Главная Паллиативная медицина Как работает бионический протез?
Паллиативная медицина
6 ноября, 21

Как работает бионический протез?

Бионический протез – одна из технологических разработок, позволяющих человеку, потерявшему конечность, вернуться к привычному поведению.

Содержание
  1. Общее описание
  2. На перехват
  3. Дополнительное обучение роботов
  4. Выбрать оборудование
  5. Как появились умные протезы
  6. Принцип работы бионического протеза
  7. Как действует импульс от мозга к протезу
  8. Этапы протезирования

С помощью таких устройств можно взять ложку или зубную щетку, опереться на обе ноги и уверенно смотреть в будущее. Как работают протезы?

Общее описание

Прототипы современных протезов обладали скудным функционалом: некоторые из них могли сгибаться в суставах, но для регулирования действия человеку необходимо было прикладывать усилия, вручную обеспечивать обратный отклик. Говоря иначе, страдала мелкая моторика. 

Многие помнят джедая Люка Скайвокера, который в одном из боев с главным врагом всего живого Дартом Вейдером потерял конечность. Герою понадобилось всего несколько минут, чтобы, вместо лишенной руки, обзавестись совершенным протезом. В реалиях о таком приходится мечтать, но ученые делают все возможное, чтобы реализовать даже невероятные идеи. 

Модернизированные разработки шагнули настолько вперед, что, кажется, были воплощены прямиком из книги какого-нибудь фантаста. Появились механические аналоги конечностей, которые напрямую соединяются с нервной системой человека. 

Чтобы мозг и новая рука или нога «научились» сообщаться, безусловно, требуется время. По истечении какого-то периода умное устройство подстраивается под каждого владельца индивидуально.

По факту адаптации для обладателя таким совершенством не составляет труда осуществлять задачи: шнуровать ботинки, готовить пищу, совершать прогулки и заниматься спортом. 

Что такое бионический протез

На перехват

Внедряемые технологии подразумевают размещение нескольких электродов на культе. Чем передатчиков больше, тем выше выработка сигналов, лучше анализ и управляемость. Чем мощнее конструктивная часть, тем сложнее программное обеспечение встроенного в устройство микрокомпьютера, но зато растет многофункциональность. 

Рассмотреть, как работает протез руки, можно на биологическом примере. Когда человек хочет пошевелить конечностью, мозг формирует соответствующий сигнал и с помощью нервов направляет его в мышцы. Если руки нет, сигнал все равно генерируется, но отправляется «в никуда». Многочисленные научные группы стремятся научиться перехватывать такие команды для передачи в протез, который по мере обработки преобразует информацию в движение. 

Активными разработчиками в этом направлении считаются американские университеты – Хьюстонский и им. Райса. Их сотрудникам экспериментальным путем удалось считать нервные импульсы с помощью электроэнцефалографии. Для результата прибор ЭЭГ подключали к коже головы. 

Однако в ходе эксперимента научные деятели столкнулись с проблемой большого потока информации, улавливаемой электродами. Задача на ближайшее будущее – отделить нужные импульсы, то есть те, которые побуждают движение конечностей. Пока что эта процедура трудновыполнима и выглядит как поиск затерявшейся в стоге сена иглы. 

А вот научный персонал гетеборгского университета Чалмерса генерировал другие идеи на тему и решил вести работы в альтернативном направлении. Для реализации задуманного ученые договорились о совместных опытах с коллегами из консорциума NEBIAS. 

Исследователи пришли к выводу, что им удастся совершить прорыв, если не использовать смешанные сигналы на поверхности, а задействовать электроды, внедряемые внутрь кожного покрова. Основная цель мероприятия – избавиться от зашумления и попытаться отсеять ненужные импульсы. Такое направление мысли впечатляет, но не исчерпывает проблему: каждый из нас обладает индивидуальными физиологическими параметрами.

По этой причине непросто предугадать, в какой области расположение электрода станет релевантным. 

Дополнительное обучение роботов

Считывание электрических сигналов с части конечности, остающейся после ампутации — перспективная методика, с точки зрения управления. Если осуществляется электромиография. 

Благодаря серийному производству тысячи людей со всего мира уже смогли познать, как работает бионический протез из этой серии. Технологии развились, а дальше ход за человеком: обучиться корректной работе с устройством – занятие, которое для некоторых вытекает в проблему. 

Поскольку людям трудно освоить новые навыки, представители лаборатории кибернетических систем Московского физико-технического института решили пойти от обратного и возложить задачу не на пользователя, а на сам протез – прописать программное обеспечение таким образом, чтобы он правильно воспринимал команды головного мозга.

Чтобы приблизить затею к реальности, исследователи создают устройства с несколькими электродами. Уже сегодня результаты переворачивают прежнее мировоззрение: алгоритмы самообучения роботов усовершенствуются, а по мере этого процесса растет функциональная часть. Компьютеры обрабатывают все больше сигналов, а соответственно повышается продуктивность устройств. 

Выбрать оборудование

В рамках экспериментальной части ученым удалось добиться, чтобы человек с ампутированной конечностью практически без труда и с высокой точностью мог работать с мышкой компьютера. В ходе исследования один из участников смог перемещать курсор в нужное место на мониторе.

Опыт оказался более чем успешным. В связи с этим исследователи планируют задействовать ресурсы, чтобы в будущем улучшить распознавание сигналов и нарастить число комбинаций действий. 

Как появились умные протезы

Поблагодарить за идею создания «живых» протезов человечество может писателей-фантастов, в произведениях которых герои, по сюжету терявшие конечности, продолжали следовать своим миссиям. На выручку им приходили механические помощники (достаточно вспомнить всеми любимого Терминатора). 

Говоря о прототипах современных протезов, кстати упомянуть их деревянных предшественников. Еще в 19 веке существовали и практиковались такие конечности, которые крепились к культе, а на сгибе имели металлический шар. Так искусственная рука или нога получалась подвижной. 

В 20 веке ведущие бионики, медики, инженеры и электроники объединили усилия, а на смену примитивным конструкциям пришли бионические протезы. Хоть ученые со всех материков и спорят о лидерстве в этом направлении, справедливо присудить лавры немецкому городу Лейпцинг, где в недалеком 2010г. впервые была продемонстрирована новинка индустрии.

После этого события разработчики выпустили много протезов ног, рук и отдельных частей конечностей – стоп, кистей… В открытом доступе оказались даже аналоги собачьих лап. 

Принцип работы бионического протеза

Ампутация конечности может понадобиться из-за болезни или травмы. Часть тела невозможно сохранить, когда нарушается трофика, отмирают ткани и при других серьезных нарушениях. Решение об операции вытекает из необходимости сохранить человеческую жизнь. 

Во время оперативного вмешательства хирург, удаляя конечность полностью или частично, определяет доступный фрагмент двигательного нерва и выводит его на сохранившую функции мышцу. Благодаря этому после заживления не нарушается процесс передачи импульсов от головного мозга к конечности, даже в условиях отсутствия последней. Бионические протезы работают с помощью программы, способной улавливать импульс, обрабатывать информацию и превращать ее в движение. 

Многозадачность «умных» устройств заведомо прописана на языке программирования: взять ложку, нажать на кнопку и так далее. Несмотря на сжатый потенциал, даже такие простые движения можно назвать большим прогрессом.  

Как работает бионический протез

Как действует импульс от мозга к протезу

Большинство движений человек осуществляет автоматически. Особенно это касается тех, которые повторяются регулярно и заложены в мышечной памяти: чистка зубов, умывание, приседание, подъем и другие. Можно подумать, что тело само по себе знает, что нужно делать, но в действительности все выглядит по-другому: мысль – первоисточник действия. 

В момент формулировки мыслительной команды мозг продуцирует импульс, а после с помощью нейронов направляет информационный поток в мышцы, которые необходимо задействовать для реализации процесса. Человек не успевает проследить всю последовательную цепочку таких манипуляций, поскольку они происходят практически мгновенно. 

С биологической точки зрения, трудностей в связи мозг-мышца быть не может, но ситуация с протезом глубже и сложнее. Первым сигнал о требуемом движении получает электрод, взаимодействующий в тесном контакте с выведенным на мышцу нервом. После этого полученная информация подвергается анализу в процессоре, встроенном внутри устройства.

Реакция происходит быстро, но в оперативности выполнения действий протез уступает живой конечности. 

Этапы протезирования

Моделирование экзартикуляции под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней после ампутации с пациентом взаимодействует протезист, который анализирует состояние конечности и помогает подобрать удачные сочетания деталей. Перед тем как применить протез, с культей требуется работать: ее не только формируют, но и тренируют.  

Благодаря антиаллергенным мягким материалам в местах соприкасаний кожи и протеза не бывает потертостей. Каждое изделие изготавливается индивидуально, в зависимости от потребностей.

Основная задача – восстановить максимальное количество утраченных функций и вернуть конечности работоспособность.

Читать нас на Яндекс. Дзен
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Статью проверил эксперт - Ястребова Елена Вильевна. Образование: диплом по специальности "Лечебное дело", Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова (1981).

Список клиник:

- Ясный Взор на Удальцова
г. Москва, ул. Удальцова, д. 10
- Ясный Взор на Новомарьинской
г. Москва, ул. Новомарьинская, д. 15
- Ясный Взор на Неглинной
г. Москва, ул. Неглинная, д. 18, корп. 1
- Ясный Взор на Знаменских Садках
г. Москва, ул. Знаменские Садки, д. 7, корп. 1
- Ясный Взор на Главмосстроя
г. Москва, ул. Главмосстроя, д. 4, корп. 2
- Ясный Взор на Гиляровского
г. Москва, ул. Гиляровского, д. 10, стр. 1
- Ясный Взор на Бескудниковском бульваре
г. Москва, Бескудниковский бульвар, д. 32, корп. 5
- Ясный Взор на Бакунинской
г. Москва, ул. Бакунинская, д. 94
- Ясный Взор в Щелково
г. Щелково, ул. Московская, д. 27А
- Ясный Взор в 1-м Балтийском переулке
г. Москва, 1-й Балтийский пер., д. 3/25
- Юсуповская больница на Нагорной
г. Москва, ул. Нагорная, д. 17, корп. 6
- Юнимед-С на 26-ти Балканских комиссаров
г. Москва, ул. 26-ти Бакинских Комиссаров, д. 11

Вам может быть интересно

Выбрать оборудование

Статья:

Фиброма легких, что это такое?


    Ваша экспертность:

    Нет экспертности
    Студент
    Фельдшер
    Врач
    Доцент
    Доктор мед.наук


    “Нажимая на отправить” вы даёте согласие на оброботку персональных данных