Разбираемся в протезах рук: какие бывают, как работают и в чем их минусы

В научной фантастике протезы встречаются очень часто, причем в основном они красочно описываются как устройства, которые намного лучше наших биологических рук. Однако это обычное заблуждение. Протезы, существующие в реальном мире на сегодняшний день, далеки от настоящей замены рук. Чаще всего они являются инструментом, который служит для простых действий. 

Прежде чем разбираться, что все-таки могут протезы, какие существуют на рынке и какие бывают сложности, нужно понимать типы существующей ампутации — пальцев, кисти, предплечья и плеча. В зависимости от вида ампутации нужен соответствующий протез. Потерю пальцев заменить проще всего, а вот с ампутацией предплечья начинаются серьезные проблемы. 

Поводом для установки протеза могут быть не только аварии и другие инциденты, которые привели к ампутации конечностей, но и различные врожденные мутации, приводящие к деформации какой-то части руки. На сегодняшний день существуют три основных типа протезов:

• тяговые (механические)
• биоэлектрические (основаны на работе биоэлектрических датчиков, самые передовые)
• косметические

Смысл косметических протезов кроется в их названии — они просто делают ампутацию менее заметной, но не несут никакого функционала. Пациент с косметическим протезом от силы может что-нибудь поддержать, но ничего из нормальных повседневных действий. 

Механические протезы

Тяговые или механические протезы начались со стальной руки немца Götz von Berlichingen — у нее был ограниченный функционал, но можно было держать предметы и, возможно, писать пером. Управлять устройством нужно было с помощью кнопки, расположенной на тыльной части ладони. 

С началом промышленной революции протезы начали совершенствоваться и приходить к существующим наработкам. Механический протез — это каркас с множеством тросиков (тяг), которые фиксируются на определенные участки оставшейся конечности. Благодаря усилию тросики натягиваются, а протез движется или сгибается. Такие протезы подходят при любом типе ампутации, даже при полной потере руки. 

Тяговые протезы лучше подходят при ампутации плеча, чем биоэлектрические, из-за специфики биоэлектрических датчиков. Протез состоит не только из каркаса, гильзы и кисти, но также из троса, который крепится на здоровое плечо, благодаря чему и выполняется управление протезом (сгиб и разгиб кисти). Управление в области локтя возможно только за счет здоровой руки, либо выкидыванием протеза туловищем. 

Основные преимущества тяговых протезов:

• отсутствие электроники (это снижает стоимость и увеличивает стойкость к повреждениям)
• возможность установки при ампутации плеча
• меньшая масса, по сравнению с биоэлектрическими

Однако у таких протезов есть только один тип хвата, поэтому они предназначены для какой-то узкой функции, что не всегда полезно в быту. 

Биоэлектрические протезы

У биоэлектрических протезов сложнее принцип работы и само устройство. Работа таких устройств основана на считывании электрического потенциала остаточных мышц. Объясняем: вы принимаете решение, что нужно пошевелить рукой; из мозга в спинной мозг идет импульс, который затем попадает в нервы, связанные с мышечным волокном; сигнал усиливается и расходится на определенные группы мышечного волокна; один нерв может задействовать несколько мышечных клеток. 

В здоровой руке сигнал, допустим, доходит до ладони, поэтому вы ее сжимаете. Однако в ампутированной ниже локтя руке сигнал уходит «в никуда», то есть рассеивается. При установлении специальных датчиков, которые регистрируют сигнал до момента рассеивания, его можно как-то использовать. Биоэлектрические датчики не нужно вживлять в руку, достаточно просто надеть протез. 

После регистрации сигнала он попадает в процессор, где происходит его обработка. В действие приводятся сервоприводы, после чего протез выполняет какое-либо движение. Сервоприводы — это небольшие двигательные установки, которые могут принимать сигнал, сравнивать его с данными программы и выполнять какое-либо движение. 

Преимущество этих протезов над механическими заключается в электронике. Можно запрограммировать движение сервоприводов и задать множество разных типов хвата для протеза. Тяговые способы могут только сжать и разжать руку, а биоэлектрические — жестикулировать, вращать запястье и другое. У них есть диапазон хватов от 18 до 22. 

Однако эти хваты нужно переключать. Недостаточно просто захотеть сделать какое-либо движение, чтобы протез это выполнил. Работа протеза завязана на датчиках, а связи с мозгом и мысленными процессами у них нет. Переключаться можно с помощью дисплея или кнопки на протезе, приложения на телефоне. Как и с механическим протезом, нужно постоянно напрягать какую-то часть мышц для выполнения хвата, что может утомлять при длительном использовании. 

У человека не будет возможности управлять каждым пальцем отдельно, но можно выполнять движения, заложенные программистами в код сервоприводов. Существует один тип протеза, позволяющий управлять каждым пальцем отдельно. Он работает по принципу ультразвукового сканирования мышц, но это только единичный прототип. 

Ампутация выше предплечья и будущее

Сложности с ампутацией выше предплечья заключаются в том, что считывать сигнал там просто не с чего. Рука полностью отсутствует, поэтому негде разместить датчики, но инженеры нашли две лазейки:

1. Разработка компании Ottobock под названием DynamicArm. Гильза надевается туда, где должно быть плечо, и считывает сигнал для управления. Сгибание локтя — один из вариантов хвата, также локоть автоматически выпрямляется при нагрузке. 
2. Разработка университета Джонса Хопкинса. У пациента отсутствуют обе руки, причем ампутация выше предплечья. Ученые расположили датчики на груди. Протезы подвижны, имеют широкий диапазон движений, но ограничены в скорости и удобстве управления, поскольку при помощи груди сложно управлять руками. 

Несмотря на технологичность существующих протезов, миру еще есть куда расти. Пациенты без руки или с парной ампутацией могут реабилитироваться и повысить диапазон действий с помощью протезов. Однако они все еще ограничены. Улучшить эти результаты можно с помощью нейропротезирования или нейросетей с увеличением количества биоэлектрических датчиков. 

Стоит отметить, что цена протезов остается высокой — от $20 000 до $100 000. Устройства пытаются сделать дешевле с помощью 3D-печати, но в ближайшее время это вряд ли будет заметно. До фантастики еще далеко, но эта отрасль робототехники не стоит на месте, поэтому можно надеяться на чудо в будущем.