, потом и т.д.

Перечисленные методы являются не единственными решениями реализации управления верхними частями тела.

Возможный вариант расположение электрического устройства для снятия мышечной активности приведены на рисунке 24, где Биц. 1, 2 – электроды, расположенные на уровне Бицепса, Дел. 1, 2 – электроды дельтовидной мышцы, Триц. 1, 2 – электроды для трицепса, Груд. – электроды, расположенные на уровне большой грудной мышцы, Больш. – электроды на большую круглую мышцу [13].

Рис. 2 – Варианты расположение ЭМГ-датчиков

Далее в таблице 6 приведены некоторые характеристики протезов различных производителей.

Таблица 2 – Сравнительная таблица параметров протезов

Недостатками известных устройств, выделяемые некоторыми разработчиками [17], [18], [19], являются:

отсутствие разделения пальцев протеза кисти на соединенные между собой фаланги, что снижает естественность выполнения процедуры сгибания пальцев и функциональные возможности использования протеза;
отсутствие отдельного привода пятого пальца протеза кисти, что снижает функциональные возможности использования протеза;
применение ограничения тока нагрузки двигателей для самоустановки пальцев при схвате объекта сложной формы, что приводит к выполнению схвата объекта с максимальным усилием, определяемым создаваемым при блокировке валов двигателей моментом силы и не позволяет оператору протеза выполнять схват хрупких или легко деформирующихся предметов;
отсутствие микропроцессорного управления, что ограничивает функциональные возможности протеза кисти одним видом схвата, не позволяет управлять сгибанием отдельных пальцев независимо друг от друга и выполнять гибкую настройку параметров функционирования протеза;
информация о положении или начале перемещения пальцев передается точечно в форме вибрационных сигналов двумя вибродатчиками по одному для каждого действия и не может дать инвалиду-оператору представления о взаимном позиционном расположении пальцев кисти относительно друг друга;
ход активаторов ограничен величиной хода подвижного звена потенциометра поступательного типа
движение вращения приемной гильзы используется для выполнения функции схвата, а активные функции ротации кисти и сгибания кисти не реализуются
в варианте протеза предплечья, который содержит искусственную кисть, несущую гильзу с элементами крепления, размещенную в ней приемную гильзу, соединенную соосно с валом механического привода и, соответственно, с возможностью вращения с ним, обеспечивая активную ротацию кисти и схват, присутствует сложность управления из-за необходимости последовательно выполнять переключения для использования функций подвижности.

На сегодня необходимо устройство, которое лишено вышеперечисленных недостатков, собранное на элементах производства России с целью создания собственного образца биоэлектрического протеза и исключению импортозависимости.

На российский рынок практически не производятся бионические протезы верхней конечности, вернее, он слабо введены в коммерческое использование из-за дороговизны.

Разработки и испытания ведут отечественных компаний, которые в скором будущем надеются запустить свою продукцию на мировой рынок.

По мнению специалистов. Существует да основных направления развития бионических протезов. Первое – это придание им чувствительности, то есть организация обратной связи, которая позволит владельцу устройства получать информацию о качествах объекта, к которому он прикасается. Второе – вживление всех элементов, включая каркас и датчик. Даже самые современные протезы необходимо снимать на время сна или принятия ванны. После того, как разработчики добились соответствия протезов оригинальным конечностям по внешнему виду и функциям, осталось сделать их постоянной частью человеческого организма, не требующей дополнительного ухода.

Список литературы / References

Камалова К. Р. Современные протезы рук / К. Р. Камалова // Мавлютовские чтения: сб. науч. тр. / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа, 2021. – т. 3. – С. 73- 79
Fleischer C. Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots / C. Fleischer, A. Wege, K. Kondak et al. // Biomed Tech (Berl). 2006 Dec;51(5-6):314-9
Müller-Putz G.R. Temporal coding of brain patterns for direct limb control in humans / G.R. Müller-Putz, R. Scherer, G. Pfurtscheller et al. // Front Neurosci 2010 Jun 18;4. pii: 34.
Kuiken T.A. Targeted muscle reinnervation for real-time myoelectric control of multifunction artificial arms / A. Kuiken, G. Li, B.A. Lock et al. // JAMA. 2009 Feb 11;301(6):619-28.
Буров Г.Н. Определение требований к источникам управляющих сигналов системы управления протезом предплечья / Г.Н. Буров, В.А. Большаков // Вестник всероссийской гильдии протезистов-ортопедов. 2017. № 2 (64). с. 36–40.
Горохова Н.М. Методы управления протезами верхних конечностей / Н.М. Горохова, М.А. Головин, М.С. Чежин // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 2. С. 314–325. DOI: 17586/2226- 1494-2019-19-2-314-325
Ortenzi V. Ultrasound imaging for hand prosthesis control: a comparative study of features and classification methods / V. Ortenzi et al. // Proc. 2015 IEEE Int. Conf. on Rehabilitation
Castellini C. Proceedings of the first workshop on peripheral machine interfaces: going beyond traditional surface electromyography / C. Castellini, P. Artemiadis, M. Wininger et al. // Front. Neurorobot., vol. 8, 2014.
Merad M. Intuitive prosthetic control using upper limb inter-joint coordinations and IMU-based shoulder angles measurement: a pilot study / M. Merad et al. // IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 2016. P. 5677–5682. DOI: 10.1109/IROS.2016.7759835
Amsuess S. Self-correcting pattern recognition system of surface EMG signals for upper limb prosthesis control / Amsuess et al. // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014. V. 61. N 4. P. 1167–1176. DOI: 10.1109/TBME.2013.2296274.
Manelle M. Intuitive prosthetic control using upper limb inter-joint coordinations and IMU-based shoulder angles measurement: a pilot study / Manelle Merad, Étienne de Montalivet, Agnès Roby-Brami // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2016, Daejeon, South Korea.
Cheesborough J.E. Targeted Muscle Reinnervation and Advanced Prosthetic Arms / Jennifer E. Cheesborough, Lauren H. Smith, Todd A. Kuiken et al. // Semin Plast Surg. 2015 Feb. №29(1): 62–72. DOI: 10.1055/s-0035-1544166.
Kiguchi K. Neuro-Fuzzy Control of a Robotic Exoskeleton With EMG Signals / Kazuo Kiguchi, Member, Takakazu Tanak et al. // IEEE Transactions On Fuzzy Systems. 2004. №12.
Fleischer C. Application of EMG signals for controlling exoskeleton robots / C. Fleischer, A. Wege, K. Kondak et al. // Biomed Tech (Berl). 2006 Dec;51(5-6):314-9
Müller-Putz G.R. Temporal coding of brain patterns for direct limb control in humans / G.R. Müller-Putz, R. Scherer, G. Pfurtscheller et al. // Front Neurosci. 2010 Jun 18;4. pii: 34.
Патент РФ № 176303 Бионический протез кисти руки. // патент России № 176303, заявл. 05.07.2019, опубл. 07.2019 Бюл. №19
Патент РФ № 192179 Бионическая кисть руки. // патент России № 192179, заявл. 17.10.2018, опубл. 09.2019 Бюл. № 25
Патент РФ № 2615278 Протез предплечья. // патент России № 2615278, заявл. 25.04.2018, опубл. 04.2018 Бюл. №12

Список литературы на английском языке / References in English

Протезирование – активно развивающаяся отрасль, которая позволяет людям с ограниченными физическими возможностями вернуться к полноценной жизни. По статистике, в мире ежеминутно проводятся операции по ампутации конечностей. Современные протезы ног выше колена, ниже колена, выполняют не только скрывают дефект, они позволяют человеку ходить, бегать, танцевать, вести полноценный, активный образ жизни. Если посмотреть фото новых конструкций последнего поколения, то станет понятным, насколько они стильные, функциональные. Цена их тоже немалая, но купить такие модели можно по сниженной стоимости, участвуя в социальных программах. Прошли те времена, когда подобные элементы выполняли только функцию маскировки увечья, заменяли руки или ноги, но лишь незначительно облегчали жизнь пациентам. Роботизированные модели позволяют вернуть трудоспособность, избежать глубокой инвалидизации. Современные протезы рук выпускаются во всем мире. В нашей стране тоже работают крупные производители, которые создают медицинское вспомогательное оборудование, которое по качеству и функциональным характеристикам не хуже зарубежных аналогов. По фото таких приспособлений можно оценить всю их мощь и возможности.

История протезирования

Существует немало видов новых современных протезов:

зубные;
эндопротезы – заменяют разрушенные тазобедренные, коленные суставы;
глазные;
протезы конечностей; , заменяющие и важные суставы, и конечности полностью;
протезы отдельных частей тела – пальцев, носа, уха.

Когда мы говорим о древних протезах, то представляем себе старинного пирата с деревянной подпоркой вместо ноги и металлическим крюком вместо руки. Но история протезирования зародилась значительно раньше. Как свидетельствуют многочисленные раскопки, проводимые на территории современной Северной Африки, косметические протезы устанавливали уже в Древнем Египте. Они изготавливались из дерева, выполняли ограниченные функции, а к телу крепились специальными кожаными ремнями.

Первый функциональный заменитель предплечья и кисти датируется XVI столетием, он принадлежал рыцарю Гецу фон Берлихигену, потерявшему руку в бою. В России первый механический протез ноги появился в 1791. Его собрал легендарный Иван Кулибин.

Первым крупным предприятием по производству искусственных рук и ног стал Петроградский институт протезирования. Он был основан в 1919 году на базе Мариинского приюта для увечных воинов, где уже с 1880-х годов работала мастерская по изготовлению таких приспособлений. Фото старинных и более современных протезов доступны всем желающим. По ним можно изучить эволюцию таких приспособлений.

Функциональные бионические конструкции, которые управляются путем отправки сигналов головным мозгом, появились только в XXI веке. Сейчас самые современные протезы рук и ног постоянно совершенствуются, развиваются. Такие конструкции пока не в силах полностью заменить все функции конечности. Их чувствительность, мелкая моторика не столь развита, но прогресс не останавливается, появляются новые технологии и в перспективе потеря конечности выше колена перестанет быть существенной проблемой, потому что ее можно будет заменить высокотехнологичным приспособлением по среднерыночной цене.

Технологии протезирования

Существует два основных вида протезов рук и ног:

Первые предназначены только для красоты. Они выглядят как настоящая конечность, но такой искусственной новой рукой человек не сможет держать вилку, шариковую ручку, способно пользоваться ею.

Функциональные современные протезы можно поделить еще на три подкатегории:

рабочие;
бионические;
тяговые.

Первые предназначены для выполнения конкретных заданий, работ. Такие новейшие протезы рук оснащены специальными крюками, щипковыми захватами, зажимами, другими съемными приспособлениями.

Тяговые протезы работают за счет специальных механизмом – систем тросиков, тяг, гирек, пружин. Управляются за счет сжимания-разжимания мышц. Важно проводить протезирование сразу после ампутации, чтобы культя сохранила чувствительность, мышцы не атрофировались.

Бионическая современная конструкция – протез руки нового поколения, который управляется за счет отправки сигналов от головного мозга по нервным волокнам. Грубо говоря, человек управляет искусственной конечностью силой мысли. На основе таких технологий создаются и искусственные ноги. По актуальным фото и видео таких моделей можно оценить их достоинства.

Материалы, используемые при производстве

Новый протез ноги или руки состоит из следующих конструктивных элементов:

культеприемная гильза;
каркас;
система механического или электронного управления.

При производстве современных протезов новых поколений применяют легкие сплавы металлов высокой прочности, углепластик, полимерные материалы, силикон. Цена такой модели зависит от применяемых технологий.

Бионические протезы – новые достижения ведущих производителей

Бионические современные протезы – модели самых новых поколений, которые конструируются индивидуально с использованием электронного оборудования. Работают они от специальных аккумуляторов, которые нужно регулярно подзаряжать. Электрические импульсы от искусственной руки или ноги подаются к корешкам нервных окончаний и обратно. Таким способом управлять движениями можно путем подачи мозгового сигнала.

Важно научиться правильно пользоваться современным новым протезом, потому что на начальных этапах освоения этого приспособления возможны серьезные проблемы. Пациенты не всегда могут правильно рассчитать силу хвата, ширину шага, скорость ходьбы. Поэтому модель настраивается индивидуально под физиологические особенности каждого пациента при помощи электронной системы управления.

Будущее протезирования

Наука не стоит на месте, со временем медицина научится пересаживать руки и ноги выше колена, возвращая функциональность поврежденных частей тела. Но пока что большие надежды возлагаются на современные бионические технологии протезирования. Ученые и медики рассчитывают, что роботизированные заменители рук и ног выше колена новых поколений смогут со временем выполнять абсолютно все функции, доступные настоящим конечностям.

Удивительные бионические протезы нового поколения - видео

Российские производители

Читайте также: