Бионические протезы: последние достижения в области создания высокотехнологичных устройств, способных заменить утраченные органы

Термин "бионика", вобравший в себя множество направлений, применяется тогда, когда речь идёт об использовании в технических устройствах, а также в системах принципов организации, функций, структур и свойств живой природы. Среди наиболее важных проектов, связанных с бионикой, можно выделить протезы и импланты, воспроизводящие функции утраченных конечностей и недостающих органов.

В области функционального протезирования рук и ног настоящим прорывом стали бионические (биоэлектрические) устройства, способные воспринимать импульсы, вырабатываемые при сокращении уцелевших мышц. 

I-limb

Компания Touch Bionics (Великобритания), выпускающая миоэлектрические протезы кисти и пальцев под маркой i-limb,  представила на мировом конгрессе Международного сообщества по протезированию и ортопедии ISPO-2015 (22-25 июня) новую версию искусственной руки - i-limb quantum. Как сообщают разработчики, эта модификация «умнее, быстрее и сильнее, чем любой из её предшественников».

Демонстрационное видео нового протеза  i-limb quantum

Протезы i-limb используют запатентованную технологию, позволяющую «считывать» мышечные импульсы.

Функциональность i-limb  реализуется с помощью программного обеспечения, описывающего набор стандартных движений и захватов, и позволяющего регулировать силу сжатия.

Новый проект  i-limb quantum включает в себя управление простыми жестами: чтобы выбрать нужный захват, носитель  делает движение по одному из четырех направлений.

Bebionic

Похожие протезы выпускает компания Steeper (США). Её устройства Bebionic также используют для перемещения в нужную позицию электрические импульсы, полученные от оставшихся мышц, и обладают широким набором движений и захватов.

29-летняя Ники Эшвел (Nicky Ashwell) рассказывает о протезе Bebionic, изменившим её жизнь

Последняя на текущий момент модель Bebionic, тоже представленная на ISPO-2015, отличается повышенной лёгкостью (390 г) и прочностью. Как сообщается в пресс-релизе компании, искусственная кисть выполнена из композитных материалов – таких же, какие используются в автомобилях Формулы 1. 

И Bebionic, и  i-LIMB выпускаются в нескольких размерах, причём  последние модели данных устройств подходят для установки женщинам и подросткам.

Deka Arm System

Наиболее технологичные проекты в области протезирования верхних конечностей выполняются при поддержке Агентства передовых оборонных исследовательских проектов Минобороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA).

О запуске программы «Революционное протезирование» ведомство объявило в 2006 году, и она даёт впечатляющие результаты. Одна из разработок – протез  Arm System компании  DEKA Research & Development Corporation. Бионическая рука  способна выполнять множество одновременных точных движений (сгибание и повороты в плечевом, локтевом суставах и запястье, а также захваты пальцами), преобразуя электрические сигналы от мышц и передавая их на встроенный компьютер, управляющий электрическими приводами.

11 февраля 2015 года DARPA представила видео, на котором волонтер с протезом DEKA Arm System забирается на скалодром. Проект уже одобрен FDA для коммерческого использования, в соответствии с программой корпорация DEKA планирует развивать производство и коммерциализацию разработки для её вывода на рынок. 

Протез, разработанный DEKA, позволяет даже штурмовать скалодром

В рамках программы «Революционное протезирование» также ведется работа над  созданием устройств «с обратной связью», обеспечивающих чувство прикосновения. Их функционирование основано на технологии нейронных интерфейсов, использующей принципы работы нервной системы человека.

В пресс-релизе, опубликованном DARPA 11 сентября 2015 года, сообщается о клинических испытаниях, в рамках которых добровольцу, парализованному уже более 10 лет, имплантировали электроды в сенсорную кору головного мозга (отвечает за выявление тактильных ощущений, в частности, давления). Кроме того, электроды вживили в моторную кору, которая направляет движения тела.

Как сообщает DARPA, в проведённой серии опытов доброволец с закрытыми глазами смог описать свои ощущения в 100% случаев.

Подобные разработки ведутся и в других странах. В 2014 году сотрудники Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) представили прототип такого "чувствующего" протеза. Бионическая рука нового поколения была испытана на 36-летнем Деннисе Сёренсене. На время эксперимента врачи имплантировали электроды в локтевой и срединный нервы пациента, а затем подсоединили протез,  оснащенный датчиками, способными оценивать давление руки на предмет по напряжению в искусственных сухожилиях, контролирующих движения пальцев. По этим напряжениям датчики генерируют электрический сигнал, который затем транслируется по электродам в нервы. 

В рамках эксперимента Деннису удалось управлять силой хватки, а также определять форму предмета. После испытаний врачи удалили электроды, опасаясь негативных клинических последствий. Дальнейшие исследования, в частности, должны определить, как долго электроды могут оставаться в теле пациента, не причиняя вреда. 

Протезы ног

Одними из наиболее совершенных протезов голени на сегодня считаются BiOM Ankle компании BionX (США), основанной профессором Массачусетского технологического института (MIT) Хью Хэрром (Hugh Herr). Миоэлектрические протезы BiOM Ankle оснащены микропроцессорами и сенсорами, благодаря которым становится возможной мгновенная автоматическая регулировка угла наклона стопы и уровня амортизации.  

Хью Хэрру было 17, когда после неудачного альпинистского восхождения ему ампутировали обе обмороженные голени. Сегодня он один из самых выдающихся в мире специалистов по биопротезированию. В число инвесторов, финансирующих его научных работы, входит DARPA.

TED Talks: Хью Хэрр о новых бионических протезах, позволяющих бегать, заниматься альпинизмом и танцевать

Протезы сердца

Еще одно важное направление биопротезирования - создание искусственного сердца. В целом исследования в этой области можно разделить на две группы: конструирование биомеханического сердца или «выращивание»  биологического. Разработки первого типа ведутся достаточно давно. Основные проблемы, долгое время не находившие решения, были связаны с  созданием мощного, и при этом достаточно небольшого источника питания, а также с прочностью материалов искусственного сердца, которое, в отличие от биологического, не способно самообновляться. На сегодня существуют проекты, в той или иной степени решающие эти задачи.

SynCardia

Рэнди Шеперд (Randy Shepherd) рассказывает о жизни с иcкусcтвенным сердцем SynCardia

Аппарат SynCardia разработки SynCardia Systems Inc (США)  получил одобрение на использование в качестве  «временного устройства до получения донорского сердца»  в 2004 году. Соответствующая лицензия была выдана управлением по контролю за лекарствами и продуктами США  после испытаний, которые продолжались более десяти лет.  Искусственное сердце заменяет родные желудочки и клапан сердца пациента, для поддержки их работы требуется внешнее устройство - изначально это были крупногабаритные аппараты Big Blue весом почти в 200 кг, затем появились более компактные версии, последняя из них на сегодня – Freedom. Этот системный привод весит около 6 кг, и его можно носить с собой в рюкзаке или сумке.  По информации SynCardia Systems, искусственные сердца  SynCardia были имплатированы примерно 400 пациентам.

Carmat

Искусственное сердце компании Carmat (Франция) разработано при поддержке авиационно-космического концерна Airbus Group (концерну принадлежит около трети акций Carmat). Протез имплантируется в грудную клетку полностью, снаружи остаются только заключенный в специальный блок литий-ионный аккумулятор  и пульт управления.  Весит Carmat около 900 г. Как подчеркивают разработчики, протез обладает способностью саморегуляции, то  есть самостоятельно подстраивается к изменениям интенсивности физической нагрузки человека.

Датчики давления и высоты, сходные с теми, что используются в авиации, снимают информацию о потоке крови в сердце, благодаря чему искусственный орган реагирует практически мгновенно, увеличивая или уменьшая ток крови. Поверхности искусственного сердца  сделаны из живых тканей, что обеспечивает высокую биосовместимость с собственными тканями организма (применение искусственных материалов может вызвать тромбоз).

Carmat позиционируется как постоянная замена сердца, в частности, для тех пациентов, которым отказано в трансплантации.

Искуственное сердце Carmat

Первая пересадка искусственного сердца состоялась в декабре 2013 года в Европейском госпитале имени Жоржа Помпиду в Париже. Пациентом стал находившийся в предсмертном состоянии 75-летний мужчина, страдавший острой формой сердечной недостаточности. Он прожил два с половиной месяца после операции. Второй пациент прожил после имплантации 9 месяцев. В апреле 2015 года искусственное сердце было установлено третьему пациенту, - 70-летнему мужчине.

3 сентября 2015 года компания  Carmat  опубликовала сообщение об успешном завершении этапа реабилитации пациента. Перед возвращением домой мужчина получил подробные инструкции, как ему обращаться с установленным аппаратом. Представители Carmat  подчеркивают, что пациенту также будет оказываться постоянная медицинская поддержка.

По оценке разработчиков, сердце Carmat сможет бесперебойно функционировать в течение  5 лет.

BiVACOR

Проект BiVACOR, над которым работают специалисты из Австралии и США, на данный момент проходит стадию испытаний на животных. Преимущество данной разработки – длительный срок эксплуатации, который создатели устройства оценивают в 5-10 лет и более. Эта модель не имитирует пульсирующую работу живого сердца, а обеспечивает постоянные потоки артериальной и венозной крови, для перекачивания которой используется вращающийся двусторонний ротор, подвешенный в магнитном поле. Отсутствие крепежей и других зон механического контакта позволяет минимизировать износ деталей.

Искуственное сердце BiVACOR

BiVACOR также оснащен внешними контроллерами, которые позволяют менять скорость кровотока в зависимости от физической и  эмоциональной активности пациента. Аккумуляторы у этой системы также внешние.

Само устройство меньше сердца взрослого человека, и, как сообщают его разработчики, в перспективе может имплантироваться даже детям.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab^® по материалам сайтов syncardia.com, carmatsa.com, bivacor.com, bionxmed.com, touchbionics.com, bebionic.com.