Инновации в области протезирования: технологии, возможности

Ежегодно в мире выполняется более миллиона ампутаций конечностей. А подсчитать тех, кто потерял слух, зрение или родился с патологиями этих органов чувств и вовсе сложно. Без руки или ноги, не видя или не слыша ничего, трудно вести полноценную жизнь, выбирать ту профессию, которая нравится, чувствовать свободу в окружающем мире. Но любая из этих ситуаций не столь сложная, как кажется, поскольку область протезирования развивается достаточно быстрыми темпами. И в ближайшем будущем протезы, частично или даже полностью восстанавливающие функцию утраченного органа, станут чем-то привычным.

Как эволюционировала сфера протезирования

При упоминании слова «протез» большинство представляет изделие из силикона, имитирующее утраченную конечность или ее часть. Современный протез может быть похож на настоящую руку или ногу, ведь новые технологии позволяют изготавливать такие изделия даже с маникюром или родинками, венами ^[1]. Но косметические протезы лишь маскируют проблему, а не решают ее, ведь таким протезом невозможно выполнять даже самые простые задачи.

И хотя подобный вариант можно считать эволюцией, ведь первые протезы изготовлялись из дерева, современные технологии позволяют производить бионические варианты. Они, как минимум, могут сгибаться и разгибаться, и, как максимум, способны реагировать на сигналы мышц или мозга. Термин «бионические» впервые использован в 1958 году военным врачом Джеком Стилом, занимавшимся аэрокосмическими и медицинскими разработками. А первая бионическая рука была изготовлена в 1993 году для Роберта Кэмпбелла Эйрда. Страдая мышечным раком, он перенес полную ампутацию руки. Но через 11 лет команда из пяти британских биоинженеров создала для него «модульную систему рук», включающую схемы, микрочипы, двигатели, шестерни. Все это было покрыто реалистичной имитацией кожи. Но самое главное – «новая» конечность вращалась в области плеча, поворачивалась в запястье и сгибалась в локте, а пальцы хватали предметы. Фактически протез полностью восстановил функции руки ^[2].

Сегодня бионические протезы не редкость, но возможность их использования каждым, кто потерял конечность, зрение, обоняние, ограничивается высокой ценой. Правда, стремительное развитие области протезирования работает на снижение себестоимости и увеличение доступности протезирования инновационными вариантами. Разработки последних 10-15 лет дали отличные результаты, ведь теперь уже даже есть протезы, которыми можно управлять с помощью мозга. Они дают надежду на нормальную жизнь и парализованным людям.

Современные технологии протезирования имеют несколько важных направлений:

• ретинальное, в котором импланты используются для восстановления зрения;
• кохлеарное, позволяющее восстановить слух;
• стоматологическое, дающее возможность восстановить красивую улыбку даже в самых сложных ситуациях;
• протезирование конечностей;
• нейропротезирование, основной задачей которого является восстановление памяти, в первую очередь при болезни Альцгеймера.

А еще протезы используются ортопедами для восстановления функций суставов, урологами, если эректильную дисфункцию невозможно вылечить консервативными или оперативными методами. И, что интересно, нередко такие импланты существенно улучшают функцию органа настолько, что даже физически неподготовленные люди могут поднимать серьезные тяжести или выполнять те задачи, которые им были не под силу раньше.

Восстановление функций конечностей: наиболее актуальная область протезирования

Протезирование, как направление медицины, начиналось именно с верхних и нижних конечностей, ведь их отсутствие – это сочетание физического и эстетического дискомфорта. После фактически первой искусственной руки, изготовленной в 1993 году и выполнявшей все важные функции, в этой области случился настоящий прорыв:

1. В 2007 году канадская компания Touch Bionics представила первый доступный для потерявших руку протез весом всего 25 кг. Тонкие пальцы такого изделия позволяли выполнять даже такие сложные задачи, как завязывание шнурков или работа за компьютером. Для крепления протеза использовалась специальная гильза, которая могла откручиваться и закручиваться без особых усилий.
2. В 2010 году впервые был представлен серийный протез от BeBionic. Случилось это на Международном конгрессе по протезированию и ортопедии, который проходил в городе Лейпциг.
3. 2011 год ознаменован выпуском широко доступного протеза от исландской компании Össur, которая через 2 года дополнила его микропроцессором. Таким образом протез нижней конечности смог подстраиваться под походку своего владельца.
4. В 2015 году были представлены протезы, управляемые мозгом, которые испытала парализованная женщинах ^[3].

Современные бионические протезы конечностей имеют аккумулятор, двигатели и систему датчиков, которые и считывают жесты пользователя. Электроника внутри фиксирует мышечные сокращения, и в результате выполняется действие. Чтобы все это было возможно, перед изготовлением протеза человек должен пройти процедуру считывания сигналов, чтобы разработчики могли определить место расположения датчиков, фиксирующих мышечные импульсы.

Как один из вариантов при изготовлении протезов, пока еще находящийся на стадии исследовательских разработок, используется управление мозгом. В этом случае в протез вживляются специальные интерфейсы, работа которых осуществляется нейросигналами. Электроды, снимающие их, находятся в коре головного мозга.

Кроме бионических протезов, помогающих вернуться к нормальной способу жизни, есть и рабочие варианты таких изделий, специально созданных для выполнения конкретного типа работы. В отличие от бионических, оснащенных микропроцессорами, двигателем, датчиками, они не имеют столь сложной конструкции, поэтому выполняют только один-два типа задач. К примеру, могут быть оснащены приемником для рабочих насадок, чтобы человек мог выполнять задачи, связанные со своей специальностью. Уже никого не удивит тату-мастер, наносящий рисунки на тело рукой с протезом или ремонтник, который может держать инструменты именно утраченной конечностью ^[4].

Рынок бионических протезов для нижних конечностей: компании, варианты, ценовая политика

Компаний, занимающихся производством бионических протезов для верхних и нижних конечностей на рынке не так уж много. Но благодаря их масштабности, ежегодно много людей по всему миру могут воспользоваться их продукцией, стоящей, правда, немало. Лидерами этой сферы считаются: Touch Bionics, i-Limb, Ottobock, Vincent System. Средняя стоимость их продукции составляет в районе 30000 долларов, но объясняется такая цена возможность выдерживать немаленькие нагрузки – вес до 45 килограмм.

Стремительно развивается и российский рынок протезирования конечностей. Компании Моторика и MaxBionic, начавшие путь с детских протезов, подходят к созданию своей продукции индивидуально под каждого клиента. Причем стоимость российских бионических протезов не превышает 10000 долларов. Не отстает от других стран и Украина. В 2018 году была основана компания Esper Bionics, которая изготовляет самообучающийся протез руки. Легкая, удобная в использовании система практически полностью заменяет утраченную конечность. За свои разработки компания получила немало наград и вошла в тройку лучших технологических предприятий мира ^[5].

Протезирование в области офтальмологии

Статистика ВОЗ подает данные о более 36 миллионов человек по всему миру, потерявших зрение или родившихся со слепотой. Не менее серьезной проблемой является и слабое зрение. До недавнего времени решить ситуацию было трудно, но инновационные разработки в области протезирования сетчатки глаза дают надежду на возможность видеть прекрасное вокруг.

Для восстановления зрения сегодня используются оптоэлектронные устройства, берущие на себя функции зрительного аппарата. Такие протезы включают три элемента:

• преобразователь фотоэлектрического типа, который считывает зрительную сцену;
• электронику, обрабатывающую полученные сигналы;
• электроды, отправляющие импульсы к нервным окончаниям сетчатки, коры головного мозга.

Такое протезирование актуально, если пациент страдает от тяжелой дегенерации сетчатки, атрофической формы ВМД или имеет амавроз Лебера. Впервые устройства для искусственного восстановления зрения разработал W. Dobelle, который и предложил метод стимулирования зрительной коры головного мозга с помощью имплантируемых подключенных к камере электродов. При их включении человек начинал воспринимать фосфены.

Ученый М. Humayun вместе с группой своих коллег выдвинул кардинально отличающийся способ восстановления зрения. Научной группой была разработана технология прямой стимуляции сетчатки с помощью планарных электродов, которая воплощена в эпиретинальном имплантате Argus II. Еще один вариант протезов для глаз – имплант Alpha IMS (AMS), а также его улучшенная версия Retina Implant AMS. Они представляют собой субретинальные микрофотодиоды, берущие на себя функции фотодиодов.

И третьей успешной модификацией внутриглазных устройств для имплантации считается Intelligent Medical Implant. Пациенты, которым имплантируют подобную систему, могут различать геометрические фигуры, видеть горизонтальные и вертикальные линии.

Несмотря на высокую перспективность глазного протезирования, стоит помнить: полностью вернуть зрение невозможно, и такой вариант подходит не всем. Но с имплантами человек получает возможность несколько улучшить качество своей жизни ^[6].

Кохлеарное протезирование как возможность услышать этот мир

Первый слуховой аппарат был разработан во второй половине 20-го века. Но с тех пор технологии стремительно развивались, и в 21-ом столетии пациенты, имеющие проблемы со слухом, могут рассчитывать на более современные варианты его восстановления. Кохлеарное протезирование впервые было разрешено выполнять взрослым в 1985 году, а в 1990-ом – детям. Но первые операции по имплантированию систем Cochlear – компании-лидера в этой области имели несколько нюансов:

• пациенты их боялись, ведь внедрение в организм техники считалось чем-то необычным;
• имплантация проводилась не всем детям, хотя в самом раннем возрасте слух теряется быстрыми темпами;
• приборы не были столь «умными», как сейчас, и не различали все звуки;
• операции были достаточно сложными и травматичными.

Современная кохлеарная имплантация выполняется намного быстрее, ее применяют и для детей от 6-8 месяцев. А самое главное – протезы для восстановления слуха позволяют различать оттенки звуков и подключаться к смартфону, компьютеру, ноутбуку.

Возможности имплантации

Учеными и врачами разработано четыре варианта, способных помочь с глухотой в каждом индивидуальном случае:

1. Импланты среднего уха, показаны тем, кто не может использовать обычный слуховой аппарат из-за хронических отитов.
2. Стволомозговые импланты, воздействующие на подкорковые центры мозга. Чаще всего используются после травмы или удаления опухоли.
3. Импланты с электроакустической стимуляцией – для пациентов с частичной глухотой.
4. Системы костной проводимости подойдут в первую очередь детям с аномалиями развития наружного и среднего уха ^[7].

Реконструктивно-заместительные технологии в урологии

Об использовании протезирования урологами знают лишь немногие, хотя оно способно спасти мужчин от сексуальных расстройств. Установка протеза в половой член показана при болезни Пейрони, выраженных процессах фиброза в кавернозном теле пениса, аномалиях его системы кровоснабжения, после травм и при тяжелых формах сахарного диабета. Но стоит помнить: эндофаллопротезирование – крайняя мера, если другие методы лечения не дают результата. Решение о ее применении принимает врач после тщательного обследования пациента.

На данный момент для выполнения оперативного вмешательства используется три типа протезов:

• полужесткие – самые простые и недорогие, но поскольку половой член постоянно эрегирован, целесообразность их использования сомнительна;
• пластические – более «умные», обладаю памятью, поэтому пенис можно привести в эрегированное состояние с помощью рук, а после окончания полового акта так же вручную опустить вниз. Использование такого типа протеза приносит намного меньше неудобств, чем полужесткого;
• гидравлические – сложные и дорогостоящие, но обеспечивают более естественное эрегирование, хотя риск произвольных эрекций все же не исключен.

Пристутствие эндофаллопротеза не ощущается во время полового акта, но иногда может быть слышен специфический механический звук. Эффективность восстановления эректильной функции при протезировании полового члена достигает 95 %, что не может не радовать ^[8].

Протезирование мозга

Инновационные протезы мозга, казавшиеся еще совсем недавно фантастикой, совсем скоро могут широко использоваться. Их разработали ученые Университета Южной Калифорнии для борьбы с потерей памяти при болезни Альцгеймера. В созданном импланте содержаться электроды, которые расположены в участке головного мозга – гиппокампе. При его повреждении не формируется долговременная память, поэтому больные вспоминают, что было в детстве, но не могут запомнить, завтракали ли сегодня. Именно на эффекте превращения краткосрочной в долгосрочную память и базируется действие имплантов.

Участие в проверке действия протезов мозга приняло 9 добровольцев, но для возможности использования имплантов для лечения пациентов они должны пройти еще несколько клинических испытаний. Пока протезирование мозга не используется, но перспективы у него обнадеживающие ^[9].

Протезирование в стоматологии

Использование протезов в стоматологии – не новшество, ведь они применяются уже десятилетиями. Но и сюда были внедрены инновационные технологии, позволяющие усовершенствовать процесс восстановления улыбки. При создании зубных протезов используются актуальные компьютерные технологии:

• 3д-проектирование, позволяющее создать точную копию будущей конструкции с учетом индивидуальных особенностей;
• системы CAD/CAM для изготовления протезов из диоксида циркония, что позволяет внести коррективы на любом этапе;
• программные комплексы для определения готовности пациента к протезированию ^[10].

Важной технологией восстановления потерянных зубов считается имплантация, но она имеет некоторые ограничения. К примеру, установка зубных имплантов не может быть выполнена при заболеваниях сердца, онкологии, психических расстройствах, многочисленных воспалительных процессах в ротовой полости.

Какие перспективы у протезирования

Если говорить о перспективности протезирования в разных областях, то можно смело утверждать: они самые высокие. Потребность в восстановлении конечностей, зрения, слуха, зубов и даже эректильной функции будет всегда. И это лишь часть областей, где актуальна замена утраченных органов протезами.

Над разработкой искусственных рук, ног, систем для глаз, ушей работают ученые, медики, биотехнологии, поэтому в ближайшем будущем, в это стоит верить, протезирование современными технологиями будет более доступным и подарит шанс на нормальную жизнь многим.

Источники