Протезы для человека, потерявшего руку или ногу, когда-то были всего лишь немного лучше, чем ничего. В нынешнем веке они превратились в высокотехнологичные устройства, которые дают своему обладателю способности, превосходящие возможности обычного человека.

С давних времен предметом черной зависти человека является способность некоторых земноводных отращивать утраченные конечности. К сожалению, мечта остается мечтой и пострадавшие на поле боя или в результате несчастных случаев люди вынуждены довольствоваться протезами, эволюционирующими одновременно с развитием используемых человеком технологий.

Экскурс в историю «деревянной ноги»

Самый древний из известных протезов – это протез большого пальца ноги, изготовленный из кожи и дерева между 1000 и 600 годами до н. э. Он принадлежал одной из мумий, обнаруженных во время раскопок древнеегипетских усыпальниц.

Вплоть до XIX века протезирование практически не прогрессировало, а протезы представляли собой лишь вариации на «пиратскую тему». В разные эпохи искусственные конечности изготавливали из различных материалов: дерева, гипса, бронзовых, металлических или серебряных пластин. При этом протезы ног неизменно доставляли массу неудобств своим владельцам, которым при каждом шаге приходилось описывать негнущейся ногой полукруг. Искусственные руки, как правило, представляли собой закрепляемую на культе гильзу, к которой прикрепляли инструмент, соответствующий роду деятельности человека: клещи, молот, боевой меч, неподвижную кисть в лайковой перчатке, или пресловутый пиратский крюк.

Рис. 1. Этому протезу почти 3000 лет.

В XIX веке врачи научились формировать культи, позволяющие прикреплять к ним более функциональные протезы. Сами протезы также усложнились, благодаря используемым при их изготовлении блокам, пружинам и различным механизмам они научились немного сгибаться. В результате деревянная нога уже не являлась абсолютным противопоказанием посещения балов. Протезы рук, форма которых варьировалась в зависимости от рода деятельности человека, позволяли не только зарабатывать себе на жизнь неквалифицированным трудом, но и писать, и даже тасовать карты. Особые сложности были связаны с изготовлением протезов для пациентов, руки которых ампутировали выше локтя. Работа с помощью такого протеза была возможна лишь при условии использования сложных, массивных и требующих больших физических усилий устройств.

Рис. 2. К искусственной руке можно приделать что-нибудь полезное.

Большинство изготавливаемых в настоящее время протезов также являются не имеющими связи с организмом механическими устройствами, действующими за счет силы самого пациента. По гибкости и функциональности они намного превосходят свои прототипы, но по-прежнему даже не приближаются к живым конечностям. Более того, некоторые пациенты ограничиваются абсолютно нефункциональными косметическими протезами, основной задачей которых является восстановление естественного внешнего вида.

Рис. 3. Деревянная нога американского производства.

Однако техническая революция ХХ века, совершившая переворот во многих сферах жизни человека, не обошла стороной и протезирование. В результате, при наличии желания и определенных финансовых возможностей, человек может подобрать себе протез, не только заменяющий утраченную конечность, но и предоставляющий ему определенные преимущества перед простыми смертными, одновременно выступая в роли ульра-экстравагантного аксессуара.

Научная фантастика или реальность?

Решающим прорывом в сфере протезирования было появление направления, получившего название «биомехатроника». Принципиальное отличие порожденных им протезов нового поколения, или «бионических» («биоэлектрических») протезов, от обычных заключается в их способности регистрировать электрические сигналы, вырабатываемые при сокращении мышц конечностей, к которым они крепятся, и совершать необходимые человеку движения. Благодаря последним достижениям робототехники функциональность таких протезов может даже превосходить возможности живых рук и ног. Некоторые из них можно дистанционно программировать на выполнение определенных манипуляций. Более того, подбираемый по желанию пациента дизайн искусственной руки или ноги может, благодаря имитирующему человеческую кожу силиконовому покрытию, обеспечивать практически полную маскировку увечья, либо привлекать всеобщее внимание к «человеку-киборгу».

Рис. 4. Искусственную руку не отличить от настоящей.

Самым последним достижением в области протезирования является разработка технологии остеоинтеграции – вживления протезов в кость. Основными преимуществами данной технологии является отсутствие риска натирания и травмирования культи, а также практически полный контроль над искусственной конечностью.

Рис. 5. Кот Оскар вовсю бегает на протезах.

В месте выхода наружу имплантируемые в кости фрагменты таких протезов покрывают специальным пористым материалом, не только имитирующим ткань, обеспечивающую соединение кости и мягких тканей, но и защищающим организм от проникновения инфекций. Однако, несмотря на все ухищрения, остеоинтеграция протезов на сегодняшний день все еще связана с высоким риском инфицирования и имеет статус экспериментальной. Пожалуй, самым знаменитым пациентом, быстро бегающим на остеоинтегрированных протезах, является кот Оскар, который, попав под комбайн, потерял обе задние лапы. Единственно удовольствие, которого Оскар лишился навсегда, – это способность лазить по деревьям.

Рис. 6. Некоторым нравится быть киборгами.

Протезы ног

Самыми популярными на сегодняшний день являются коленные модули C-Leg немецкой фирмы Otto Bock и Rheo Knee исландской компании Ossur. Основой обоих модулей является гидравлический привод с электромоторами, управляемый микропроцессором с помощью специального программного обеспечения. Питание всего устройства обеспечивает аккумуляторная батарея.

Рис. 7. Концептуальный протез «Immaculate» дизайнера Ганса Александра Хусклеппа.

Появившийся на рынке в 1997 году и уже ставший классикой модуль C-Leg (от «Computer Leg») гораздо более функционален, чем традиционные механические протезы. Он имеет три режима работы, переключаемые с помощью пульта дистанционного управления. Управляющий модулем микропроцессор обрабатывает поступающую с датчика давления информацию и корректирует работу гидравлической системы с частотой 50 раз в минуту. В результате человек может не только забыть об искусственной природе своей ноги во время пеших прогулок, но и без проблем подниматься по ступенькам и даже кататься на велосипеде.

Рис. 8. Появившийся на рынке в 1997 году протез C-Leg уже стал классикой.

Обладающий искусственным интеллектом электронный модуль Rheo Knee появился на рынке несколько позже – в 2006 году. Благодаря работе сложной сети датчиков и микропроцессора он самостоятельно изучает особенности походки и, регулируя уровень намагниченной жидкости в искусственном суставе, подстраивается под нее, обеспечивая своему владельцу дополнительный комфорт при ходьбе.

Рис. 9. XT-9 — протез для экстремалов.

Описанные коленные модули удовлетворяют потребности большинства пациентов, однако нельзя забывать и о существовании спортсменов-экстремалов, для которых даже ампутация ног не является убедительным доводом в пользу отказа от опасного хобби. Специально для таких индивидуумов американская копания Symbiotechs разработала свой единственный продукт – коленный модуль XT-9. Это устройство неудобно для ходьбы, но позволяет заниматься серфингом, альпинизмом, кататься на скейтборде, сноуборде, лыжах, ледовых и роликовых коньках, а также многое другое. Искусственное колено XT-9 выполняет функцию четырехглавой мышцы бедра, оно сгибается под создаваемым конечностью давлением, резервируя в специальной цилиндрической пружине и пневматическом амортизаторе большое количество энергии, которая расходуется при разгибании.

Рис. 10. Proprio Foot — первая появившаяся на рынке модель интеллектуального протеза ступни.

Описанные коленные модули удовлетворяют потребности большинства пациентов, однако нельзя забывать и о существовании спортсменов-экстремалов, для которых даже ампутация ног не является убедительным доводом в пользу отказа от опасного хобби. Специально для таких индивидуумов американская копания Symbiotechs разработала свой единственный продукт – коленный модуль XT-9. Это устройство неудобно для ходьбы, но позволяет заниматься серфингом, альпинизмом, кататься на скейтборде, сноуборде, лыжах, ледовых и роликовых коньках, а также многое другое. Искусственное колено XT-9 выполняет функцию четырехглавой мышцы бедра, оно сгибается под создаваемым конечностью давлением, резервируя в специальной цилиндрической пружине и пневматическом амортизаторе большое количество энергии, которая расходуется при разгибании.

Наиболее сложной задачей при разработке искусственной ноги оказалось создание полноценной с точки зрения функциональности ступни. Современные протезы ступней функционируют за счет сложных гидравлических систем, имитирующих положение ступни при стоянии, ходьбе, беге и т.п.

Первым появившимся на рынке интеллектуальным протезом ступни является модель Proprio Foot компании Ossur. Proprio Foot также самостоятельно изучает походку хозяина и всего лишь за 15 шагов подстраивается к ней.

Протезы рук

Бионические протезы рук появились на рынке гораздо позже описанных выше искусственных нижних конечностей. Основной причиной этого является сложность воссоздания мелкой моторики кистей. Судя по всему, прорыв в этой области стал возможен благодаря новому поколению разработчиков, выросших на научно-фантастической саге Джорджа Лукаса «Звездные войны», одному из главных героев которой – Люку Скайуокеру, – несмотря на утраченную кисть руки, удалось стать величайшим воином.

Доказательством этого является предлагаемый компанией Deka Research сверхсовременный протез Luke Arm («Рука Люка»). Это удивительное устройство не нуждается ни в аккумуляторах, ни в электромоторе, так как работает за счет миниатюрного ракетного двигателя, топливом для которого служит перекись водорода, при нагревании которой выделяется пар, открывающий и закрывающий клапаны, соединенные с суставами протеза.

Рис. 11. Luke Arm — разработка поколения «Звездных войн».

Еще одним чудом биомехатроники является искусственная рука SmartHand, разработанная международной группой ученых и впервые протестированная в 2009 году в университете Тель-Авива. Особенность данного протеза заключается в том, что, благодаря работе четырех электродвигателей и 40 датчиков, он не только имитирует движения руки человека, но и воспроизводит ощущения от прикосновения к объектам.

Рис. 12. Протез BeBionic управляется также и с пульта управления.

Еще одна из самых последний разработок – протез компании BeBionic – не только способна выполнять все посылаемые нервной системой команды, но и оснащена пультом дистанционного управления, с помощью которого пользователь может самостоятельно настраивать функции руки, регулировать силу сжатия пальцев и т.п.

Рис. 13. i-LIMB Hand – единственный бионический протез руки, поставленный на поток.

Однако единственным бионическим протезом руки, производство которого поставлено «на поток», является появившаяся на рынке в 2007 году искусственная рука i-LIMB Hand шотландской компании Touch Bionics и разработанный на год позже ее вариант ProDigits, применяемый для протезирования пальцев. Благодаря регистрирующему посылаемые мышцами нервные импульсы сенсору и миниатюрным электромоторам такие протезы имитируют множество функций человеческой руки. Появившаяся летом 2010 года последняя модификация протеза i-Limb Pulse, кроме усиленной конструкции, способной удерживать груз весом до 90 кг, и большей подвижности, отличается от более ранних моделей наличием Bluetooth, посредством которого движения протеза и параметры реакции на мышечные импульсы можно настраивать в зависимости от потребностей пациента.

Киборги среди нас

Одним из наиболее ярких персонажей, олицетворяющих современный этап протезирования, является родившаяся в 1976 году американка Айми Маллинс (Aimee Mullins), которой из-за врожденного заболевания в годовалом возрасте пришлось ампутировать обе ноги ниже колена. В студенческие годы девушка добилась выдающих результатов в соревнованиях по легкой атлетике, где она принимала участие наравне со здоровыми спортсменами. Она также выходила на подиум в качестве модели и снялась в нескольких фильмах. Однако ее известность обусловлена преимущественно тем, что всех своих достижений она добивалась на красивых ножках-протезах.

Рис. 14. Протезы легкоатлета и модели Айми Маллинс.

Нельзя не упомянуть и южно-африканского бегуна Оскара Писториуса (Oskar Pistorius), также в раннем детстве лишившегося обеих ног ниже колена. Благодаря фиброкарбоновым протезам особой конструкции он стал победителем многочисленных параолимпийских забегов. В январе 2008 года Писториусу было запрещено принимать участие в обычных соревнованиях, так как проведенная специалистами экспертиза показала, что протезы дают ему определенное преимущество перед обычными спортсменами. Однако 22-летний бегун не сдался, подал апелляцию и уже в мае 2008 года выиграл дело, после чего ему разрешили проходить отбор на Олимпийские игры 2008 года. К сожалению, Писториусу не удалось выполнить нормативы, однако он надеется принять участие в Олимпийских играх 2012 года в Лондоне.

Рис. 15. Протез для альпиниста.

Культовой личностью для пользователей протезов является американский альпинист, инженер-биофизик, доцент Массачусетского технологического института Хью Герр (Hugh Herr), которому в 1982 году в возрасте 17 лет ампутировали обе голени, отмороженные во время альпинистского восхождения. С тех пор он одержим созданием протезов нижних конечностей, по всем параметрам превосходящих настоящие ноги (он является одним из создателей упомянутого выше коленного модуля Rheo Knee). Герр является владельцем целого арсенала «ног» собственной разработки. В обычной жизни он пользуется протезами со спрятанными в туфлях пружинами из углеродного волокна, которые для утренних пробежек заменяет на длинные карбоновые дуги. Верный юношескому хобби Герр изобрел множество специальных альпинистских протезов, в том числе длинные алюминиевые протезы с небольшой резиновой стопой, превращающие его в гиганта ростом 2,1 м, протезы со стопой в виде алюминиевых когтей и клиновидные протезы-ледорубы из полиэтилена.

Рис. 16. Протез только помог Хью Герру заниматься скалолазанием.

Герр считает,

«…что людей с ограниченными возможностями не бывает, ограничены лишь возможности технологий».

Несомненно, он во многом прав, однако восхищаться последними технологиями протезирования все же лучше со стороны.

По материалам статьи Евгении Бузук.