904
Хоча протези вже значно еволюціонували, штучні кінцівки досі не досягли функціональності людських кінцівок. Цьому заважають пошкодження геопросторової орієнтації у людей з ампутацією, труднощі з проведенням нервових імпульсів до мозку, а також біль та дискомфорт у місці кріплення. Однак тепер вчені мають одразу кілька перспективних технологій. Видання SceinceNews опублікувало матеріал про перспективні розробки у протезуванні. SPEKA публікує адаптований скорочений переклад статті.
«Анатомічний» підхід до біонічних протезів
Слово «біонічний» викликає науково-фантастичне уявлення про людей із можливостями надлюдського рівня. Інженерні досягнення, як-от кращі двигуни та батареї, разом із сучасними обчислювальними засобами означають, що на рівні механічних та електронних систем більше немає перешкод. Однак галузі було важко інтегрувати ці потужні машини з людським тілом.
Це починає змінюватися. Нещодавнє випробування протестувало одну нову техніку інтеграції, яка передбачає хірургічну реконструкцію м’язових пар, які дають реципієнтам відчуття положення та руху біонічної кінцівки. Сигнали від цих м’язів контролюють роботизовані суглоби, тому протез повністю контролюється мозком користувача. Система дозволила людям з ампутацією нижче коліна ходити більш природно та краще орієнтуватися на схилах, сходах і перешкодах, повідомили дослідники в липневому Nature Medicine.
Інженери зазвичай розглядають біологію як фіксоване обмеження, яке потрібно вирішити інженерними методами, каже біоінженер Тайлер Клайтс, який допоміг розробити цю техніку кілька років тому, перебуваючи в MIT: «Але якщо ми розглядаємо тіло як частину системи, яка буде створена паралельно з машиною, вони зможуть краще взаємодіяти».
Цей погляд стимулює хвилю технік, які реконструюють тіло для кращої інтеграції з машиною. Клайтс, який зараз працює в Каліфорнійському університеті, називає такі методи «анатомічними», щоб відрізнити їх від традиційної біоніки. «Проблема, яку ми вирішували, не була інженерною проблемою, — каже він. — Те, як маніпулювали тілом під час ампутації, не залишало йому можливості контролювати кінцівки, які ми створювали».
В анатомічному підході кістки використовують для забезпечення стабільних опор; нерви перенаправляються для створення контрольних сигналів для роботизованих кінцівок; м’язи застосовуються як біологічні підсилювачі або прищеплюються на місце, щоб забезпечити більше джерел сигналу. Усі ці методи покращують зв’язок і взаємодію між роботизованою кінцівкою та нервовою системою людини, підвищуючи можливості біонічних протезів.
Анатомічні пристрої повільно виходять з лабораторій у комерційний та клінічний світи. Але дехто каже, що ця галузь наближає нас до науково-фантастичного бачення бездоганно інтегрованих, керованих мозком біонічних кінцівок — особливо тому, що не за горами ще нові досягнення.
Відновлення м’язів при протезуванні
Пропріоцепцію — усвідомлення тілом себе в просторі — важко відновити, але вона важлива для руху, особливо ходьби. М’язи посилають сигнали в наш мозок про те, де знаходиться наше тіло, як воно рухається і з якими силами воно стикається. Ці сигнали генеруються в основному з’єднаними м’язами, які називаються парами агоніст-антагоніст. У той час як м’яз-агоніст скорочується, протидійний йому м’яз-антагоніст розслаблюється. При згинанні у ліктьовому суглобі, наприклад, біцепс — агоніст, а трицепс — антагоніст.
Підписуйтеся на наші соцмережі
У традиційній ампутації цей важливий зворотний зв’язок відкидається. Але техніка, про яку повідомлялося в липневому дослідженні, відома як міоневральний інтерфейс агоніст-антагоніст, або AMI, хірургічно реконструює ці пари та використовує сигнали, які вони генерують, для керування протезними суглобами. Процедура дає змогу реципієнту відчути свою протезну кінцівку.
«Коли протез рухається, людина насправді відчуває цей рух як природне пропріоцептивне відчуття», — говорить біонік Массачусетського технологічного інституту Г’ю Герр, який розробив цю техніку разом із Клайтсом і хірургом команди Метью Карті.
Нещодавнє дослідження перевіряло цю техніку. Участь взяли 14 людей з ампутацією нижче коліна. Дослідники виявили, що одержувачі системи на основі AMI збільшили швидкість ходьби приблизно на 40% з 1,26 метра в секунду до 1,78 метра в секунду, що можна порівняти з показником людей без ампутації.
Розширення кісток
Найпоширеніші скарги користувачів протезів стосуються болю та дискомфорту. Основним джерелом дискомфорту є місце кріплення. Багато проблем, пов’язаних із використанням протезів, пов’язані з гніздом. М’яка плоть погано підходить для передачі навантаження на кістки — частину тіла, яка для цього створена. Отримане навантаження може спричинити пошкодження тканин і незмінно дискомфорт, що іноді змушує користувачів відмовлятися від свого пристрою.
Техніка під назвою остеоінтеграція використовує той факт, що певні метали біологічно інертно з’єднуються з кісткою. Титановий болт, вставлений у скелет, фіксує протез на місці, забезпечуючи більшу міцність, стабільність і комфорт. Процедура вперше була проведена в 1990 році, але не стала широко прийнятою та клінічно доступною до останнього десятиліття.
Одна система імплантатів під назвою OPRA отримала схвалення Управління продовольства та медикаментів США у 2020 році. Головний недолік полягає в тому, що титановий болт має проходити крізь шкіру, утворюючи постійний отвір, який несе ризик інфікування. «Крім ризику інфікування, остеоінтеграція є кращою з усякого погляду», — каже біоінженер Сінді Честек.
Перенаправлення нервів
Біоніки давно прагнули під’єднатися до нервів тіла, щоб створити протези, які спілкуються з мозком. Але перші спроби приносили розчарування, головним чином через те, що сигнали, які передають нерви, дуже слабкі.
«Люди десятиліттями намагалися отримати значущі сигнали від [поміщення] дроту всередину нерва», — каже Честек. «На сьогодні це майже неможливо поза межами контрольованої лабораторії».
Сучасні біонічні протези спілкуються переважно з м’язами. Коли м’язи активуються нервом, вони випромінюють набагато більші електричні сигнали, які можуть бути вловлені електродами на шкірі, які потім контролюють протезну кінцівку.
Але нерви, які раніше керували частинами відсутньої кінцівки — і могли б так само ефективно керувати протезом — зазвичай не закінчуються м’язами. Вони нікуди не йдуть, що створює невриноми, пухлини на нервових кінцях, електричне «іскріння» яких викликає біль.
Цю проблему вирішує процедура, яка називається цільовою реіннервацією м’язів, або TMR. Хірург позбавляє м’язи їхніх рідних нервів і перенаправляє відірвані нерви на необхідну ділянку. Перенаправлені нерви з часом вростають у м’язи, які діють як підсилювачі, створюючи джерела необхідних сигналів.
«Ви перетворюєте проблему запису нервів на проблему запису м’язів, — каже Честек. — Відстежувати м’язи легко». Процедура також лікує біль у невриномах. Недоліком є те, що TMR канібалізує наявні м’язи, обмежуючи кількість сигналів, які можна створити. «У вас досить швидко закінчується місце, — каже Честек. — Це особливо важливо для ампутацій вище коліна або ліктя, де залишається менше м’язів і потрібно більше протезованих суглобів для контролю».
Нова техніка, відома як регенеративний периферичний нервовий інтерфейс, або RPNI, хірургічно вставляє невеликі м’язові трансплантати, взяті з іншого місця, і натомість перенаправляє до них нерви. Потім хірурги можуть розрізати ці нервові пучки на складові волокна, дозволяючи дослідникам створювати стільки сигналів, скільки їм потрібно.
Однак невеликий розмір м’язових трансплантатів ускладнює приймання сигналів від них за допомогою поверхневих електродів. «Ви не можете легко записати [електричні сигнали] від трисантиметрового шматка м’яза через шкіру, — каже Честек. «Ви повинні використовувати імплантовані електроди (тобто вживлювати їх у тіло, а не протез. — Ред.)». Це більш інвазивно, й імплантати стикаються з регуляторними перешкодами, але імплантовані електроди виробляють сигнали вищої якості.
Деякі дослідники працюють над бездротовими системами, але іншим рішенням є поєднання RPNI з остеоінтеграцією. У цій установці дроти між імплантованими електродами та протезом просто проходять через титановий болт. Дослідження, опубліковане минулого року, описало біонічну руку вище ліктя, яка за допомогою цього підходу, дозволяла реципієнту контролювати кожен палець своєї роботизованої руки.
Маніпуляції з кінцівками трупів
У своїй анатомічній лабораторії Каліфорнійського університету Тайлер Клайтс і його команда використовують трупи для перевірки ідей і збору даних. «Ми прикріпимо кінцівки трупа до маніпулятора та оцінюємо системи, які ми розробляємо, щоб переконатися, що вони працюють належним чином, — каже Клайтс. — Це основа нашої діяльності».
Одним із проєктів, що розробляються, є новий метод кріплення, який дозволяє уникнути отвору, який виникає при остеоінтеграції. Замість титанового болта в кінцівці є шматок сталі та електромагніт у гнізді протеза. «Цей магніт утримує гніздо на кінцівці, — каже Клайтс, — і тоді ви можете контролювати силу притягання, змінюючи струм, що проходить через цей електромагніт». Кріплення не повинно нести навантаження; магнітна сила виконує цю роботу, змінюючись від моменту до моменту відповідно до вимог, наприклад, під час ходьба чи стояння.
У Массачусетському технологічному інституті Герр також працює над новим досягненням. Нещодавнє випробування біонічних ніг на основі AMI використовувало електроди на шкірі для передачі сигналів від м’язів до протезних суглобів. Але поверхневі електроди мають недоліки, такі як рух, що викликає спотворення сигналу. Нова техніка — магнітомікрометрія — передбачає розміщення магнітних сфер усередині м’язів і моніторинг їх руху за допомогою магнітометрів. «За допомогою цих магнітів, — каже Герр, — ми можемо вимірювати те, що нам важливо, і використовувати це для безпосереднього керування біонічним протезом». За його словами, комерційний продукт з’явиться приблизно через п’ять років.
