В медицине протез ( мн. ч .: протезы ; от древнегреческого : πρόσθεσις , романизированного : prósthesis , букв. « добавление, приложение, прикрепление») [1] или протезный имплантат [2] [ 3] — это искусственное устройство, которое заменяет отсутствующую часть тела, которая может быть утрачена в результате физической травмы , болезни или состояния, присутствующего при рождении ( врожденное расстройство ). Протезы предназначены для восстановления нормальных функций отсутствующей части тела. [4] Человека, перенесшего ампутацию, иногда называют ампутантом , однако этот термин может быть оскорбительным. [5] Реабилитация для человека с ампутацией в первую очередь координируется физиотерапевтом как частью междисциплинарной команды, состоящей из физиотерапевтов, протезистов, медсестер, физиотерапевтов и специалистов по трудотерапии. [6] Протезы можно создавать вручную или с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР), программного интерфейса, который помогает создателям проектировать и анализировать творение с помощью компьютерной 2D и 3D графики, а также инструментов анализа и оптимизации. [7]
Протез человека должен быть спроектирован и собран в соответствии с его внешним видом и функциональными потребностями. Например, человеку может понадобиться трансрадиальный протез, но ему нужно будет выбрать между эстетическим функциональным устройством, миоэлектрическим устройством, устройством с питанием от тела или устройством, специфичным для определенной деятельности. Будущие цели человека и его экономические возможности могут помочь ему выбрать одно или несколько устройств.
Черепно-лицевые протезы включают внутриротовые и внеротовые протезы. Внеротовые протезы далее делятся на гемифациальные, аурикулярные (ушные), носовые, глазничные и глазные . Внутриротовые протезы включают зубные протезы , такие как зубные протезы , обтураторы и зубные имплантаты .
Протезы шеи включают заменители гортани , трахеи и верхней части пищевода ,
Соматопротезы туловища включают протезы молочной железы , которые могут быть как одинарными, так и двусторонними, устройства для полной груди или протезы сосков .
Протезы полового члена используются для лечения эректильной дисфункции , исправления деформации полового члена , проведения фаллопластики у цисгендерных мужчин и для создания нового полового члена при операциях по смене пола с женского на мужской .
Протезы конечностей включают протезы как верхних, так и нижних конечностей.
Протезы верхних конечностей используются при различных уровнях ампутации: передняя четверть, экзартикуляция плеча, трансхумеральный протез, экзартикуляция локтя, трансрадиальный протез, экзартикуляция запястья, полная кисть, частичная кисть, палец, частичный палец. Трансрадиальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет руку, отсутствующую ниже локтя.
Протезы верхних конечностей можно разделить на три основные категории: пассивные устройства, устройства с питанием от тела и устройства с внешним питанием (миоэлектрические). Пассивные устройства могут быть либо пассивными руками, в основном используемыми в косметических целях, либо пассивными инструментами, в основном используемыми для определенных видов деятельности (например, досуга или профессиональной деятельности). Подробный обзор и классификацию пассивных устройств можно найти в обзоре литературы Маата и др. [8] Пассивное устройство может быть статическим, то есть устройство не имеет подвижных частей, или оно может быть регулируемым, то есть его конфигурацию можно регулировать (например, регулируемое раскрытие руки). Несмотря на отсутствие активного хватания, пассивные устройства очень полезны при выполнении бимануальных задач, требующих фиксации или поддержки объекта, или для жестикуляции в социальном взаимодействии. Согласно научным данным, треть людей с ампутированными верхними конечностями во всем мире используют пассивный протез руки. [8] Конечности с питанием от тела или тросовые конечности работают путем прикрепления ремня и троса вокруг противоположного плеча поврежденной руки. Недавний подход с питанием от тела исследовал использование дыхания пользователя для питания и управления протезной рукой, чтобы помочь устранить кабель и жгут привода. [9] [10] [11] Третья категория доступных протезных устройств включает миоэлектрические руки. Этот конкретный класс устройств отличается от предыдущих из-за включения системы батарей. Эта батарея выполняет двойную функцию: обеспечивает энергией как компоненты приведения в действие, так и сенсорные компоненты. В то время как приведение в действие в основном зависит от моторных или пневматических систем, [12] были исследованы различные решения для захвата мышечной активности, включая такие методы, как электромиография , сономиография, миокинетика и другие. [13] [14] [15] Эти методы функционируют путем обнаружения мельчайших электрических токов, генерируемых сокращенными мышцами во время движения верхней части руки , как правило, с использованием электродов или других подходящих инструментов. Впоследствии эти полученные сигналы преобразуются в схемы захвата или позы, которые затем будет выполнять искусственная рука.
В протезной промышленности трансрадиальный протез руки часто называют «BE» или протезом ниже локтя.
Протезы нижних конечностей обеспечивают замену на разных уровнях ампутации. К ним относятся экзартикуляция бедра , трансфеморальный протез, экзартикуляция колена, транстибиальный протез, ампутация Сайма, стопа, частичная стопа и палец ноги. Две основные подкатегории протезов нижних конечностей — транстибиальные (любая ампутация, пересекающая большеберцовую кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту большеберцовой кости) и трансфеморальные (любая ампутация, пересекающая бедренную кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту бедренной кости). [ необходима цитата ]
Трансфеморальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет ногу, отсутствующую выше колена. Людям с трансфеморальной ампутацией может быть очень трудно восстановить нормальное движение. В целом, человеку с трансфеморальной ампутацией приходится использовать примерно на 80% больше энергии для ходьбы, чем человеку с двумя целыми ногами. [16] Это связано со сложностями движения, связанными с коленом. В более новых и более совершенных конструкциях используются гидравлика, углеродное волокно, механические связи, двигатели, компьютерные микропроцессоры и инновационные комбинации этих технологий, чтобы предоставить пользователю больше контроля. В протезной промышленности трансфеморальный протез ноги часто называют «АК» или протезом выше колена.
Транстибиальный протез — это искусственная конечность, которая заменяет ногу, отсутствующую ниже колена. Человек с транстибиальной ампутацией обычно может восстановить нормальное движение быстрее, чем человек с трансфеморальной ампутацией, во многом благодаря сохранению колена, что обеспечивает более легкое движение. Протезирование нижних конечностей описывает искусственно замененные конечности, расположенные на уровне бедра или ниже. В протезной отрасли транстибиальный протез ноги часто называют «BK» или протезом ниже колена.
Протезы изготавливаются и устанавливаются клиническими протезистами. Протезисты — это специалисты в области здравоохранения, ответственные за изготовление, установку и регулировку протезов, а для протезов нижних конечностей они будут оценивать как походку, так и выравнивание протеза. После того, как протез будет установлен и отрегулирован протезистом, реабилитационный физиотерапевт (в Америке его называют физиотерапевтом) поможет научить нового пользователя протеза ходить с протезом ноги. Для этого физиотерапевт может давать устные инструкции, а также может помогать человеку с помощью прикосновений или тактильных сигналов. Это можно делать в клинике или дома. Есть некоторые исследования, предполагающие, что такое обучение дома может быть более успешным, если лечение включает использование беговой дорожки. [17] Использование беговой дорожки, наряду с физиотерапевтическим лечением, помогает человеку испытать многие из проблем ходьбы с протезом.
В Соединенном Королевстве 75% ампутаций нижних конечностей выполняются из-за недостаточного кровообращения (дисваскуляризации). [18] Это состояние часто связано со многими другими заболеваниями ( сопутствующими заболеваниями ), включая диабет и заболевания сердца , которые могут усложнить восстановление и использование протеза конечности для восстановления подвижности и независимости. [18] Для людей с недостаточным кровообращением и потерей нижней конечности нет достаточных доказательств из-за отсутствия исследований, чтобы информировать их о выборе подходов к протезной реабилитации. [18]
.jpg/1280px-Replacement_surgery_-_Shoulder_total_hip_and_total_knee_replacement_--_Smart-Servier_(cropped).jpg)
Протезы нижних конечностей часто классифицируются по уровню ампутации или по имени хирурга: [19] [20]
Протезы сделаны легкими для большего удобства для ампутантов. Некоторые из этих материалов включают:
Колесные протезы также широко использовались при реабилитации травмированных домашних животных, включая собак, кошек, свиней, кроликов и черепах. [21]
Протезирование берет свое начало на древнем Ближнем Востоке около 3000 г. до н. э., причем самые ранние свидетельства о протезировании появились в Древнем Египте и Иране . Самое раннее зарегистрированное упоминание о глазном протезировании содержится в египетской истории о Глазе Гора, датируемой около 3000 г. до н. э., в которой говорится о том, что левый глаз Гора был вырван, а затем восстановлен Тотом . Около 3000-2800 гг. до н. э. самые ранние археологические свидетельства о протезировании были найдены в Древнем Иране, где глазной протез был найден захороненным вместе с женщиной в Шахри-Шохте . Он, вероятно, был сделан из битумной пасты, покрытой тонким слоем золота. [22] Египтяне также были ранними пионерами протезирования ног, о чем свидетельствует деревянный палец ноги, найденный на теле из Нового царства около 1000 г. до н. э. [23] Еще одно раннее текстовое упоминание найдено в Южной Азии около 1200 г. до н. э., в нем упоминается царица-воительница Вишпала в Ригведе . [24] Также были найдены римские бронзовые короны , но их использование могло быть скорее эстетическим, чем медицинским. [25]
Одно из первых упоминаний о протезах встречается у греческого историка Геродота , который рассказывает историю о Гегесистрате , греческом прорицателе , который, чтобы спастись от спартанских пленителей , отрезал себе ногу и заменил ее деревянной. [26]
.jpg/1280px-Iron_artificial_arm,_1560-1600._(9663806794).jpg)
Плиний Старший также записал историю о римском полководце Марке Сергии , чья правая рука была отрезана во время похода, и ему сделали железную руку , чтобы держать щит, чтобы он мог вернуться в бой. Известным и довольно изысканным [28] историческим протезом руки был протез Гётца фон Берлихингена , изготовленный в начале XVI века. Однако первое подтвержденное использование протеза относится к периоду с 950 по 710 год до нашей эры. В 2000 году патологоанатомы обнаружили мумию этого периода, похороненную в египетском некрополе недалеко от древних Фив, у которой был искусственный большой палец ноги. Этот палец, состоящий из дерева и кожи, имел следы использования. Когда его воспроизвели биомеханические инженеры в 2011 году, исследователи обнаружили, что этот древний протез позволял своему владельцу ходить как босиком, так и в сандалиях в египетском стиле. Ранее самым ранним обнаруженным протезом была искусственная нога из Капуи . [29]
Примерно в то же время Франсуа де ла Ну , как сообщается, также имел железную руку, как и в 17 веке Рене-Робер Кавалье де ла Саль . [30] У Анри де Тонти был протезный крюк вместо руки. В Средние века протезирование оставалось довольно простым по форме. Ослабленным рыцарям устанавливали протезы, чтобы они могли держать щит, сжимать копье или меч или стабилизировать конного воина. [31] Только богатые могли позволить себе что-либо, что помогало бы в повседневной жизни. [32]
Один из примечательных протезов принадлежал итальянцу, который, по оценкам ученых, заменил свою ампутированную правую руку ножом. [33] [34] Ученые, исследовавшие скелет, найденный на кладбище лонгобардов в Повельяно-Веронезе , пришли к выводу, что мужчина жил где-то между VI и VIII веками нашей эры. [35] [34] Материалы, найденные рядом с телом мужчины, позволяют предположить, что протез ножа был прикреплен с помощью кожаного ремня, который он неоднократно затягивал зубами. [35]
В эпоху Возрождения протезирование развивалось с использованием железа, стали, меди и дерева. Функциональное протезирование начало появляться в 1500-х годах. [36]
Итальянский хирург зафиксировал существование ампутанта, у которого была рука, которая позволяла ему снимать шляпу, открывать сумочку и расписываться. [37] Улучшение в хирургии ампутации и протезировании произошло благодаря Амбруазу Паре . Среди его изобретений было устройство выше колена, представлявшее собой колено-коленный протез ноги и стопы с фиксированным положением, регулируемой подвеской и управлением коленным фиксатором. Функциональность его достижений показала, как может развиваться будущее протезирование.
Другие важные усовершенствования до современной эпохи:
В конце Второй мировой войны NAS (Национальная академия наук) начала выступать за улучшение исследований и разработок в области протезирования. Благодаря государственному финансированию была разработана программа исследований и разработок в армии, флоте, военно-воздушных силах и администрации ветеранов.
После Второй мировой войны команда Калифорнийского университета в Беркли, включающая Джеймса Фоорта и К. В. Рэдклиффа, помогла разработать четырехстороннее гнездо, разработав систему установки зажима для ампутаций выше колена. Технология гнезд для нижних конечностей пережила дальнейшую революцию в 1980-х годах, когда Джон Саболич CPO изобрел гнездо Contoured Adducted Trochanteric-Controlled Alignment Method (CATCAM), которое позже превратилось в гнездо Sabolich. Он последовал направлению Ивана Лонга и Оссура Кристенсена, когда они разработали альтернативы четырехстороннему гнезду, которое, в свою очередь, последовало за гнездом с открытым концом, созданным из дерева. [40] Прогресс был обусловлен разницей в модели контакта гнезда с пациентом. До этого гнезда изготавливались в форме квадрата без специального удерживания для мышечной ткани. Таким образом, новые конструкции помогают зафиксировать костную анатомию, фиксируя ее на месте и равномерно распределяя вес по существующей конечности, а также мускулатуре пациента. Седалищное удержание хорошо известно и используется сегодня многими протезистами для помощи в уходе за пациентами. Таким образом, существуют вариации гнезда седалищного удержания, и каждое гнездо подбирается под конкретные потребности пациента. Другие, кто внес вклад в развитие гнезда и изменения на протяжении многих лет, включают Тима Стаатса, Криса Хойта и Фрэнка Готтшалка. Готтшалк оспаривал эффективность гнезда CAT-CAM, настаивая на том, что хирургическая процедура, проводимая хирургом-ампутатором, была наиболее важной для подготовки ампутанта к хорошему использованию протеза с любой конструкцией гнезда. [41]
Первые протезы колена с микропроцессорным управлением появились в начале 1990-х годов. Интеллектуальный протез был первым коммерчески доступным протезом колена с микропроцессорным управлением. Он был выпущен компанией Chas. A. Blatchford & Sons, Ltd. из Великобритании в 1993 году и сделал ходьбу с протезом более естественной. [42] Улучшенная версия была выпущена в 1995 году под названием Intelligent Prosthesis Plus. Blatchford выпустила еще один протез, Adaptive Prosthesis, в 1998 году. Адаптивный протез использовал гидравлическое управление, пневматическое управление и микропроцессор, чтобы обеспечить ампутантам походку, которая была более чувствительна к изменениям скорости ходьбы. Анализ затрат показывает, что сложный протез выше колена будет стоить около 1 миллиона долларов через 45 лет, учитывая только ежегодные корректировки стоимости жизни. [43]
В 2019 году был запущен проект AT2030, в котором индивидуальные розетки изготавливаются с использованием термопластика, а не с помощью гипсовой повязки. Это быстрее и значительно дешевле. Розетки получили название розеток Amparo Confidence. [44] [45]
В 2005 году DARPA запустило программу Revolutionizing Prosthetics. [46] [47] [48] [49] [50] [51] По данным DARPA, целью программы стоимостью 100 миллионов долларов была «разработка усовершенствованного электромеханического протеза верхней конечности с почти естественным управлением, который значительно повысил бы независимость и качество жизни людей с ампутированными конечностями». [52] [53] В 2014 году рука LUKE, разработанная Дином Каменом и его командой в DEKA Research and Development Corp., стала первым протезом руки, одобренным FDA, который «транслирует сигналы от мышц человека для выполнения сложных задач», согласно FDA. [53] [54] Университет Джонса Хопкинса и Министерство по делам ветеранов США также приняли участие в программе. [53] [55]
Существует много этапов в эволюции тенденций дизайна протезов, которые движутся вперед со временем. Многие тенденции дизайна указывают на более легкие, прочные и гибкие материалы, такие как углеродное волокно, силикон и передовые полимеры. Они не только делают протезную конечность более легкой и прочной, но и позволяют ей имитировать внешний вид и ощущение натуральной кожи, предоставляя пользователям более комфортные и естественные ощущения. [56] Эта новая технология помогает пользователям протезов смешиваться с людьми с нормальными связками, чтобы уменьшить стигматизм для людей, которые носят протезы. Другая тенденция указывает на использование бионики и миоэлектрических компонентов в дизайне протезов. Эти конечности используют датчики для обнаружения электрических сигналов от остаточных мышц пользователя. Затем сигналы преобразуются в движения, позволяя пользователям управлять своими протезными конечностями с помощью собственных мышечных сокращений. Это значительно улучшило диапазон и плавность движений, доступных для ампутантов, делая такие задачи, как хватание предметов или естественная ходьба, гораздо более выполнимыми. [56] Интеграция с ИИ также находится на переднем крае протезного дизайна. Протезные конечности с поддержкой ИИ могут обучаться и адаптироваться к привычкам и предпочтениям пользователя с течением времени, обеспечивая оптимальную функциональность. Анализируя походку, хват и другие движения пользователя, эти умные конечности могут вносить коррективы в режиме реального времени, обеспечивая более плавные и естественные движения. [56]
Протез — это функциональная замена ампутированной или врожденно деформированной или отсутствующей конечности. Протезисты отвечают за назначение, проектирование и управление протезным устройством.
В большинстве случаев протезист начинает с того, что снимает гипсовый слепок с пораженной конечности пациента. Легкие, высокопрочные термопластики изготавливаются по индивидуальному заказу для этой модели пациента. Современные материалы, такие как углеродное волокно, титан и кевлар, обеспечивают прочность и долговечность, одновременно делая новый протез легче. Более сложные протезы оснащены передовой электроникой, что обеспечивает дополнительную устойчивость и контроль. [57]
За эти годы в области искусственных конечностей произошли определенные успехи. Новые пластмассы и другие материалы, такие как углеродное волокно , позволили искусственным конечностям стать прочнее и легче, ограничив количество дополнительной энергии, необходимой для работы конечности. Это особенно важно для людей с трансфеморальной ампутацией. Дополнительные материалы позволили искусственным конечностям выглядеть гораздо более реалистично, что важно для людей с трансрадиальной и трансхумеральной ампутацией, поскольку у них больше вероятность того, что искусственная конечность будет обнажена. [58]
В дополнение к новым материалам, использование электроники стало очень распространенным в искусственных конечностях. Миоэлектрические конечности, которые управляют конечностями, преобразуя движения мышц в электрические сигналы, стали гораздо более распространенными, чем конечности, управляемые кабелем. Миоэлектрические сигналы улавливаются электродами, сигнал интегрируется, и как только он превышает определенный порог, срабатывает сигнал управления протезной конечностью, поэтому по своей сути все миоэлектрические элементы управления запаздывают. Напротив, кабельное управление является немедленным и физическим, и благодаря этому обеспечивает определенную степень прямой обратной связи по силе, чего не делает миоэлектрическое управление. Компьютеры также широко используются в производстве конечностей. Компьютерное проектирование и компьютерное производство часто используются для помощи в проектировании и производстве искусственных конечностей. [58] [59]
Большинство современных искусственных конечностей крепятся к остаточной конечности (культе) ампутанта с помощью ремней и манжет или присоски . Остаточная конечность либо напрямую вставляется в гнездо на протезе, либо — что более распространено сегодня — используется вкладыш, который затем фиксируется в гнезде либо вакуумом (присоски), либо штифтовым замком. Вкладыши мягкие, и благодаря этому они могут создавать гораздо лучшую присасывающую посадку, чем жесткие гнезда. Силиконовые вкладыши можно получить стандартных размеров, в основном с круглым поперечным сечением, но для любой другой формы остаточной конечности можно изготовить индивидуальные вкладыши. Гнездо изготавливается на заказ, чтобы соответствовать остаточной конечности и распределять силы искусственной конечности по всей области остаточной конечности (а не только по одному маленькому пятну), что помогает уменьшить износ остаточной конечности.
Изготовление протезной гильзы начинается с захвата геометрии остаточной конечности, этот процесс называется захватом формы. Целью этого процесса является создание точного представления остаточной конечности, что имеет решающее значение для достижения хорошей посадки гильзы. [60] Индивидуальная гильза создается путем снятия гипсового слепка остаточной конечности или, что чаще встречается сегодня, подкладки, надетой на остаточную конечность, а затем изготовления формы из гипсового слепка. Обычно используемый состав называется гипсом. [61] В последние годы были разработаны различные цифровые системы захвата формы, которые могут быть введены непосредственно в компьютер, что позволяет создавать более сложную конструкцию. В целом, процесс захвата формы начинается с цифрового получения трехмерных (3D) геометрических данных с остаточной конечности ампутанта. Данные получаются с помощью зонда, лазерного сканера, сканера структурированного света или фотографической системы 3D-сканирования. [62]
После захвата формы вторая фаза производства гнезда называется ректификацией, которая представляет собой процесс модификации модели остаточной конечности путем добавления объема к костным выступам и потенциальным точкам давления и удаления объема из области нагрузки. Это можно сделать вручную, добавив или удалив гипс к позитивной модели, или виртуально, манипулируя компьютеризированной моделью в программном обеспечении. [63] Наконец, изготовление протезной гильзы начинается после того, как модель была ректифицирована и завершена. Протезисты обернут позитивную модель полурасплавленным пластиковым листом или углеродным волокном, покрытым эпоксидной смолой, чтобы построить протезную гильзу. [60] Для компьютеризированной модели ее можно напечатать на 3D-принтере с использованием различных материалов с различной гибкостью и механической прочностью. [64]
Оптимальная посадка гнезда между остаточной конечностью и гнездом имеет решающее значение для функционирования и использования всего протеза. Если посадка между остаточной конечностью и креплением гнезда слишком свободная, это уменьшит площадь контакта между остаточной конечностью и гнездом или подкладкой и увеличит карманы между кожей остаточной конечности и гнездом или подкладкой. Тогда давление будет выше, что может быть болезненным. Воздушные карманы могут позволить поту скапливаться, что может смягчить кожу. В конечном итоге, это является частой причиной зудящих кожных высыпаний. Со временем это может привести к разрушению кожи. [16] С другой стороны, очень плотная посадка может чрезмерно увеличить давление интерфейса, что также может привести к разрушению кожи после длительного использования. [65]
Искусственные конечности обычно изготавливаются с использованием следующих этапов: [58]
Современные технологии позволяют весить руки, приводимые в действие силой тела, примерно в половину или в треть от веса миоэлектрической руки.
Современные руки с приводом от тела содержат гнезда, которые сделаны из твердой эпоксидной смолы или углеродного волокна. Эти гнезда или «интерфейсы» можно сделать более удобными, выстелив их более мягким, сжимаемым пенопластовым материалом, который обеспечивает прокладку для выступов костей. Самоподвешивающаяся или надмыщелковая конструкция гнезда полезна для тех, у кого отсутствует локоть на короткой или средней дистанции. Более длинные конечности могут потребовать использования внутреннего вкладыша с замком на роликах или более сложной упряжи, чтобы помочь усилить подвеску.
Запястные узлы представляют собой либо винтовые соединители с резьбой UNF 1/2-20 (США), либо быстроразъемные соединители, которые выпускаются в различных моделях.
Существуют два типа систем, приводимых в действие телом: произвольное открытие "pull to open" и произвольное закрытие "pull to close". Практически все протезы "split hook" работают с системой произвольного открытия.
Более современные «прехенсоры», называемые GRIPS, используют системы произвольного закрытия. Различия существенны. Пользователи систем произвольного открытия полагаются на эластичные ленты или пружины для силы захвата, в то время как пользователи систем произвольного закрытия полагаются на собственную силу и энергию тела для создания силы захвата.
Пользователи с произвольным закрытием могут генерировать силу захвата, эквивалентную обычной руке, до или более ста фунтов. Для произвольного закрытия GRIPS требуется постоянное напряжение для захвата, как для человеческой руки, и в этом отношении они приближаются к производительности человеческой руки. Пользователи с произвольным открытием раздельных крючков ограничены силами, которые могут генерировать их резина или пружины, что обычно составляет менее 20 фунтов.
Дополнительное отличие заключается в созданной биологической обратной связи, которая позволяет пользователю «чувствовать», что удерживается. Системы произвольного открытия, будучи задействованными, обеспечивают удерживающую силу, так что они действуют как пассивные тиски на конце руки. Никакой обратной связи по захвату не обеспечивается, как только крючок сомкнулся вокруг удерживаемого объекта. Системы произвольного закрытия обеспечивают прямо пропорциональный контроль и биологическую обратную связь, так что пользователь может чувствовать, какую силу он прикладывает.
В 1997 году колумбийский профессор Альваро Риос Поведа , исследователь бионики в Латинской Америке , разработал протез верхней конечности и руки с сенсорной обратной связью . Эта технология позволяет пациентам с ампутированными конечностями управлять протезными системами рук более естественным образом. [66]
Недавнее исследование показало, что, стимулируя срединный и локтевой нервы, согласно информации, предоставленной искусственными датчиками протеза руки, физиологически соответствующая (почти естественная) сенсорная информация может быть предоставлена человеку с ампутированной конечностью. Эта обратная связь позволила участнику эффективно модулировать силу захвата протеза без визуальной или слуховой обратной связи. [67]
В феврале 2013 года исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии и Высшей школы Святой Анны в Италии имплантировали электроды в руку человека с ампутированной конечностью, что дало пациенту сенсорную обратную связь и позволило управлять протезом в режиме реального времени. [68] Благодаря проводам, связанным с нервами в верхней части руки, датский пациент смог брать предметы в руки и мгновенно получать осязание через специальную искусственную руку, созданную Сильвестро Мичерой и исследователями из Швейцарии и Италии. [69]
В июле 2019 года эта технология была расширена еще больше исследователями из Университета Юты во главе с Джейкобом Джорджем. Группа исследователей имплантировала электроды в руку пациента, чтобы составить карту нескольких сенсорных предписаний. Затем они стимулировали каждый электрод, чтобы выяснить, как срабатывает каждое сенсорное предписание, а затем приступили к картированию сенсорной информации на протезе. Это позволило бы исследователям получить хорошее приближение к той же информации, которую пациент получил бы от своей естественной руки. К сожалению, рука слишком дорога для приобретения среднестатистическим пользователем, однако Джейкоб упомянул, что страховые компании могли бы покрыть расходы на протез. [70]
Конечные устройства содержат ряд крючков, захватов, рук и других устройств.
Системы с самораскрывающимися крючками просты, удобны, легки, прочны, универсальны и относительно доступны по цене.
Крюк не сравнится с обычной человеческой рукой по внешнему виду или общей универсальности, но его материальные допуски могут превосходить и превосходить обычные человеческие руки по механической нагрузке (крюк можно использовать даже для того, чтобы вскрывать коробки или использовать в качестве молотка, тогда как с обычной рукой то же самое невозможно), по термической стабильности (крюком можно хватать предметы из кипящей воды, переворачивать мясо на гриле, держать спичку, пока она полностью не сгорит) и по химической опасности (поскольку металлический крюк выдерживает воздействие кислот или щелочей и не реагирует на растворители, как протезная перчатка или человеческая кожа).
Протезы рук доступны как в версиях с произвольным открытием, так и в версиях с произвольным закрытием, и из-за их более сложной механики и косметического покрытия перчатками требуют относительно большой силы активации, которая, в зависимости от типа используемого ремня безопасности, может быть неудобной. [71] Недавнее исследование, проведенное Делфтским технологическим университетом, Нидерланды, показало, что разработка механических протезов рук игнорировалась в течение последних десятилетий. Исследование показало, что уровень силы сжатия большинства современных механических рук слишком низок для практического использования. [72] Лучшей испытанной рукой был протез, разработанный около 1945 года. Однако в 2017 году Лаура Хруби из Венского медицинского университета начала исследование бионических рук . [73] [74] Также стало доступно несколько бионических рук с открытым аппаратным обеспечением, напечатанных на 3D-принтере. [75] Некоторые компании также производят роботизированные руки со встроенным предплечьем для установки на плечо пациента [76] [77] , а в 2020 году в Итальянском технологическом институте (IIT) была разработана еще одна роботизированная рука со встроенным предплечьем (Soft Hand Pro). [78]
Hosmer и Otto Bock являются основными поставщиками коммерческих крючков. Механические руки также продаются Hosmer и Otto Bock; Becker Hand по-прежнему производится семьей Becker. Протезы рук могут быть оснащены стандартными или изготовленными на заказ силиконовыми перчатками косметического вида. Но можно носить и обычные рабочие перчатки. Другие терминальные устройства включают V2P Prehensor, универсальный прочный захват, который позволяет клиентам изменять его аспекты, Texas Assist Devices (с целым ассортиментом инструментов) и TRS, который предлагает ряд терминальных устройств для спорта. Кабельные жгуты могут быть изготовлены с использованием стальных авиационных тросов, шаровых шарниров и самосмазывающихся кабельных оболочек. Некоторые протезы были разработаны специально для использования в соленой воде. [79]
Протезирование нижних конечностей описывает искусственно замененные конечности, расположенные на уровне бедра или ниже. Что касается всех возрастов, Эфраим и др. (2003) обнаружили, что мировая оценка ампутаций нижних конечностей по всем причинам составляет 2,0–5,9 на 10 000 жителей. Что касается показателей распространенности врожденного дефицита конечностей при рождении, они обнаружили оценку от 3,5 до 7,1 случаев на 10 000 рождений. [80]
Две основные подкатегории протезов нижних конечностей — транстибиальные (любая ампутация, пересекающая большеберцовую кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту большеберцовой кости) и трансфеморальные (любая ампутация, пересекающая бедренную кость, или врожденная аномалия, приводящая к дефициту бедренной кости). В протезной индустрии транстибиальный протез ноги часто называют «BK» или протезом ниже колена, в то время как трансфеморальный протез ноги часто называют «AK» или протезом выше колена.
Другие, менее распространенные случаи заболеваний нижних конечностей включают следующее:
Гнездо служит интерфейсом между культей и протезом, в идеале обеспечивая комфортную нагрузку, контроль движений и проприоцепцию . [81] Проблемы с гнездом, такие как дискомфорт и повреждение кожи, считаются одними из самых важных проблем, с которыми сталкиваются люди с ампутированными нижними конечностями. [82]
Эта часть создает расстояние и поддержку между коленным суставом и стопой (в случае протеза верхней части ноги) или между гнездом и стопой. Тип соединителей, которые используются между голенью и коленом/стопой, определяет, является ли протез модульным или нет. Модульный означает, что угол и смещение стопы относительно гнезда могут быть изменены после установки. В развивающихся странах протезы в основном немодульные, чтобы снизить стоимость. При рассмотрении детей модульность угла и высоты важна, поскольку их средний рост составляет 1,9 см в год. [83]
Обеспечивая контакт с землей, стопа обеспечивает амортизацию и устойчивость во время стойки. [84] Кроме того, она влияет на биомеханику походки своей формой и жесткостью. Это связано с тем, что траектория центра давления (ЦД) и угол сил реакции опоры определяются формой и жесткостью стопы и должны соответствовать телосложению субъекта, чтобы обеспечить нормальный рисунок походки. [85] Андрысек (2010) обнаружил 16 различных типов стоп с сильно различающимися результатами относительно долговечности и биомеханики. Основная проблема, обнаруженная в современных стопах, — это долговечность, выносливость от 16 до 32 месяцев [86] Эти результаты относятся к взрослым и, вероятно, будут хуже для детей из-за более высокого уровня активности и эффектов масштаба. Доказательства, сравнивающие различные типы стоп и протезов голеностопного сустава, недостаточно убедительны, чтобы определить, превосходит ли один механизм голеностопного сустава/стопы другой. [87] При выборе устройства следует учитывать его стоимость, функциональные потребности человека и доступность конкретного устройства. [87]
В случае трансфеморальной (выше колена) ампутации также необходим сложный соединитель, обеспечивающий артикуляцию, позволяющий сгибание во время фазы переноса, но не во время стояния. Поскольку его цель — заменить колено, протез коленного сустава является наиболее важным компонентом протеза для людей с трансфеморальной ампутацией. Функция хорошего протеза коленного сустава — имитировать функцию нормального колена, например, обеспечивать структурную поддержку и устойчивость во время фазы стояния, но иметь возможность сгибаться контролируемым образом во время фазы переноса. Следовательно, он позволяет пользователям иметь плавную и энергоэффективную походку и минимизировать последствия ампутации. [88] Протез колена соединен с протезом стопы с помощью голени, которая обычно изготавливается из алюминиевой или графитовой трубки.
Одним из наиболее важных аспектов протезного коленного сустава является его механизм управления фазой опоры. Функция управления фазой опоры заключается в том, чтобы предотвратить прогиб ноги, когда конечность нагружена во время принятия веса. Это обеспечивает устойчивость колена для поддержки задачи поддержки одной конечности в фазе опоры и обеспечивает плавный переход к фазе переноса. Управление фазой опоры может быть достигнуто несколькими способами, включая механические замки, [89] относительное выравнивание компонентов протеза, [90] управление трением, активируемое весом, [90] и полицентрические механизмы. [91]
Чтобы имитировать функциональность колена во время ходьбы, были разработаны коленные суставы с микропроцессорным управлением, которые контролируют сгибание колена. Некоторые примеры: C-leg Отто Бока , представленный в 1997 году, Rheo Knee Оссура , выпущенный в 2005 году, Power Knee от Оссура, представленный в 2006 году, Plié Knee от Freedom Innovations и Self Learning Knee (SLK) от DAW Industries. [92]
Первоначально эта идея была разработана Келли Джеймсом, канадским инженером из Университета Альберты . [93]
Микропроцессор используется для интерпретации и анализа сигналов от датчиков угла колена и датчиков момента. Микропроцессор получает сигналы от своих датчиков для определения типа движения, используемого ампутантом. Большинство коленных суставов с микропроцессорным управлением питаются от батареи, размещенной внутри протеза.
Сенсорные сигналы, вычисляемые микропроцессором, используются для управления сопротивлением, создаваемым гидравлическими цилиндрами в коленном суставе. Небольшие клапаны контролируют количество гидравлической жидкости , которая может проходить в цилиндр и из него, тем самым регулируя расширение и сжатие поршня, соединенного с верхней частью колена. [43]
Главным преимуществом протеза с микропроцессорным управлением является более близкое приближение к естественной походке ампутанта. Некоторые из них позволяют ампутантам ходить со скоростью, близкой к скорости ходьбы, или бегать. Также возможны изменения скорости, которые учитываются датчиками и передаются на микропроцессор, который соответствующим образом подстраивается под эти изменения. Он также позволяет ампутантам спускаться по лестнице, используя подход «шаг за шагом», а не подход «шаг за шагом», используемый в механических коленях. [94] Существуют некоторые исследования, предполагающие, что люди с протезами с микропроцессорным управлением сообщают о большем удовлетворении и улучшении функциональности, здоровья остаточной конечности и безопасности. [95] Люди могут выполнять повседневные действия на большей скорости, даже при выполнении нескольких задач одновременно, и снижать риск падений. [95]
Однако некоторые из них имеют существенные недостатки, которые затрудняют их использование. Они могут быть подвержены повреждению водой, поэтому необходимо проявлять большую осторожность, чтобы протез оставался сухим. [96]
Миоэлектрический протез использует электрическое напряжение, генерируемое каждый раз, когда мышца сокращается, в качестве информации. Это напряжение может быть получено от произвольно сокращенных мышц с помощью электродов, наложенных на кожу, для управления движениями протеза, такими как сгибание/разгибание локтя, супинация/пронация запястья (вращение) или открытие/закрытие пальцев. Протез этого типа использует остаточную нервно-мышечную систему человеческого тела для управления функциями протеза руки, запястья, локтя или стопы с электроприводом. [97] Это отличается от протеза с электрическим переключателем, которому требуются ремни и/или кабели, приводимые в действие движениями тела, чтобы приводить в действие или управлять переключателями, которые управляют движениями протеза. Нет четких доказательств того, что миоэлектрические протезы верхних конечностей функционируют лучше, чем протезы с питанием от тела. [98] Преимущества использования миоэлектрического протеза верхней конечности включают в себя возможность улучшения косметической привлекательности (этот тип протеза может иметь более естественный вид), может быть лучше для легких повседневных действий и может быть полезен для людей, испытывающих фантомные боли в конечностях. [98] По сравнению с протезом, работающим от тела, миоэлектрический протез может быть не таким долговечным, может иметь более длительное время обучения, может требовать больше настроек, может нуждаться в большем обслуживании и не обеспечивает обратной связи с пользователем. [98]
Профессор Альваро Риос Поведа уже несколько лет работает над неинвазивным и доступным решением этой проблемы обратной связи. Он считает, что: «Протезы конечностей, которыми можно управлять силой мысли, являются многообещающими для ампутантов, но без сенсорной обратной связи от сигналов, возвращающихся в мозг, может быть трудно достичь уровня контроля, необходимого для выполнения точных движений. При подключении осязания от механической руки напрямую к мозгу протезирование может восстановить функцию ампутированной конечности почти естественным образом». Он представил первый миоэлектрический протез руки с сенсорной обратной связью на XVIII Всемирном конгрессе по медицинской физике и биомедицинской инженерии в 1997 году, который состоялся в Ницце, Франция . [99] [100]
СССР первым разработал миоэлектрическую руку в 1958 году, [101] а первая миоэлектрическая рука стала коммерческой в 1964 году Центральным научно-исследовательским институтом протезирования СССР и распространялась компанией Hangar Limb Factory в Великобритании . [102] [103] Миоэлектрические протезы дороги, требуют регулярного обслуживания, чувствительны к поту и влаге, что влияет на работу датчиков.
Роботы могут использоваться для создания объективных показателей нарушений пациента и результатов терапии, помощи в диагностике, настройки терапии на основе двигательных способностей пациента, а также обеспечения соблюдения режимов лечения и ведения записей пациента. Во многих исследованиях показано, что существует значительное улучшение двигательной функции верхней конечности после инсульта с использованием робототехники для реабилитации верхней конечности. [104] Для того, чтобы роботизированный протез конечности работал, он должен иметь несколько компонентов, чтобы интегрировать его в функцию тела: Биосенсоры обнаруживают сигналы от нервной или мышечной систем пользователя. Затем он передает эту информацию на микроконтроллер , расположенный внутри устройства, и обрабатывает обратную связь от конечности и привода, например, положение или силу, и отправляет ее на контроллер. Примерами являются поверхностные электроды, которые обнаруживают электрическую активность на коже, игольчатые электроды, имплантированные в мышцу, или твердотельные электродные массивы с нервами, растущими через них. Один тип этих биосенсоров используется в миоэлектрических протезах .
Устройство, известное как контроллер, подключено к нервной и мышечной системам пользователя и к самому устройству. Оно посылает команды намерения от пользователя к исполнительным механизмам устройства и интерпретирует обратную связь от механических и биосенсоров к пользователю. Контроллер также отвечает за мониторинг и управление движениями устройства.
Привод имитирует действия мышцы, производя силу и движение. Примерами могут служить двигатель, который помогает или заменяет исходную мышечную ткань .
Целенаправленная мышечная реиннервация (TMR) — это метод, при котором двигательные нервы , которые ранее контролировали мышцы на ампутированной конечности, хирургическим путем перенаправляются таким образом, что они реиннервируют небольшую область большой неповрежденной мышцы, такой как большая грудная мышца . В результате, когда пациент думает о перемещении большого пальца своей отсутствующей руки, вместо этого сокращается небольшая область мышцы на груди. Размещая датчики над реиннервированной мышцей, эти сокращения можно заставить контролировать движение соответствующей части роботизированного протеза. [105] [106]
Вариант этой техники называется целевой сенсорной реиннервацией (TSR). Эта процедура похожа на TMR, за исключением того, что сенсорные нервы хирургическим путем перенаправляются на кожу на груди, а не двигательные нервы перенаправляются на мышцы. Недавно роботизированные конечности улучшили свою способность принимать сигналы от человеческого мозга и переводить эти сигналы в движение в искусственной конечности. DARPA , исследовательское подразделение Пентагона, работает над тем, чтобы добиться еще больших успехов в этой области. Их желание состоит в том, чтобы создать искусственную конечность, которая напрямую связана с нервной системой . [107]
Достижения в области процессоров, используемых в миоэлектрических руках, позволили разработчикам добиться успехов в тонком управлении протезом. Boston Digital Arm — это недавняя искусственная конечность, которая воспользовалась преимуществами этих более продвинутых процессоров. Рука позволяет двигаться по пяти осям и позволяет программировать руку для более индивидуального ощущения. Недавно I-LIMB Hand , изобретенная в Эдинбурге, Шотландия, Дэвидом Гоу , стала первым коммерчески доступным протезом руки с пятью индивидуально управляемыми пальцами. Рука также имеет вращающийся вручную большой палец, который пассивно управляется пользователем и позволяет руке захватывать предметы в режимах точности, мощности и ключа. [108]
Еще один нейронный протез — Proto 1, созданный в Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса. Помимо Proto 1, в 2010 году университет также завершил Proto 2. [109] В начале 2013 года Макс Ортис Каталан и Рикард Бранемарк из Технологического университета Чалмерса и Университетской больницы Сальгренска в Швеции успешно создали первую роботизированную руку, которая управляется разумом и может быть постоянно прикреплена к телу (с помощью остеоинтеграции ). [110] [111] [112]
Очень полезным является подход, называемый вращением руки, который распространен среди людей с односторонней ампутацией, то есть ампутацией, которая затрагивает только одну сторону тела; а также необходим для людей с двусторонней ампутацией, людей, у которых отсутствуют или ампутированы обе руки или ноги, для выполнения повседневной деятельности. Это включает в себя вставку небольшого постоянного магнита в дистальный конец остаточной кости субъектов с ампутацией верхних конечностей. Когда субъект вращает остаточную руку, магнит будет вращаться вместе с остаточной костью, вызывая изменение распределения магнитного поля. [113] Сигналы ЭЭГ (электроэнцефалограммы), обнаруживаемые с помощью небольших плоских металлических дисков, прикрепленных к коже черепа, по сути декодирующие активность человеческого мозга, используемую для физического движения, используются для управления роботизированными конечностями. Это позволяет пользователю напрямую управлять частью. [114]
Со временем исследования роботизированных ног достигли определенного прогресса, обеспечивающего точное движение и контроль.
Исследователи из Института реабилитации Чикаго объявили в сентябре 2013 года, что они разработали роботизированную ногу, которая преобразует нервные импульсы от мышц бедра пользователя в движение, что является первым протезом ноги, который делает это. В настоящее время он проходит испытания. [115]
Хью Херр, руководитель группы биомехатроники в Media Lab Массачусетского технологического института, разработал роботизированную транстибиальную ногу (PowerFoot BiOM). [116] [117]
Исландская компания Össur также создала роботизированную транстибиальную ногу с моторизованной лодыжкой, которая движется с помощью алгоритмов и датчиков, которые автоматически регулируют угол стопы в разных точках шага ее владельца. Также существуют управляемые мозгом бионические ноги, которые позволяют человеку двигать своими конечностями с помощью беспроводного передатчика. [118]
Основная цель роботизированного протеза — обеспечить активное приведение в действие во время походки для улучшения биомеханики походки, включая, среди прочего, устойчивость, симметрию или расход энергии для ампутантов. [119] В настоящее время на рынке имеется несколько протезов ног с электроприводом, включая полностью электрические ноги, в которых приводы напрямую приводят в действие суставы, и полуактивные ноги, которые используют небольшое количество энергии и небольшой привод для изменения механических свойств ноги, но не вводят чистую положительную энергию в походку. Конкретные примеры включают emPOWER от BionX, Proprio Foot от Ossur и Elan Foot от Endolite. [120] [121] [122] Различные исследовательские группы также экспериментировали с роботизированными ногами в течение последнего десятилетия. [123] Центральные вопросы, которые исследуются, включают проектирование поведения устройства во время фаз стояния и взмаха, распознавание текущей задачи передвижения и различные проблемы механического проектирования, такие как надежность, вес, срок службы батареи/эффективность и уровень шума. Однако ученые из Стэнфордского университета и Сеульского национального университета разработали искусственную нервную систему, которая поможет протезным конечностям чувствовать. [124] Эта синтетическая нервная система позволяет протезным конечностям чувствовать шрифт Брайля , чувствовать осязание и реагировать на окружающую среду. [125] [126]
Протезы изготавливаются из переработанных пластиковых бутылок и крышек по всему миру. [127] [128] [129] [130] [131]
Большинство протезов крепятся к внешней части тела непостоянным способом. Метод культи и гнезда может вызывать значительную боль у ампутанта, поэтому прямое крепление к кости было тщательно изучено.
Остеоинтеграция — это метод прикрепления искусственной конечности к телу с помощью протезного имплантата. Этот метод также иногда называют экзопротезированием (прикрепление искусственной конечности к кости) или эндо-экзопротезированием . Эндопротезы — это протезные суставные имплантаты, которые остаются полностью внутри тела, например, эндопротезы коленного и тазобедренного суставов .
Метод работает путем вставки титанового болта в кость на конце культи. Через несколько месяцев кость прикрепляется к титановому болту, а к титановому болту прикрепляется абатмент. Абатмент выступает из культи, а затем к абатменту прикрепляется (съемная) искусственная конечность. Некоторые из преимуществ этого метода включают следующее:
Главным недостатком этого метода является то, что люди с ампутированной конечностью, у которых кость прикреплена напрямую, не могут подвергать ее сильным ударам, например, таким, которые возникают во время бега трусцой, из-за вероятности перелома кости. [16]
Косметические протезы уже давно используются для маскировки травм и уродств. Благодаря достижениям в области современных технологий, космезис , создание реалистичных конечностей из силикона или ПВХ , стало возможным. [132] Такие протезы, включая искусственные руки, теперь могут быть разработаны для имитации внешнего вида настоящих рук, с веснушками, венами, волосами, отпечатками пальцев и даже татуировками. Изготовленные на заказ космезисы, как правило, стоят дороже (стоимостью в тысячи долларов США в зависимости от уровня детализации), в то время как стандартные космезисы поставляются готовыми в различных размерах, хотя они часто не так реалистичны, как их изготовленные на заказ аналоги. Другим вариантом является изготовленный на заказ силиконовый чехол, который может быть изготовлен в соответствии с тоном кожи человека, но не с такими деталями, как веснушки или морщины. Космезис прикрепляется к телу различными способами, с помощью клея, присоски, облегающего облегания, растягивающейся кожи или кожного рукава.
В отличие от нейромоторных протезов, нейрокогнитивные протезы будут распознавать или модулировать нейронную функцию, чтобы физически восстановить или усилить когнитивные процессы, такие как исполнительная функция , внимание , язык и память. В настоящее время нейрокогнитивные протезы не доступны, но была предложена разработка имплантируемых нейрокогнитивных интерфейсов мозг-компьютер для лечения таких состояний, как инсульт , черепно-мозговая травма , церебральный паралич , аутизм и болезнь Альцгеймера . [133] Недавняя область вспомогательных технологий для познания касается разработки технологий для усиления человеческого познания. Устройства планирования, такие как Neuropage, напоминают пользователям с нарушениями памяти, когда выполнять определенные действия, такие как посещение врача. Устройства микроподсказок, такие как PEAT, AbleLink и Guide, использовались для помощи пользователям с проблемами памяти и исполнительной функции в выполнении повседневных действий .
Помимо стандартных искусственных конечностей для повседневного использования, многие люди с ампутированными конечностями или пациенты с врожденными дефектами имеют специальные конечности и устройства, помогающие им участвовать в спортивных и развлекательных мероприятиях.
В научной фантастике, а в последнее время и в научном сообществе , рассматривался вопрос использования продвинутых протезов для замены здоровых частей тела искусственными механизмами и системами для улучшения функций. Мораль и желательность таких технологий обсуждаются трансгуманистами , другими этиками и другими людьми в целом. [134] [135] [136] [137] Части тела, такие как ноги, руки, кисти, ступни и другие, могут быть заменены.
Первый эксперимент со здоровым человеком, по-видимому, был проведен британским ученым Кевином Уориком . В 2002 году имплантат был подключен непосредственно к нервной системе Уорика. Электродная решетка , которая содержала около сотни электродов , была помещена в срединный нерв . Производимые сигналы были достаточно подробными, чтобы рука робота могла имитировать действия собственной руки Уорика и обеспечивать форму тактильной обратной связи снова через имплантат. [138]
Компания DEKA Дина Камена разработала «руку Люка», усовершенствованный протез с нервным управлением . Клинические испытания начались в 2008 году, [139] одобрение FDA было получено в 2014 году, а коммерческое производство компанией Universal Instruments Corporation ожидается в 2017 году. Ожидается, что розничная цена, предлагаемая Mobius Bionics, составит около 100 000 долларов. [140]
Дальнейшие исследования в апреле 2019 года показали улучшения в отношении протезной функции и комфорта персонализированных носимых систем, напечатанных на 3D-принтере. Вместо ручной интеграции после печати, интеграция электронных датчиков на пересечении протеза и ткани пользователя может собирать информацию, такую как давление на ткани пользователя, что может помочь улучшить дальнейшую итерацию этих типов протезов. [141]
В начале 2008 года Оскар Писториус , «Бегущий по лезвию» из Южной Африки, был на короткое время признан не имеющим права участвовать в летних Олимпийских играх 2008 года , поскольку его транстибиальные протезы конечностей, как говорили, давали ему несправедливое преимущество перед бегунами, у которых были лодыжки. Один исследователь обнаружил, что его конечности потребляли на двадцать пять процентов меньше энергии, чем у бегуна без инвалидности, двигавшегося с той же скоростью. Это решение было отменено в апелляции, а апелляционный суд заявил, что общий набор преимуществ и недостатков конечностей Писториуса не был рассмотрен.
Писториус не прошел отбор в сборную ЮАР на Олимпиаду, но затем одержал победу на летних Паралимпийских играх 2008 года и был признан имеющим право претендовать на участие в любых будущих Олимпиадах. [ требуется ссылка ] Он прошел отбор на чемпионат мира 2011 года в Южной Корее и дошел до полуфинала, где он финишировал последним по времени, он был 14-м в первом раунде, его личный рекорд на 400 м дал бы ему 5-е место в финале. На летних Олимпийских играх 2012 года в Лондоне Писториус стал первым бегуном с ампутированными конечностями, участвовавшим в Олимпийских играх. [142] Он участвовал в полуфинале забега на 400 метров , [143] [144] [145] и в финале эстафеты 4 × 400 метров . [146] Он также участвовал в 5 соревнованиях на летних Паралимпийских играх 2012 года в Лондоне. [147]
При проектировании транстибиального протеза необходимо учитывать множество факторов. Производители должны сделать выбор приоритетов в отношении этих факторов.
Тем не менее, существуют определенные элементы механики суставной впадины и стопы, которые бесценны для спортсмена, и именно на них сосредоточены усилия современных высокотехнологичных компаний по протезированию:
Покупателя также волнуют многочисленные другие факторы:
Ключевой особенностью протезирования и дизайна протезов является идея «проектирования для инвалидов». Это может показаться хорошей идеей, в которой люди с ограниченными возможностями могут участвовать в справедливом проектировании, но, к сожалению, это не так. Идея проектирования для инвалидов в первую очередь проблематична из-за глубинного смысла инвалидности. Она говорит людям с ампутированными конечностями, что есть правильный и неправильный способ двигаться и ходить, и что если люди с ампутированными конечностями адаптируются к окружающей среде своими собственными средствами, то это неправильный способ. Наряду с этим глубинным смыслом инвалидности, многие люди, проектирующие для инвалидов, на самом деле не являются инвалидами. «Проектирование для инвалидности» из этого опыта берет инвалидность в качестве объекта — с чувством у дизайнеров без инвалидности, что они должным образом изучили свою работу из собственного моделирования опыта. Моделирование вводит в заблуждение и оказывает медвежью услугу инвалидам — поэтому дизайн, который вытекает из этого, весьма проблематичен. Участие в проектировании для инвалидов должно быть… в идеале, с членами команды, которые имеют соответствующую инвалидность и являются частью сообществ, которые важны для исследования. [148] Это приводит к тому, что люди, которые не знают, каков повседневный личный опыт, проектируют материалы, которые не отвечают потребностям или препятствуют потребностям людей с реальными ограниченными возможностями.
В США типичный протез конечности стоит от 15 000 до 90 000 долларов США в зависимости от типа конечности, которую желает пациент. При наличии медицинской страховки пациент обычно платит 10–50% от общей стоимости протеза конечности, в то время как страховая компания покрывает остальную часть стоимости. Процент, который платит пациент, зависит от типа страхового плана, а также от конечности, которую запрашивает пациент. [149] В Соединенном Королевстве, большей части Европы, Австралии и Новой Зеландии вся стоимость протезов конечностей покрывается государственным финансированием или обязательным страхованием. Например, в Австралии протезы полностью финансируются государственными схемами в случае ампутации из-за болезни и компенсацией работникам или страхованием от дорожно-транспортных происшествий в случае большинства травматических ампутаций. [150] Национальная схема страхования по инвалидности , которая внедряется на национальном уровне в период с 2017 по 2020 год, также оплачивает протезы.
Трансрадиальные (ампутация ниже локтя) и транстибиальные протезы (ампутация ниже колена) обычно стоят от 6000 до 8000 долларов США , в то время как трансфеморальные (ампутация выше колена) и трансхумеральные протезы (ампутация выше локтя) стоят примерно в два раза дороже, в диапазоне от 10 000 до 15 000 долларов и иногда могут достигать стоимости в 35 000 долларов. Стоимость искусственной конечности часто повторяется, в то время как конечность обычно необходимо заменять каждые 3–4 года из- за износа при повседневном использовании. Кроме того, если гнездо имеет проблемы с посадкой, гнездо необходимо заменить в течение нескольких месяцев с момента появления боли. Если высота является проблемой, можно заменить такие компоненты, как пилоны. [151]
Пациенту необходимо не только платить за свои многочисленные протезы конечностей, но ему также необходимо платить за физиотерапию и трудотерапию, которые сопровождают адаптацию к жизни с искусственной конечностью. В отличие от повторяющихся расходов на протезы конечностей, пациент обычно платит только от 2000 до 5000 долларов за терапию в течение первого года или двух жизни в качестве ампутанта. Как только пациент окрепнет и будет чувствовать себя комфортно с новой конечностью, ему больше не нужно будет ходить на терапию. Прогнозируется, что в течение жизни типичный ампутант пройдет лечение на сумму 1,4 миллиона долларов, включая операции, протезирование, а также терапию. [149]
Недорогие протезы выше колена часто обеспечивают только базовую структурную поддержку с ограниченной функцией. Эта функция часто достигается с помощью грубых, неартикулируемых, нестабильных или вручную блокируемых коленных суставов. Ограниченное число организаций, таких как Международный комитет Красного Креста (МККК), создают устройства для развивающихся стран. Их устройство, которое производится CR Equipments, представляет собой одноосный, вручную управляемый блокируемый полимерный протез коленного сустава. [152]
Таблица. Список технологий эндопротезирования коленного сустава на основе обзора литературы. [86]
План недорогой искусственной ноги, разработанный Себастьеном Дюбуа, был представлен на Международной выставке дизайна и награждении 2007 года в Копенгагене, Дания, где он выиграл премию Index: Award . Он мог бы создать протез ноги с возвратом энергии за 8 долларов США , состоящий в основном из стекловолокна . [154]
До 1980-х годов протезы стопы просто восстанавливали базовые возможности ходьбы. Эти ранние устройства можно охарактеризовать как простое искусственное крепление, соединяющее остаточную конечность с землей.
Появление Seattle Foot (Seattle Limb Systems) в 1981 году произвело революцию в этой области, выдвинув на первый план концепцию протеза стопы, накапливающего энергию (ESPF). Вскоре другие компании последовали их примеру, и вскоре на рынке появилось несколько моделей протезов, накапливающих энергию. Каждая модель использовала некоторую вариацию сжимаемой пятки. Пятка сжимается во время начального контакта с землей, накапливая энергию, которая затем возвращается во время последней фазы контакта с землей, помогая двигать тело вперед.
С тех пор в отрасли протезирования стопы преобладают устойчивые, небольшие улучшения в производительности, комфорте и конкурентоспособности.
С помощью 3D-принтеров можно изготавливать отдельные изделия без необходимости использования металлических форм , поэтому затраты могут быть значительно снижены. [155]
Джайпурская стопа , искусственная конечность из Джайпура , Индия , стоит около 40 долларов США.
В настоящее время существует форум по протезированию с открытым дизайном, известный как « Проект открытого протезирования ». Группа нанимает сотрудников и волонтеров для продвижения технологии протезирования, одновременно пытаясь снизить стоимость этих необходимых устройств. [156] Open Bionics — это компания, которая разрабатывает роботизированные протезы рук с открытым исходным кодом. Они используют 3D-печать для производства устройств и недорогие 3D-сканеры для установки их на остаточную конечность конкретного пациента. Использование Open Bionics 3D-печати позволяет создавать более персонализированные проекты, такие как «Hero Arm», которая включает любимые цвета, текстуры и даже эстетику пользователей, чтобы выглядеть как супергерои или персонажи из «Звездных войн» с целью снижения стоимости. Обзорное исследование широкого спектра напечатанных протезов рук показало, что технология 3D-печати обещает индивидуализированный дизайн протезов, дешевле, чем коммерческие протезы, доступные на рынке, и дороже, чем процессы массового производства, такие как литье под давлением. В том же исследовании также было обнаружено, что данные о функциональности, долговечности и приемлемости для пользователей 3D-печатных протезов рук по-прежнему отсутствуют. [157]
.jpg/1280px-Artificial_limbs_for_a_thalidomide_child,_1961-1965._(9660575567).jpg)
В США, по оценкам, 32 500 детей (младше 21 года) перенесли серьезную ампутацию, при этом ежегодно регистрируется 5 525 новых случаев, из которых 3 315 являются врожденными. [158]
Карр и др. (1998) исследовали ампутации, вызванные наземными минами, в Афганистане, Боснии и Герцеговине, Камбодже и Мозамбике среди детей (младше 14 лет), показав оценки соответственно 4,7, 0,19, 1,11 и 0,67 на 1000 детей. [159] Мохан (1986) указал в Индии в общей сложности 424 000 ампутантов (23 500 ежегодно), из которых 10,3% имели начало инвалидности в возрасте до 14 лет, что составляет в общей сложности около 43 700 детей с дефектами конечностей только в Индии. [160]
Специально для детей было создано несколько недорогих решений. Примеры недорогих протезных устройств включают:
Этот ручной шест с кожаной поддерживающей лентой или платформой для конечности является одним из самых простых и дешевых решений. Он хорошо подходит в качестве краткосрочного решения, но склонен к быстрому образованию контрактуры, если конечность не растягивается ежедневно с помощью серии наборов диапазона движения (RoM). [83]
Это также довольно простое решение включает в себя гипсовую розетку с бамбуковой или ПВХ трубкой внизу, опционально прикрепленную к протезной стопе. Это решение предотвращает контрактуры, поскольку колено перемещается через весь RoM. Коллекция Дэвида Вернера, онлайн-база данных для помощи детям-инвалидам в деревнях, демонстрирует руководства по производству этих решений. [161]
Это решение построено с использованием перевернутого вверх дном подседельного штыря велосипеда в качестве ступни, что обеспечивает гибкость и (длину) регулируемость. Это очень дешевое решение, использующее местные доступные материалы. [162]
Это эндоскелетная модульная нижняя конечность из Индии, в которой используются термопластичные детали. Ее основными преимуществами являются небольшой вес и адаптивность. [83]
Монолимбы — это немодульные протезы, поэтому для их правильной установки требуется более опытный протезист, поскольку выравнивание едва ли можно изменить после изготовления. Однако их долговечность в среднем лучше, чем у недорогих модульных решений. [163]
Ряд теоретиков исследовали значение и последствия протезного расширения тела. Элизабет Гросс пишет: «Существа используют инструменты, украшения и приспособления для увеличения своих телесных возможностей. Не хватает ли их телам чего-то, что им нужно заменить искусственными или замещающими органами?... Или, наоборот, следует ли понимать протезы с точки зрения эстетической реорганизации и пролиферации как следствие изобретательности, которая функционирует за пределами и, возможно, вопреки прагматической потребности?» [164] Элейн Скарри утверждает, что каждый артефакт воссоздает и расширяет тело. Стулья дополняют скелет, инструменты добавляют руки, одежда дополняет кожу. [165] По мнению Скарри, «мебель и дома не являются более и не менее внутренними для человеческого тела, чем пища, которую оно поглощает, и они не отличаются принципиально от таких сложных протезов, как искусственные легкие, глаза и почки. Потребление изготовленных вещей выворачивает тело наизнанку, открывая его для культуры объектов и как культуру объектов». [166] Марк Уигли , профессор архитектуры, продолжает эту линию размышлений о том, как архитектура дополняет наши естественные возможности, и утверждает, что «все протезы вызывают размывание идентичности». [167] Часть этой работы опирается на более раннюю характеристику Фрейдом отношения человека к объектам как отношения расширения.
Протезирование играет важную роль в том, как человек воспринимает себя и как его воспринимают другие люди. Возможность скрыть такое использование позволяла участникам отражать социальную стигматизацию, что, в свою очередь, способствовало их социальной интеграции и уменьшению эмоциональных проблем, связанных с такой инвалидностью. [168] Людям, которые теряют конечность, в первую очередь приходится иметь дело с эмоциональным результатом потери этой конечности. Независимо от причин ампутации, будь то травматические причины или следствие болезни, эмоциональный шок существует. Он может иметь меньшую или большую амплитуду в зависимости от различных факторов, таких как возраст пациента, медицинская культура, медицинская причина и т. д. В результате ампутации отчеты участников исследования были наполнены драматизмом. Первой эмоциональной реакцией на ампутацию было отчаяние, сильное чувство саморазрушения, что-то почти невыносимое. [169] Эмоциональные факторы — это лишь малая часть рассмотрения социальных последствий. Многие люди, которые теряют конечность, могут испытывать сильную тревогу по поводу протезирования и своих конечностей. После операции, в течение длительного периода времени, опрошенные пациенты из Национальной медицинской библиотеки заметили появление и усиление тревоги. Множество негативных мыслей вторглось в их разум. Прогнозы относительно будущего были мрачными, отмеченными печалью, беспомощностью и даже отчаянием. Экзистенциальная неопределенность, отсутствие контроля и дальнейшие ожидаемые потери в жизни из-за ампутации были основными причинами тревоги и, как следствие, размышлений и бессонницы. [169] От потери ноги и получения протеза также могло произойти много факторов, включая гнев и сожаление. Ампутация конечности связана не только с физической потерей и изменением образа тела, но и с резким разрывом чувства непрерывности. Для участников с ампутацией в результате физической травмы событие часто воспринимается как трансгрессия и может привести к разочарованию и гневу. [169]
Существует также много этических проблем относительно того, как изготавливаются и производятся протезы. Широкий спектр этических проблем возникает в связи с экспериментами и клиническим использованием сенсорных протезов: эксперименты на животных; информированное согласие, например, у пациентов с синдромом запертости, который может быть облегчен с помощью сенсорного протеза; нереалистичные ожидания от субъектов исследования, тестирующих новые устройства. [170] То, как появляются протезы, и тестирование удобства использования устройства является серьезной проблемой в медицинском мире. Хотя много позитива появляется, когда объявляется о новой конструкции протеза, то, как устройство достигло того, чего оно достигло, заставляет некоторых усомниться в этичности протезирования.
В сообществе протезистов также ведутся многочисленные дебаты о том, следует ли им вообще носить протезы. Они вызваны тем, помогают ли протезы в повседневной жизни или усложняют ее. Многие люди приспособились к потере конечности, заставив ее работать на них, и им не нужен протез в жизни. Не все ампутанты будут носить протез. В национальном опросе австралийских ампутантов 2011 года Limbs 4 Life обнаружил, что 7 процентов ампутантов не носят протезы, а в другом исследовании австралийской больницы это число приближалось к 20 процентам. [171] Многие люди сообщают о том, что им неудобно носить протезы, и не хотят их носить, даже сообщая, что носить протез более обременительно, чем не иметь его вообще. Эти дебаты естественны в сообществе протезистов и помогают нам пролить свет на проблемы, с которыми они сталкиваются.
Десять радиоуглеродных дат протеза, человеческих костей и деревянных кусков из той же могилы позволяют предположить, что наиболее вероятный возраст захоронения составляет около 300–200 гг. до н. э. (доверительный интервал 68%). Таким образом, это самый старый из известных на сегодняшний день функциональных протезов ног.
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
