Королев И.Н. СЕКЦИЯ "ПРОМЫШЛЕННЫЙ ДИЗАЙН"

[Королева С.В.]

УДК 67.06 УДК 006.83.012.024
Королев И.Н. (Россия, г. Тула, ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»)

ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗА

Рассмотрены вопросы перспективного проектирования протезов для человека.

Когда у человека возникает ситуация потери конечности, то главным в жизни становится - вновь почувствовать ее. И не просто почувствовать, а выполнять конечностью все операции, которые были доступны до травмы или болезни: взять в руку предмет, завязать шнурок, передвигаться по городу с опорой на обе ноги. Создать физиологическое и психологическое ощущение былых возможностей позволяют бионический протезы или устройства, которые улавливают нервные импульсы. Интересно появление «интерактивных» протезов. Аналоги «живых» протезов были придуманы и описаны фантастами. Именно в их произведениях на смену потерянным в бою конечностям, глазам и сердцам приходили различные механические помощники. Одним из самых известных примеров является Терминатор, перенявший от человека только внешний вид. Прообразом современных протезов стала в 19-м веке деревянная форма ноги, в которую вставляли металлический шар, чтобы нижнюю часть можно было приводить в движение. В 20-м веке на смену простейшим устройствам пришел бионический протез, созданный как результат работы специалистов разных отраслей: инженерии, медицины, бионики, кибернетики и электроники. Ученые многих стран спорят насчет первенства в данном вопросе. Первый бионический действующий протез руки был представлен на ортопедической выставке в Германии (Лейпциг) в 2010 году. С того времени былы созданы различные виды протезов кистей, рук, стоп, ног и даже собачьих лап.
Бионика - это целая наука, которая изучает живую природу и возможность переноса принципов работы суставов и мышц в промышленные аналоги. Инженеры берут в расчёт природные идеи и преобразовывают их в своих изобретениях. Например, популярные застежки-липучки всего на всего копируют способ распространения семян репейника. Для конструирования подводных лодок был взят за образец дождевой червь с его автономными «сечениями». Необычайно стойкий металлический ажур Останкинской и Эйфелевой башен был скопирован с трубчатой кости человека. Во внутренних пустотах протянуты канаты как нервные волокна у человека. Восхищающие миллионы людей переплетения металла аналогичны строению костной ткани, которая сочетает в себе прочность и гибкость. Многоэтажный дом, населенный множеством семей, списан с пчелиных сот. В данном случае проводится параллель между жизнью людей в «ячейках» под одной крышей и укладом жизни пчелиной семьи. Бионика присутствует в огромном количестве предметов, которые окружают нас: автомобильных шинах, самолетах, камерах наблюдения, водных судах и самых обычных шарнирных соединениях.
Раскроем принцип работы простейшего бионического протеза. Вследствие болезни или получения травмы конечность ампутируют. Ее оставшаяся часть состоит из различных видов тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург в ходе операции соединяет сохранившийся двигательный нерв с оставшейся крупной мышцей. Заживший после операционной раны нерв передаёт двигательный сигнал. Данный сигнал воспринимается датчиком, который установлен в протезе. В ходе восприятия нервного импульса участие принимает сложная компьютерная программа, прописанная в чипе устройства и поддающаяся корректировке с помощью компьютера. Именно это позволяет бионическому протезу выполнять исключительно действия, прописанные в данной программе: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность воспроизводить даже ограниченное число движений – это огромный прогресс. Тем не менее, даже лучшие бионические протезы пока не имеют возможности выполнять все мелкие и точные движения, доступные живой конечности. Для того чтобы понять принцип работы бионических протезов, нужно обратиться к физиологии человека. Движения, совершаемые множество раз в течение дня, называются автоматическими. Подъем, поход в ванную, умывание, чистка зубов, одевание не вызывают у нас никаких мыслей. Тело само делает все, что нужно. Однако началом любого движения является мысль. При этом мозг посылает сигналы только тем мышцам, которые в данном движении задействованы. Мышца сокращается или расслабляется лишь по сигналу мозга. Данный процесс проходит так быстро, что мы не осознаем происходящее. В ситуации с протезом сложнее: сначала сигнал о движении считывается электродом, который расположен рядом с выведенным на мышцу нервом, далее отправляется на процессор внутри протеза. Данный процесс протекает достаточно быстро, тем не менее, скорость совершения действий ниже живой конечности. С того момента, как был продемонстрирован первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если ранние модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то на сегодняшний день современные образцы трудно назвать протезами. Они являются элегантными инженерными изделиями, которые словно сошли с экрана фантастического фильма. Протез имеет реалистичное сходство со здоровой рукой. Чтобы совершенствовать движения, иногда используют ткани человека с других участков тела – с ног, например. Человек, потерявший зрение из-за травмы, при условии сохранности зрительного нерва, на который возможно прямиком спроецировать изображение, имеет возможность вновь увидеть окружающий мир. На данный момент появились устройства, которые улучшают работу мозга. Современные технологии позволяют справиться с дрожательным параличом или болезнью Паркинсона с помощью вживленного электрода. Людям, обездвиженным вследствие паралича, вживляют электроды напрямую в мозг, для того, чтобы они могли управлять искусственными руками и ногами. Для человека, который полностью зависит от окружающих, возможность самообслуживания – необычайная радость. В данное время рассматривается вопрос о вживляемых под кожу чипах, способных заменить ключи, банковскую карточку и удостоверение личности одновременно. Самое известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, – это Московский протезно-реабилитационный центр, где собирают протезы из модулей, при этом используется продукция Германии, Исландии и России. Протез изготавливается для каждого человека по индивидуальным параметрам: уровень ампутации, вес, рост, род занятий, особенности походки и мелких движений, возраст. При этом используется много самообучающихся модулей. Происходит взаимное приспособление человека к протезу и наоборот. Самообучающийся модуль, который оснащен искусственным интеллектом, запоминает особенности походки и маршрута движения. Модуль запоминает ширину шага и нагрузку на конечность, а также количество и высоту ступеней, выбоин и ямок на пути. Работа таких модулей аналогична действиям мозга, подготавливающим какое-либо движение человека.
Стоимость бионического протезирования на данный момент высока и в сложных случаях достигает несколько миллионов рублей. Однако установка бионических протезов дает единственную возможность инвалиду вернуться к полноценной жизни. Главным является возможность вернуться в сообщество здоровых людей. Люди с бионическими протезами могут привычно жить, танцевать и даже заниматься спортом. То есть протез становится частью человека настолько, что трудно отличить действия живых мышц от их бионических аналогов.
Протезирование: этапы развития.
Бионический протез кисти – это огромный шаг в развитии современных медицинских технологий. В недавнем времени человек, потерявший кисть, не мог рассчитывать на другие возможности кроме двух: между локтевой и лучевой костью формировался кожный лоскут, чтобы человек мог захватывать крупные предметы, или к культе присоединялся крюк. Обе они являются неудобными и малоэстетичными. На сегодняшний день даже формирование культи под будущий протез начинается еще в операционной. В первую очередь после операции с пострадавшим работает протезист, который подбирает наилучшее сочетание деталей для будущего протеза. Культю формируют и тренируют, в то время, как составляющие протеза максимально дорабатывают. С кожей соприкасается нежная манжета из силикона со встроенными чипами, что позволяет избежать натирания тканей. Разработка программы для каждого протеза является индивидуальной и зависит от рода занятий человека. Главной задачей является максимальное восстановление функции.
Помощь инвалидам
Человек, лишившийся конечности, обязательно проходит медико-социальную экспертизу. Единовременно с установлением группы инвалидности разрабатывается программа социальной реабилитации для каждого пострадавшего, которая несет в себе использование в первую очередь технических средств, помогающих вернуть человека к труду. Все бионические протезы конечностей входят в список данных технических средств.
Текущие разработки
Современные бионические протезы рук могут отлично выполнять тонкие движения, однако человек не имеет возможности получать от них ощущения, к которым привык. Например, протезом можно погладить человека по голове, но нельзя ощутить тепло кожи и мягкость волос. На данный момент специалисты занимаются устранением этого недостатка. Ученые уже научились сращивать кости с титаном, а датчики движений и чувств соединять непосредственно с живым нервом. Таким образом, бионическая рука может полноценно заменить живую, и человек при этом получает тактильные ощущения, которых был лишен много лет. Непосредственное соединение нервов и мышц с техническим приспособлением максимально увеличивает скорость движений, приближая ее к природной.
Составные части бионической ноги
Современный бионический протез ноги имеет следующие обязательные элементы: силиконовая манжета со встроенными датчиками; опора – титановый стержень, формой напоминающий голень; шарнирный модуль с микродвижками и процессором; блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы. Новейшие модели протезных изделий ведущих немецких компаний имеют особенное покрытие, которое очень похоже на кожу. Синтетическая кожа имеет два предназначения: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с таким покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам.
На сегодняшний день в мире живут несколько человек, имеющих 2 и даже 3 бионических протеза одновременно. Изобретена синтетическая кожа, которая меняет жесткость. Созданы экзоскелеты, помогающие ходить парализованным людям. Разрабатываются изделия с возможностью управления силой мысли. Проводятся эксперименты по выращиванию нервов в микроканалах. Близится день, когда можно будет вырастить нерв нужной длины. Ученые делают попытки убрать границу между живой природой и технологиями. Движения, совершаемые бионическими протезами, с каждым днем совершенствуются, а также их количество возрастает. Вероятно, наступит время, когда любую часть человеческого тела можно будет заменить искусственной.
Протезирование рук и ног
Протезирование – эта сфера медицины, которая зависит как от мастерства врачей, так и от уровня развития медицинских технологий. Насколько квалифицированными не были бы специалисты, которые устанавливают протез, грубая механика никогда не даст забыть пациенту об инвалидности. Поэтому многие люди, которые столкнулись с необходимостью протезирования, едут в Швейцарию, где ученые научились восстанавливать утраченные конечности, давая возможность пациентам снова чувствовать себя здоровыми и полными сил.
Несмотря на большие достижения современной медицины, некоторые заболевания и травмы не оставляют возможность сохранить конечности. В этих случаях производится разноуровневая ампутация (высота отсечения зависит от степени поражения тканей). Причинами потери конечностей в основном являются: заболевания (диабет, туберкулез конечности, опухоль, эндартериит); раневые и другого происхождения инфекции (гангрена, трофическая язва); травмы.
В Швейцарии имеется мощная производственно-конструкторская база по разработке и изготовлению современных протезов, которые обеспечивают максимально возможную имитацию работы полноценной конечности. Бионические протезы – это одно из новейших достижений, так же активно развивается новое направление – биомехатроника (создание протеза, управляемого нервными импульсами человека).
В швейцарских медицинских центрах действуют реабилитационные программы для людей, у которых ампутированы конечности. В рамках данных программ для каждого пациента подбирается индивидуальный протез, сначала в учебно-тренировочной модификации, а затем – основной. Также может изготавливаться несколько протезов, выполняющих различные функции. Благодаря разнообразию моделей пациент получает возможность заниматься спортом и активно отдыхать.
Швейцарские центры протезирования предоставляют возможность пациентам с ампутированной нижней конечностью индивидуального подбора протеза с учетом уровня ампутации каждого человека и адаптивные программы, которые способствуют получению навыков ношения протеза и ухода за культей.
Разработаны модели, различающиеся конструктивными характеристиками и способами крепления на теле: шинно-кожаные, модульные, каркасные. Наиболее удобными и технологичными считаются модульные протезы с вакуумным или корсетным креплением. Имеется система шарниров, которая обеспечивает сгибательно-разгибательную функцию протезов, восстанавливает естественную походку, помогает осуществлять подъем-спуск по лестнице, бегать.
Ортопеды Швейцарии делают протезы кисти, пальцев рук, плеча и предплечья. Новейшие протезные конструкции выполняют функцию не только косметической замены утраченной руки, но и многие другие, в том числе мелкие движения. К примеру, бионические кисти, которые обладают системой настройки (возможность установки сила и скорость захвата для разных предметов), предоставляют возможность человеку самообслуживания в быту, а также продолжения работы в привычном режиме.
Таким образом, специалисты из Швейцарии дают шанс людям с ограниченными возможностями максимально войти в полноценный образ жизни, что можно считать настоящим чудом в мире медицинских технологий.