Розбираємося в протезах рук: які бувають, як працюють і в чому їхні мінуси

24 вересня 2021, 18:00

У науковій фантастиці протези трапляються дуже часто, причому переважно їх яскраво описують як пристрої, які набагато краще за наші біологічні руки. Однак це звичайна помилка. Протези, що існують у реальному світі на сьогодні, далекі від справжньої заміни рук. Найчастіше вони є інструментом, який служить для простих дій.

Перш ніж розбиратися, що насправді можуть протези, які є на ринку і які бувають складнощі, треба розуміти типи наявної ампутації — пальців, кисті, передпліччя і плеча. Залежно від виду ампутації потрібен відповідний протез. Втрату пальців замінити найпростіше, а от з ампутацією передпліччя починаються серйозні проблеми.

Приводом для встановлення протеза можуть бути не лише аварії та інші інциденти, які призвели до ампутації кінцівок, а й різні вроджені мутації, що призводять до деформації якоїсь частини руки. На сьогодні існують три основні типи протезів:

тягові (механічні)
біоелектричні (засновані на роботі біоелектричних датчиків, найпередовіші)
косметичні

Сенс косметичних протезів криється в їхній назві — вони просто роблять ампутацію менш помітною, але не мають жодного функціоналу. Пацієнт з косметичним протезом щонайбільше може щось підтримати, але нічого з нормальних повсякденних дій.

Механічні протези

Тягові, або механічні, протези почалися зі сталевої руки німця Götz von Berlichingen — у неї був обмежений функціонал, але можна було тримати предмети і, можливо, писати пером. Керувати пристроєм потрібно було за допомогою кнопки, розташованої на тильній частині долоні.

З початком промислової революції протези почали вдосконалюватися і приходити до наявних напрацювань. Механічний протез — це каркас із множиною тросиків (тяг), які фіксуються на певні ділянки залишеної кінцівки. Завдяки зусиллю тросики натягуються, а протез рухається або згинається. Такі протези підходять за будь-якого типу ампутації, навіть за повної втрати руки.

Тягові протези краще підходять за ампутації плеча, ніж біоелектричні, через специфіку біоелектричних датчиків. Протез складається не лише з каркаса, гільзи і кисті, а також із троса, який кріпиться на здорове плече, завдяки чому і здійснюється керування протезом (згин і розгин кисті). Керування в ділянці ліктя можливе лише за рахунок здорової руки, або викидання протеза тулубом.

Основні переваги тягових протезів:

відсутність електроніки (це знижує вартість і збільшує стійкість до пошкоджень)
можливість встановлення за ампутації плеча
менша маса порівняно з біоелектричними

Однак у таких протезів є лише один тип хвату, тому вони призначені для якоїсь вузької функції, що не завжди корисно в побуті.

Біоелектричні протези

У біоелектричних протезів складніші принцип роботи і сама конструкція пристрою. Робота таких пристроїв ґрунтується на зчитуванні електричного потенціалу залишкових м’язів. Пояснюємо: ви ухвалюєте рішення, що потрібно поворухнути рукою; з мозку в спинний мозок надходить імпульс, який далі потрапляє до нервів, пов’язаних із м’язовим волокном; сигнал підсилюється і розходиться на певні групи м’язових волокон; один нерв може залучати кілька м’язових клітин.

У здоровій руці сигнал, припустімо, доходить до долоні, тому ви її стискаєте. Однак в ампутованій нижче ліктя руці сигнал іде «в нікуди», тобто розсіюється. За встановлення спеціальних датчиків, які реєструють сигнал до моменту розсіювання, його можна якось використати. Біоелектричні датчики не потрібно вживлювати в руку, достатньо просто надіти протез.

Після реєстрації сигнал потрапляє в процесор, де відбувається його обробка. До дії приводяться сервоприводи, після чого протез виконує якийсь рух. Сервоприводи — це невеликі рушійні установки, які можуть приймати сигнал, порівнювати його з даними програми і виконувати якийсь рух.

Перевага цих протезів над механічними полягає в електроніці. Можна запрограмувати рух сервоприводів і задати безліч різних типів хвату для протеза. Тягові способи можуть лише стиснути і розтиснути руку, а біоелектричні — жестикулювати, обертати зап'ястя та інше. У них є діапазон хватів від 18 до 22.

Однак ці хвати потрібно перемикати. Недостатньо просто захотіти зробити якийсь рух, щоб протез це виконав. Робота протеза прив'язана до датчиків, а зв'язку з мозком і мисленними процесами в них немає. Перемикатися можна за допомогою дисплея або кнопки на протезі, застосунку на телефоні. Як і з механічним протезом, потрібно постійно напружувати якусь частину м'язів для виконання хвату, що може втомлювати за тривалого використання.

У людини не буде можливості керувати кожним пальцем окремо, але можна виконувати рухи, закладені програмістами в код сервоприводів. Існує один тип протеза, що дозволяє керувати кожним пальцем окремо. Він працює за принципом ультразвукового сканування м'язів, але це лише поодинокий прототип.

Ампутація вище передпліччя і майбутнє

Складнощі з ампутацією вище передпліччя полягають у тому, що зчитувати сигнал там просто не з чого. Руки повністю немає, тому ніде розмістити датчики, але інженери знайшли дві лазівки:

Розробка компанії Ottobock під назвою DynamicArm. Гільза надівається туди, де має бути плече, і зчитує сигнал для керування. Згинання ліктя — один із варіантів хвату, також лікоть автоматично випрямляється під навантаженням.
Розробка університету Джонса Гопкінса. У пацієнта відсутні обидві руки, причому ампутація вище передпліччя. Вчені розташували датчики на грудях. Протези рухливі, мають широкий діапазон рухів, але обмежені у швидкості та зручності керування, оскільки за допомогою грудей складно керувати руками.

Попри технологічність наявних протезів, світу ще є куди рости. Пацієнти без руки або з парною ампутацією можуть реабілітуватися і підвищити діапазон дій за допомогою протезів. Однак вони все ще обмежені. Покращити ці результати можна за допомогою нейропротезування або нейромереж зі збільшенням кількості біоелектричних датчиків.

Варто зазначити, що ціна протезів залишається високою — від $20 000 до $100 000. Пристрої намагаються зробити дешевшими за допомогою 3D-друку, але найближчим часом це навряд чи буде помітно. До фантастики ще далеко, але ця галузь робототехніки не стоїть на місці, тому можна сподіватися на диво в майбутньому.