Бионические части тела: как работают протезы

На перехват

Когда человек без руки хочет пошевелить пальцем, мозг генерирует соответствующий сигнал, который проходит по нервам, ведущим к мышцам конечности. Но, поскольку рука отсутствует, сигнал уходит «в пустоту». Но что, если где-то по пути он «перехватывает» нервные импульсы и на этой основе после анализа и обработки данных формирует команды для управления манипулятором? Именно на этом пути многочисленные научные группы стремятся разработать протезы, которые считывают нервные сигналы и преобразуют их в движения.

В Американском университете Хьюстона и Университете Райса проводились эксперименты по удалению сигналов двигательных нервов с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) с использованием электродов на коже черепа. Сложность в том, что ЭЭГ — это совокупность большого количества различных сигналов, и задача различения тех, которые контролируют движение конечности, аналогична поиску иголки в стоге сена.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге (Швеция) вместе с коллегами из консорциума NEBIAS (проект нескольких европейских университетов) пошли другим путем. Вместо того, чтобы размещать электроды на поверхности кожи, где сигнал очень громкий, ученые попытались уменьшить влияние помех, вшив электроды под кожу. Но физиология каждого человека индивидуальна и невозможно сказать заранее, где именно должны быть размещены электроды для максимального отношения сигнал / шум».

Насколько пациенты довольны результатами фаллопротезирования?

Когда имплант активируется, половой член становится твердым, как при естественной эрекции. В этом случае эрекция длится столько, сколько необходимо. Обычно оргазм, эякуляция и тактильные ощущения аналогичны ощущениям мужчины до имплантации. Следует отметить, что вопросы удовлетворенности имплантатами рассматриваются в ряде научных статей, а результаты этих исследований публикуются в медицинских журналах.

Примечательно, что авторы книги «Долгосрочная выживаемость и удовлетворенность пациентов надувными протезами полового члена для лечения эректильной дисфункции» отмечают, что общий уровень удовлетворенности пациентов в их исследовании составил 86,8%. Удовлетворенность жесткостью устройства получила наивысший балл (90,6%). Средний возраст мужчин и срок наблюдения составил 57,0 ± 12,2 года и 105,5 ± 64,0 месяцев соответственно.

Другое исследование, Почему мужчины довольны или недовольны имплантатами полового члена? «Смешанное исследование удовлетворенности имплантацией протеза полового члена» также показало высокий уровень удовлетворенности среди мужчин, перенесших имплантацию полового члена. Участники исследования — 47 мужчин с эректильной дисфункцией, перенесшие операцию. Операция в период с 2003 по 2012 год. Всем пациентам был проведен структурированный телефонный разговор. Во время интервью большинство мужчин (79%) заявили, что довольны результатами операции.

Перспективы рынка

По данным Quince Market Insights, глобальный рынок протезирования и ортопедии будет иметь среднегодовой темп роста 4,8% до 2030 года. Отрасль движется к полноценной замене рук. Илья Чех, сооснователь проекта «Моторика», считает, что в будущем люди перейдут к кибернетике. По его словам, киборгизация — это общее будущее человечества и следующий цикл технологической эволюции.

«Рынок долгое время был недооценен — ​​как с точки зрения венчурного капитала, так и с точки зрения технологий», — комментирует сложившуюся ситуацию Хлебников в интервью Skillbox Media. Он видит изменение ситуации в лучшую сторону: в мире много проектов, растет количество инвестиций и сделок M&A. «Отрасль стратегически важна для государства, поэтому они активно участвуют в ее развитии и создают программы поддержки», — говорит Хлебников.

По его словам, динамика роста рынка в России выше, чем в мире. Но в целом, по словам Хлебникова, российский рынок достаточно дефицитный, потому что более половины людей без рук не пользуются протезами — из-за недостаточно развитой инфраструктуры, финансовой и географической недоступности.

Советник IFC по инвестициям Олег Шупан видит в отрасли финансовые перспективы: «На рынке биотехнологий, фармацевтики и медицинского оборудования есть крупные игроки и стартапы с потенциалом роста. Недавний пример — рост немецкой компании BioNTech более чем на 100% с середины июля по 10 августа в процессе утверждения совместной вакцины с Moderna. Сегодня многие медицинские компании привлекательны на фоне COVID-19 и подобных угроз».

Руководитель акселератора MUIV.LAB, вице-президент по управлению клиентской политикой Московского университета. С.Ю. Витте Павел Бронфман:

Медтех-менеджмент считается одной из самых многообещающих инноваций на рынке. Из-за сложной сертификации, развития и масштабирования медицинский стартап — это долгосрочная игра. Рисковые инвесторы, которые сосредоточены на медицинском рынке, часто вкладывают средства только в него. Мы рассматриваем стартапы в области медицинских технологий с готовым продуктом, который мы можем порекомендовать в программе SkyDeck Accelerator при Университете Беркли. Эта программа направлена ​​на развитие высокотехнологичных проектов».

Индустрия также поддерживается новыми технологиями, продвигаемыми ее участниками. «Мы развиваем робототехнику, цифровое производство, обработку биологических сигналов и многие другие области. Один из них — Интернет вещей и различные облачные решения, которые улучшают пользовательский опыт и улучшают качество обслуживания. Мы создаем экосистему, которая оцифровывает путь пользователя к завершению реабилитации и повышает эффективность его общения с различными заинтересованными сторонами: врачами-реабилитологами, технической поддержкой, страховыми и благотворительными организациями », — говорит Василий Хлебников.

«Второе важное направление — это инвазивная микроэлектроника с технологией подключения электродов к нервной системе. Нейроинтерфейс коренным образом изменит систему управления бионической рукой, которая не менялась десятилетиями. А нейростимуляция сделает кибернетическую руку чувствительной: мы сможем передавать сигнал от датчиков в бионических пальцах и ладонях через микропроцессор непосредственно в нервную систему человека. В этом поможет электрод, подключенный к нерву в руке пользователя », — добавляет предприниматель

Сколько стоят бионические протезы (и почему так дорого)

По данным исследовательской компании Grand View Research, объем мирового рынка роботизированных протезов в 2016 году составил 790,8 миллиона долларов. Прогноз на 2025 год — 1,75 миллиарда долларов. Рынок растет благодаря развитию технологий, а также количеству ампутаций и их счету в НКО.

По данным американской аналитической компании Frost & Sullivan, средняя цена современного усовершенствованного протезирования колеблется от 5000 до 50 000 долларов.

Протез Bebionic стоит более 10 000 долларов, i-limb — от 60 000 до 120 000 долларов, бионический глаз Argus II — около 150 000 долларов.

В России бионическая рука будет стоить от 100 тысяч до 1,5 миллиона рублей.

Пока что протезирование не получило широкого распространения, и его разработка обходится довольно дорого, объединяя инженеров, биологов и врачей. При этом протезы создаются каждый раз индивидуально — рукав, к которому крепится бионическая рука или нога, должен идеально подходить по форме и размеру. Иногда для этого нужно создать несколько моделей, а тренировка и реабилитация занимают недели.

В большинстве случаев имплантаты оплачиваются страховой компанией или государством, например, в России. Но для этого необходимо пройти множество дел и медицинское обследование, а выбор моделей будет очень узким.

Возможно, ситуацию можно исправить с помощью 3D-печати: с ее помощью создают недорогое протезирование с учетом всех индивидуальных особенностей и декорируют по собственному вкусу. К тому же они очень легкие. Такой протез стоит до 10 тысяч долларов.

Как работает двухкомпонентный фаллопротез на примере имплантата системы AMS Ambicor

Состоящий из двух частей имплантат состоит из пары цилиндров, которые имплантируются в половой член, и насоса для физиологического раствора, который помещается в мошонку. Чтобы получить эрекцию, нужно сжать и разблокировать помпу. Жидкость переместится из резервуаров во внутренней части цилиндров, расположенных в ножках пещеристых тел, наружу, и пенис станет твердым. Для того, чтобы половой член вошел в состояние покоя, необходимо согнуть его у основания под углом 55-65 градусов и удерживать 6-12 секунд. Это вернет жидкость в резервуары, и пенис станет мягким.

Некоторые особенности двухкомпонентных имплантатов:

• Двухкомпонентные имплантаты полового члена не такие жесткие, как трехкомпонентные
• Двухкомпонентные имплантаты не такие мягкие в состоянии покоя по сравнению с трехкомпонентными имплантатами
• Двухкомпонентные фаллопротезы технически менее надежны, чем трехкомпонентные имплантаты
• Прокачка насоса двухкомпонентного протеза полового члена требует больше усилий, чем трехкомпонентная система имплантатов

Кто этим занимается

По данным Grand View Research, мировой рынок протезирования и ортопедии оценивается в 6,11 миллиарда долларов. И США здесь далеко не гегемония. Помимо американских компаний The Ohio Willow Wood Company и Ultraflex, Blatchford и Steeper из Великобритании хорошо себя проявляют шведская компания Fillauer, исландская Össur и немецкая компания Ottoblock.

Российские компании не одни из первых в мире, но они делают успехи в развитии: часть ноу-хау запатентована в России. Поэтому компания Motorica сделала сенсорные силиконовые кончики пальцев: владелец протеза может пользоваться смартфоном даже с помощью искусственной руки. Еще одно нововведение от российских инженеров — интегрированный в протез PayPass.

Протез Страдивари с функцией бесконтактной оплаты. Фотография: «Моторика»

Протезы Motorica — это гаджеты будущего во всех отношениях. Например, вы можете вставить в них SIM-карту и установить соединение между вами и службой техподдержки. SIM-карта отправляет информацию через GSM на специальные сертифицированные серверы для хранения медицинских данных. Врачи-реабилитологи отслеживают заряд аккумулятора и состояние машины и удаленно загружают обновления. Раньше о состоянии протеза можно было судить только по словам пациента.

«Цель компании — не только добиться функциональности руки, но и расширить ее», — говорит основатель «Моторики» Василий Хлебников.

«Моторика» делает все, чтобы люди не стеснялись своего протеза, а, наоборот, гордились им и относились к нему как к предмету искусства. Для этого была создана настоящая индивидуальная мастерская: художник создает визуальную обложку, работает с фактурой протеза и раскрашивает ее, чтобы он выглядел эффектно и привлекал внимание людей. Один из клиентов — 11-летний Филипп — был вдохновлен фильмом «Мстители: Война бесконечности». «Моторика» изготовила ему протез:

Протез Мстителя — копия перчатки Таноса. Фотография: «Моторика»

Компания также работает в сегменте люкс. Так, для одного клиента протез был полностью покрыт кристаллами Swarovski — потребовалось шесть тысяч камней.

важно, что не только бионические протезы могут быть функциональными и эстетичными. Максим Ляшко, соучредитель проекта бионического протеза MaxBionic, сейчас разрабатывает новый проект: Fadvis. Это косметические и функциональные протезы, которые, по его мнению, не уступают бионике.

Компания создала функциональный аксессуар для различных нужд пользователя. Вместо косметической щетки, например, можно носить протез для отжиманий, подтягиваний или плавания. Для работы с телефоном есть отдельная насадка.

Благодаря этому обычный косметический протез не уступает бионике и даже превосходит ее. С помощью насадки D-Clamp, например, вы можете тянуть штангу или поднимать тяжелые веса в повседневной жизни.

Сооснователь проектов MaxBionic и Fadvis Максим Ляшко:

«Основное ноу-хау — это наша концепция. В новой команде мы решили отойти от бионики. Они не имитировали сложную руку и ориентировались на максимальную практичность. У многих протезов есть проблема: их сложно снять и надеть; без запястья, которое быстро отрывается, трудно проскользнуть сквозь куртку. Мы сделали всю руку и ее отдельные элементы, такие как кисть, быстро съемными. Это делает протез максимально комфортным.

Мы также подумали о новом чехле: он обеспечит воздухопроницаемость и минимальное скольжение протеза. Будут и другие особенности, которых нет у других протезов. В производстве мы не используем твердые пластмассы, вместо них — резиноподобные материалы, резину и силикон. Преимущество в том, что их практически невозможно повредить.

Наконец, мы сделали модный дизайн в стиле киберпанк. Мы хотим, чтобы люди не прятали свой протез, а, наоборот, показывали его и гордились им как классным гаджетом».

Преимущества бионических протезов

Основа приложения. Он обеспечивает свободу движений, которая не может быть достигнута с использованием других типов протезов.
Функциональный. Например, современные бионические протезы рук позволяют делать 14 различных захватов с возможностью ощущать силу захвата. Функциональность таких протезов постоянно улучшается.
Дизайн. Сегодня для многих биопротезирование становится предметом гордости и самовыражения. Прошли те времена, когда люди пытались имитировать естественность и не выделяться из толпы.

Самые-самые: руки из Lego, ноги для спортсменов и супермоделей

В последние годы бионическое протезирование не только выполнило свою основную функцию, но стало чем-то большим: образом жизни, хобби и даже модным аксессуаром.

Hero Arm был разработан Open Bionics и Disney. Его придумали для детей, но им пользуются и взрослые. Каждая модель создается на основе комиксов, фильмов или популярных игр: «Железный человек», «Звездные войны», «Холодное сердце», Deus Ex, Хью Херр — профессор Массачусетского технологического института — с помощью двух поводков для протезирования ног ведет активный образ жизни и занимается скалолазанием. А также — он проводит исследования в области биомехатроники — технологии, сочетающей физиологию человека с электромеханикой. В 2011 году журнал Time назвал его «лидером бионической эры» Джейсона Барнса — барабанщика, который с помощью протезов руки играет на барабанах быстрее обычных людей. 19-летний Дэвид Агилар получил бионическую руку из частей Lego Лорен Вассер — «девушка с золотыми ногами», супермодель Vogue, которая стала еще более известной благодаря своим роскошным протезам. Певица Виктория Модеста вообще сделала бионическую ногу частью своего образа сценический образ

Всё ли так хорошо?

Несмотря на передовые разработки и творческий подход, на рынке есть типичные для России проблемы. Значительная доля сегодня контролируется ФГУП «Московское протезно-ортопедическое предприятие», которое находится в процессе реорганизации.

Проверка Счетной палаты выявила, что у компании есть проблемы с реализацией Программы деятельности. Так, по документам на 2017 год он выполнен полностью, а в действительности — всего на 75%. По мнению Счетной палаты, это может повлиять на качество услуг, предоставляемых гражданам. Кроме того, компания терпит убытки из-за резкого демпинга цен со стороны частных ритейлеров, которые предлагают цены значительно ниже, чем у компаний-производителей.

Сооснователь проектов MaxBionic и Fadvis Максим Ляшко:

«Госкомпаниям не хватает людей и финансов: ценные сотрудники ушли в частные компании или ушли в другие сферы. Производство нацелено на его удешевление: по этой причине не испытываются новые материалы и не создаются технологические продукты. Технологии, с которыми мы работаем пять-семь лет, только сейчас появляются.

Государственные предприятия делают это дешево, но не приспосабливаются к рынку. Они производят протезы с одним захватом, функциональность которых ниже, чем у более новых моделей.

Те, кто постарше, ходят к ним и особо не переживают. Молодые и активные люди обращаются в более продвинутые компании, предлагающие современные многозахватные модели. У них другой вид, система управления — все другое.

Что касается государственного рынка, проигрывая с точки зрения частной конкуренции, он имеет административный ресурс, который всегда можно использовать».

Компания Motorika идет по пути партнерства с государством. «Мы работаем с ФГУП« Московское протезно-ортопедическое предприятие ». В нашей компании полный цикл — от разработки до производства, мы выступаем поставщиками для предприятий, которые могут работать с нашими пользователями даже в самых удаленных уголках страны. Россия », — говорит основатель Motorica Василий Хлебников.

«В нашей отрасли нормальная государственная регулирующая система и хорошая система страхового покрытия для людей с ограниченными возможностями, но государственные и благотворительные фонды можно использовать более эффективно. Оцифровка поможет в этом. Наши экосистемные решения хорошо приняты участниками отрасли, в том числе государственными учреждениями. Мы уже запускаем пилотные проекты, которые в ближайшем будущем значительно улучшат отрасль », — добавляет Хлебников.

Фотография: «Моторика»

Кому этот бизнес по плечу?

Хорошая новость для производителей и тех, кто нуждается в протезах, заключается в том, что государственные субсидии могут полностью покрыть затраты. Благодаря этому частный рынок живет. «Еще мы выплачиваем компенсацию за немецкие протезы, стоимость которых составляет 4,5–5 миллионов рублей. Возместить покупку за счет государственных субсидий. По закону это возможно на 100%, — говорит Максим Ляшко. — Да, есть административные преграды: иногда нужно пройти полгода-год и пройти множество инстанций, чтобы доказать, что протез действительно нужен. Вопрос о готовности к борьбе».

Появление частного сектора потрясло сектор. Теперь действуют законы рынка. Компании запускают контекстный таргетинг и рекламу, размышляют о механизмах продаж. Motorica, например, продает протезы по подписке. «Стоимость начинается от 130 тысяч. С подпиской вы платите чуть больше 10 тысяч в месяц. Кто-то больше тратит на кофе, — говорит Василий Хлебников в интервью YouTube-каналу «Трансформер». — Детям очень удобно: через полгода они уже вырастают из протеза. Меняем втулку или заменяем полностью; если ребенок упал или поссорился, отправим его на ремонт».

«Моторика» предоставляет широкий спектр услуг: от медицинской подготовки к протезированию и оформления документов для участия в госпрограмме — до полного технического обслуживания после получения компьютерного плеча. Преимущество компании с высоким LTV в том, что взрослым приходится менять протез каждые 2–3 года, а детям — чаще, чем раз в год.

«Мы стремимся сделать каждого пользователя клиентом на всю жизнь. Мы прикладываем кибернетическую руку к ребенку с врожденным поражением в 2-3 года — а потом растем и развиваемся вместе с ним. По последним данным, около 83% клиентов возвращаются к нам за репродукциями протезов », — говорит соучредитель проекта Илья Чех в Skillbox Media.

Эволюция бионических протезов

Первые протезы появились более 3 тысяч лет назад в Древнем Египте. Это были деревянные пальцы ног, защищавшие от волдырей при ходьбе в сандалиях.

В 16 веке немецкий рыцарь Готфрид носил железную руку, пальцы которой сгибались при нажатии кнопки на ладони. Пишут, что с его помощью он даже мог писать ручкой.

В 18-19 веках в викторианской Англии существовали механические устройства, приводимые в движение рычагами и гибкими тросами. Протезы стали более функциональными, у них больше подвижных суставов, и эстетичнее: их форма все больше приближается к реальным конечностям. Некоторые даже были украшены тиснением или гравировкой.

В 20 веке протезы делали тяговые: чтобы согнуть или выпрямить конечность, нужно потянуть за рычаг. Легкие металлы и пластмассы вытесняют дерево и железо. В результате протезы становятся легкими — исчезает дисбаланс между травмированной и здоровой частью тела. Пластиковые модели также выглядели максимально реалистично, помогая владельцу справиться с ограничениями при ношении протеза.

Наконец, в 1958 году термин «бионика» был впервые использован: его ввел военный врач Джек Стил, занимавшийся медицинскими и аэрокосмическими исследованиями. Он исследовал природные процессы и структуры, а затем использовал их для военных разработок. В том же году был разработан первый в СССР микроэлектрический рычаг.

Вдохновленный исследованиями Стила, американский писатель-фантаст и авиационный эксперт Мартин Кайдин в 1972 году опубликовал книгу «Киборг», где впервые описал «бионических людей».

Первая бионическая рука в современном понимании этого слова была создана в 1993 году Джоном Кэмпбеллом. Его приводили в движение датчики, подключенные к мозгу и спрятанные под крышкой.

В 2007 году Canadian Touch Bionics представила i-limb, первый широко доступный бионический протез. Эта рука весила всего 25 кг, имела тонкие пальцы и открывала больше возможностей для развития мелкой моторики, от работы с мышью до завязывания шнурков. Протез устанавливается на розетку, легко поворачивается и откручивается.

В 2010 году BeBionic представила первый серийный протез на Международном конгрессе протезистов и ортопедов в Лейпциге. И первый широко доступный — Symbionic Leg — был выпущен в 2011 году исландским Össur. В 2013 году он интегрировал модель с микропроцессорным управлением: теперь протез адаптирован к походке своего владельца.

Компания Össur, основанная в 1971 году, стала одним из лидеров рынка, с 2000 года она приобрела 16 крупнейших производителей и стартапов. В 2019 году ее капитализация составила более 450 миллионов долларов.

Следующим шагом стали протезы, управляемые мозгом. В 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) испытало это во время полета на авиасимуляторе F-35: им управляла парализованная женщина с помощью механических рук.

В 2018 году появились первые глазные протезы: Argus II. Помогает частично восстановить зрение за счет электростимуляции оставшихся клеток.

Современные протезы используют разработки робототехники, они способны имитировать отдельные жесты, передавать тактильные ощущения. Наконец, экзоскелеты — это переходная фаза: они не заменяют утраченные органы, а интегрируются, расширяя возможности человека. С их помощью люди без физической подготовки могут поднимать тяжести, а парализованные — двигаться.

Как работает трехкомпонентный фаллопротез на примере имплантата системы AMS 700

Система из трех частей AMS-700 состоит из пары цилиндров, которые имплантируются в половой член, насоса (помпы), который помещается в мошонку, и резервуара с физиологическим раствором, расположенного в нижней части живота. Чтобы активировать состояние эрекции, необходимо сжать и выпустить помпу в мошонку, жидкость из резервуара переместится в цилиндры, сделав их твердыми. Чтобы половой член стал мягким, необходимо нажать кнопку на насосном агрегате на 10-15 секунд — половой член вернется в естественное мягкое состояние.

Некоторые особенности трехкомпонентных имплантатов:

• Менее жесткий насос облегчает надувание, чем устройство, состоящее из двух частей, но требует большей ловкости для надувания
• Поскольку протез создает минимальное давление на ткани полового члена, когда он не используется, чрезмерное давление цилиндров на белочную оболочку головки полового члена менее вероятно
• Система из трех частей обеспечивает максимальную мягкость цилиндров полового члена, когда протез не используется, что более комфортно для пациента

Рис.: Использование трехкомпонентного протеза полового члена AMS

Активация эрекции в случае двух- и трехкомпонентного протеза в среднем занимает от 30 до 60 секунд, и примерно столько же занимает обратный процесс. Многие мужчины, живущие с этим типом протеза, замечают, что половой член в спокойном состоянии выглядит максимально естественно и не мешает их привычному образу жизни.

Читайте также: Антицеллюлитный массаж: виды, особенности, противопоказания