Искусственная нога: Появилась искусственная нога с открытым исходным кодом

Содержание

Появилась искусственная нога с открытым исходным кодом

Исследователи объяснили, что колени, лодыжки и ноги, находящиеся в стадии разработки во всем мире, чтобы помочь пациентам ходить, оснащены электродвигателями. Для получения максимальной отдачи от такого мощного протезирования требуются безопасные и надежные системы управления, которые могут учитывать множество различных типов движений: например, переход от шагания по ровной земле к хождению вверх или вниз по пандусам или лестницам.

Для решения этой проблемы ученые разработали устройство под названием Open Source Leg. Они подробно рассказали о результатах своих исследований в журнале Nature Biomedical Engineering. Сопровождающие искусственную конечность бесплатные пошаговые руководства призваны помочь исследователям, желающим собрать ее или заказать для нее детали. Исследователи также выпустили видеоматериалы, иллюстрирующие процесс сборки и тестирования аппаратуры, а также разработали код для программирования ходьбы протеза с помощью системы предварительного контроля.

Бионическая нога, которую они разработали, весит всего 4 кг. Хотя она значительно легче биологической ноги, для пациентов она все же кажется тяжелее, потому что они прикрепляется не вплотную к скелету, а к протезному изделию. Устройство с открытым исходным кодом стоит от 10 до 30 тыс. долларов, в зависимости от варианта. Коммерчески доступные протезы с питанием стоят до 100 тыс. долларов, отмечают исследователи.

К окончанию своего исследования ученые провели клинические испытания Open Source Leg с тремя добровольцами. Когда они носили новое устройство в больничной обстановке, они смогли достичь целей, поставленных физиотерапевтами — ходили вверх и вниз и отметили, что устройство дает им ощущение поддержки, отзывчивости и плавности.

Читать также

Исследователи впервые выработали чистую энергию из графена

На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком

Ледник «Судного дня» оказался опаснее, чем думали ученые. Рассказываем главное

Как новейшие протезы превращают инвалидов в киборгов — Общество

Лиля встает с кресла, поднимается по лестнице, открывает дверь, спускается по пандусу. Забивает мяч в небольшие футбольные ворота. За этим наблюдают несколько десятков человек. Вроде бы не происходит ничего особенного — все это мы делаем каждый день. Только у Лили вместо ноги — протез. В «Сколково» прошли состязания кибатлетов — людей с высокотехнологичными протезами. И это название подходит им куда больше, чем привычное «инвалид».

Нога, которую нужно заряжать

Лиля живет без правой ноги с 12 лет: ее сбил пьяный водитель. Тогда «продвинутых» протезов еще не было, но Лиля и с обычным справлялась: «Я бегала вполне себе шустро и резво, никто не понимал, что у меня нет ноги». Нынешний протез Лили отличается от старой искусственной ноги не меньше, чем новейший смартфон — от вашего первого кнопочного мобильника. Он заряжается от розетки — энергии хватает на несколько дней. Он «умный»: специальная программа подстраивает его под здоровую ногу, и протез меняет темп вслед за хозяином. С ним можно подниматься по лестнице — со старыми протезами нужно было ступать только здоровой ногой, а искусственную «подтягивать». «За пять лет с таким протезом я ни разу не упала и не споткнулась, — говорит еще одна участница состязаний, Инга. — Утром просыпаешься, надеваешь. Вечером снимаешь. Как будто это твоя родная нога, только нужно не забывать ее заряжать».

Инга Медведева — призер Паралимпийских игр, она потеряла ногу в детстве

Инга Медведева — горнолыжница, призер Паралимпийских игр. Она тоже лишилась ноги в детстве. Вообще протезы не мешают физической активности. Здесь есть и мастера спорта, и члены различных сборных, и просто те, кто регулярно ходит в зал «для себя». «Протез вместе с тобой не поправляется и не худеет, — говорит Лиля. — Надо держать тело в тонусе».

Людям с протезами кибатлетика нужна, чтобы проверить себя. Но понаблюдать за ними приходят не только друзья и родные. Среди зрителей есть и те, кто потерял руку или ногу, но еще не решился на протезирование. Ведь здесь соревнуются люди с протезами от разных производителей, и для потенциальных клиентов это возможность посмотреть, как искусственные руки и ноги выглядят в реальности, а не в рекламных буклетах.

Эстафета кибатлетов

«Идея в том, что мы собираем треугольник, — говорит Андрей Давидюк, председатель правления союза «Кибатлетика». — Сюда приходят люди с инвалидностью, российские разработчики и госструктуры, которые их поддерживают. Поставщик демонстрирует продукцию, а человек говорит: что нравится, что нет. А государство говорит, что оно готово поддержать». Название «кибатлетика» не случайно: современные приспособления расширяют «ограниченные возможности» настолько, что некоторые люди с протезами действительно больше похожи на киборгов.

Современные протезы заряжают, как мобильные телефоны

«Я не стремлюсь обманывать»

Светлана — девушка с черной рукой

У Светланы 198 сантиметров роста, огромные глаза и черная искусственная рука. Трудно сказать, что привлекает внимание сильнее. У Светы нет правой руки от рождения. Многие протезисты от нее отказывались: говорили, что мышечной памяти нет — а значит, управлять протезом она не сможет. Но нужные мышцы нашлись. «Я даже жестикулирую обеими руками: это не только выглядит естественно, но и благотворно влияет на мое тело, — объясняет Света. — У человека без одной конечности тело несимметрично работает. У меня нет правой руки, от этого «отстает» левая сторона — нога. И протез помогает восстановить симметрию».

Светлана — журналист, она живет в Архангельске, занимается спортом и ходит в горы. Свой дорогой протез всегда берет с собой и уже ломала его несколько раз. «Все к нему относятся как к хрустальной игрушке, — смеется она. — Используют дома и на работе, а когда куда-то едут — снимают: боятся сломать. А я не отказываю себе в простых удовольствиях, которые есть у здорового человека. Вы же свою руку не отрезаете и не оставляете дома».

Раньше протезы старались скрывать. Сегодня можно сделать себе даже искусственную ногу со стразами

Многие кибатлеты носят косметические протезы — телесного цвета, с венами и ногтями, максимально похожие на настоящие руки и ноги. Еще есть специальные чехлы — тоже телесного цвета. Их можно надеть на протез сверху. Но не все стесняются своих искусственных рук и ног. У одной из участниц протез со стразами — правда, он сделан специально для соревнований, но кто знает — может, их однажды введут в моду. Большинство девушек здесь спокойно носят короткие юбки и шорты. С негативом от окружающих встречаются, но редко. «Как-то в автобусе мне женщина пожилая говорит: «Вам, наверное, лучше в брюках ходить или в длинных платьях». Я ответила: «Вы знаете, в СССР инвалидов не было, пусть хоть они в России будут», — рассказывает Лиля.

Спецпроект на тему

Свете тоже иногда приходится слышать что-то вроде «прикройте свою руку, вы пугаете моего ребенка!» или «ну вы же девушка, нужно же прикрывать». Но она не скрывает свой протез принципиально: во-первых, так любой человек сможет спросить ее, где такой купить. Во-вторых, так честнее. «Появление черной руки в моей жизни отсекло половину вопросов. Иногда человек общается с тобой и не знает, что ты инвалид. А потом обнаруживает руку манекена — и у него шок, — объясняет Света. — А тут сразу видно: да, это ненастоящее. И человек меня сразу принимает такой, какая я есть. Я не стремлюсь обманывать. Я и слова «инвалид» не стесняюсь. Диабетики же не обижаются, когда их так называют. Это слово прописано у меня в карте, и это не более чем медицинский термин».

«Рву шаблоны каждый день»

На состязаниях кибатлетов есть люди не только с протезами, но и в колясках. Им не ампутировали конечности, просто по разным причинам они почти не могут ходить.

«Инвалидом человека делает не столько его увечье, сколько неприспособленная среда», — считает Игорь. Он не ходит уже 20 лет. Говорит, что Москва за эти годы стала доступнее, но где-то в обычной коляске все равно не проедешь.

Кажется, что Игорь едет на трехколесном велосипеде. На самом деле это инвалидная коляска со специальной приставкой

Игорь работает в фирме, разрабатывающей приставки для колясок. Они прикрепляются спереди, и эта конструкция выглядит как трехколесный велосипед.

Спецпроект на тему

«Смысл в том, чтобы человек не крутил руками колеса, пачкался и мерз, — объясняет Игорь. — Да, есть электрические коляски, но они громоздкие. И если кончится заряд, то будешь в ней заложником: ее очень тяжело поднять. А если заряд кончится у приставки, я ее уберу и доеду по старинке». Раньше Игорь не мог гулять зимой. Теперь он разъезжает в коляске по сугробам, а сзади привязывает ледянку для сына — тот катается как на водных лыжах. Средняя скорость — 12–15 км/ч, максимальная — 24–25 км/ч, как у велосипедистов. Фактически это личный транспорт, которым можно пользоваться даже в супермаркете. «Раньше я продукты в магазине на семью закупал час. Теперь — 15–20 минут, и большая часть этого времени — очередь в кассу, — говорит он. — Первая реакция людей — удивление. Рву шаблоны каждый день. Я езжу быстрее, чем вы ходите». Игорь уезжает — ему пора на соревнования. И догнать его действительно сложно даже бегом.

Бэлла Волкова

Бионический протез ноги угадывает намерения хозяина

Бионические протезы ног управляются нервной системой и поэтому угадывают намерение повернуть направо или подняться на ступеньку. В будущем они смогут уберечь своих владельцев от падений.

31-летний Зак Воутер из Чикаго, потерявший ногу в ДТП, сумел на своем протезе подняться по лестнице на 103-й этаж тамошнего небоскреба Willis Tower. Ему повезло — в Реабилитационном институте Чикаго он стал участником эксперимента и хозяином самого совершенного на сегодняшний день протеза ноги, управляемого «силой мысли». Об этом чуде медтехники исследователи института рассказали в конце сентября в журнале New England Journal of Medicine.

Принцип действия такого протеза заключается в регистрации его сенсорами так называемых электромиографических сигналов, возникающих в мышцах бедра и «говорящих» ноге, что ей делать дальше.

Мозг посылает эти сигналы даже тогда, когда ноги уже нет.

Бионические протезы, управляемые мыслью, еще только разрабатываются, их время еще на подходе. Пока остается неясным, сколько они будут стоить, когда войдут в клиническую практику, и устроит ли эта цена большинство людей с ампутированными конечностями. Но потребность в них все равно есть, утверждают авторы статьи. Поскольку применяемые сегодня пассивные протезы имеют массу ограничений. Так, большинство искусственных ног не способны подниматься по ступеням и крутым склонам.

Начало эре бионических протезов было положено два года назад, когда 30-летний британец Мэттью Ньюберри стал первым обладателем биопротеза стоимостью 40 тыс. фунтов, который реагировал на все движения пользователя и подстраивался под его походку, позволяя подниматься по лестнице и даже ездить на велосипеде.

В коленной чашечке у такого протеза находятся микропроцессор и четыре датчика, которые посылают в процессор сведения о движении тела, распределении веса и угле наклона,

что дает микрочипу возможность предвидеть следующее движение владельца и среагировать на него.

Последним на это время достижением в области бионических протезов ног стала публикация группы инженеров из Университета Вандербильта во главе с профессором Майклом Гольдфарбом в журнале Science Translational Medicine от 6 ноября —

они создали биопротез с управляемыми суставами колена и лодыжки.

Собственно, протез с двумя суставами был создан командой Гольдфарба еще в прошлом десятилетии. Теперь с помощью исследователей из Реабилитационного института Чикаго они разработали для своего протеза интерфейс с нервной системой.

Протез получился довольно сложным, с множеством сенсоров, в том числе гироскопов и измерителей ускорения, электромоторчиков с редкоземельными магнитами и компьютерных чипов с малым потреблением энергии.

Емкие литий-ионные батарейки позволяют перезаряжать искусственную ногу всего раз в сутки.

Большое значение имеет то обстоятельство, что общий вес протеза за счет всей этой механики и электроники возрос ненамного — его вес сравним с весом нормальной, «биологической» ноги, в то время как все базовые функции ноги копируются этой системой. Протез не только координирует свои движения с движениями тела владельца, но и способен угадывать намерения владельца об изменении характера движения: начать подъем, замедлить ход, остановиться, пойти в другую сторону и т. д.

100%

Основные элементы бионического протеза

H. McDonald/Science Translational Medicine

В своей статье команда Гольдфарба дает краткий обзор сегодняшней ситуации с бионическими протезами ног. По словам исследователей, существует несколько различных подходов к установлению связи протеза с нервной системой, и эти подходы сильно различаются по уровню инвазивности. Самый неинвазивный подход — тот, который был применен в Британии два года назад, где связь устанавливается физическими датчиками, «читающими» язык тела. Следующий по уровню инвазивности подход — элетромиографический интерфейс, здесь используются электроды, имплантируемые в мышцы ноги. Наиболее инвазивная техника предполагает имплантированные электроды, которые подсоединены либо к периферийным нервам пациента, либо непосредственно к спинномозговым нервам. Чем выше инвазивность, утверждают ученые, тем больше у протеза функциональных преимуществ.

Одно из таких преимуществ — предупреждение падения. Владельцы протезов падают довольно часто,

причем особенно это относится к молодым инвалидам, которые меньше ограничивают двигательную активность и переоценивают свои возможности. По словам ученых, это одно из направлений исследований, необходимых для совершенствования сегодняшних версий бионических протезов.

26 сентября 14:45

В каждом индивидуальном случае необходимо выбирать оптимальный вариант. Пожилым пациентам иногда достаточно возможности передвигаться по квартире да время от времени выбираться на свежий воздух. Ветеранам недавних войн и молодым людям, пострадавшим в автокатастрофе, нужны совсем другой уровень активности и протезы с совершенно другими возможностями. При этом большую роль играет не только инвазивность, но и цена вопроса.

А цена пока окончательно неизвестна, известно только, что сегодня это многие десятки тысяч долларов, евро и даже фунтов.

Недешево обходится бионический протез руки и Найджелу Экланду, о котором рассказывала «Газета.Ru». Его искусственная рука вращает кистью, сгибает каждый палец по отдельности и может поворачивать запястье на 180 градусов.

Но даже в таком деле, как приобретение функционирующего протеза, бывают случаи, когда все обходится гораздо дешевле. Пару недель назад американская телекомпания CBS сообщила об одном таком случае.

Некий Пол Маккарти из Массачусетса собственноручно изготовил для своего 12-летнего сына протез руки с помощью 3D-принтера.

Мальчик родился без пальцев на одной руке, и это было для отца постоянной болью. Вычитав в интернете подробные инструкции по изготовлению протеза, он одолжил у приятеля 3D-принтер (так бы пришлось покупать за $20 тыс.) и, поколдовав в своей мастерской, сумел изготовить вполне работоспособную кисть. Протез, конечно, не бионический, он работает так: когда кисть опускается, искусственные пальцы из пластика начинают сжиматься. Потренировавшись, мальчик научился пользоваться искусственными пальцами не намного хуже, чем настоящими. По крайней мере, его 3D-протез существенно облегчил ему жизнь. Пол Маккарти утверждает, что изготовление протеза обошлось ему в $10.

Откуда ноги растут у искусственного интеллекта / Наука / Независимая газета

Очарование компьютерной техникой создает иллюзию научно-технической гонки за мировое лидерство

Современные развлечения с искусственным интеллектом мало чем отличаются от спиритических сеансов. Фото Pexels

Первое пришествие искусственного интеллекта (ИИ) можно более или менее точно датировать 30-ми годами прошлого века. Тогда один из отцов информатики Алан Тьюринг предложил использовать следующий тест: испытатель через посредника общается с невидимым ему собеседником – человеком или машиной. Если испытатель в процессе такого общения не сможет отличить человека от машины, то машину можно считать интеллектуальной.

Мысль о том, что такое испытание, если обеспечить должного посредника и должную невидимость, сможет пройти самый простой арифмометр, способный только на дважды-два=четыре, возможно, и приходила Тьюрингу в голову, но, судя по его биографии, вряд ли. Он представлял собой уникальную личность, в которой печать гения прекрасно совмещалась с печатью дебила. И недаром.

Дело в том, что программирование любой вычислительной системы содержит в себе два элементарных акта: «да» и «нет». И чтобы два этих примитивных акта выстроить в цепочку сложнейшей вычислительной программы по управлению компьютером, необходим был математический гений Алана Тьюринга, Джона фон Неймана и Норберта Винера. Тот факт, что печать примитивизма при этом также никуда не девается, прекрасно демонстрирует вся история компьютерного математического моделирования. Оно создало огромную и поэтому весьма влиятельную армию ученых, уверовавших, что, манипулируя «да» и «нет», можно достичь всеобщей благодати в виде искусственного интеллекта.

Мало кто из них понимает, что их ИИ-пришествие произошло после изобретения транзистора и последующего создания интегральных схем (ИС), приведших к революции в миниатюризации элементной базы вычислительных систем. Между прочим, именно тогда с легкой руки Винера, появилась кибернетика. Разговоры об ИИ приняли уже серьезный, вполне профессиональный характер, когда, как и положено в научном поиске, одни профессионалы (особенно программисты) были полны ИИ-энтузиазма, а другие (в большинстве люди, занимающиеся физикой ИС) относились к этому с иронией.

Так или иначе, но именно в это время был заложен фундамент для третьего пришествия, точнее нашествия, ИИ. В соответствии с пресловутым законом Мура буквально каждый год вот уже в течение полувека степень миниатюризации ИС удваивалась и дошла до такого уровня, когда персональный компьютер в виде плоского пенальчика появился в руках чуть ли не каждого жителя Земли. Таким образом, очередная научно-техническая революция привела к тому, что начало XXI века ознаменовалось вступлением человечества в новую эпоху – эпоху тотальной коммуникации. Каждый обыватель получил в руки не просто калькулятор, а ПК, позволяющий человеку, знания которого не выходят за пределы таблицы умножения, выйти за границы собственного сознания простым и изящным движением пальца.

Неизбежно тест Алана Тьюринга стал доступен каждому обывателю, и искусственный интеллект стал объектом массового сознания. Теперь из всех щелей несется: ИИ вскрывает наши сокровенные тайны; ИИ обнаружил геометрические фигуры в сигналах, идущих с Цереры; ИИ перегонит и превзойдет интеллект людей etc.

Как известно, любой успешный политик – это концентрированный обыватель и демиург массового сознания. Поэтому сейчас мы уже как рядовую новость читаем очередное информационное сообщение: «Москва. 6 июля 2020. Президент РФ Владимир Путин поручил правительству «принять исчерпывающие меры» по утверждению отдельного федерального проекта «Искусственный интеллект», обеспечив его необходимое финансирование…» И оказываемся свидетелями очередного уже ИИ-скачка инновационной порнографии в России, в которой практически полностью отсутствуют высокотехнологические производства, а те же ноутбуки – сплошь импортные. Но есть Сколково, квантовые центры и искусственный интеллект, создающие иллюзию научно-технической гонки за мировое интеллектуальное лидерство в стране, давно плетущейся в арьергарде современного научно-технического мейнстрима.

Инициаторы этой гонки скорее всего хорошо понимают, что современные развлечения с искусственным интеллектом мало чем отличаются от спиритических сеансов, коими на рубеже XIX–XX веков увлекались огромное число людей, включая даже вполне ученых (вспомним того же Конан Дойла). Только если век назад медиумы были посредниками общения с душами когда-то живых людей, то их последователи в XXI веке пошли дальше. Они сначала пытаются вдохнуть жизнь в кусочки кремниевой шайбы, а затем уже на глазах публики (остающейся столь же невежественной – если не более, как и век назад) беседовать с ними о судьбах мира. И как мы видим, они в немалой степени преуспели, в очередной раз доказав, что лучше всего люди платят за пустоту в собственных головах, век назад заполнявшуюся на спиритических сеансах духами умерших реальных людей, а теперь духами сотканного из песка искусственного интеллекта.

Новосибирск

РАССКАЗ О ЧУДЕ ИЗ ЧУДЕС – МЕХАНИЧЕСКОЙ ИСКУССТВЕННОЙ НОГЕ ЛЕЙБ-ГВАРДИИ КИРАСИРСКОГО ПОЛКА МАЙОРА ГАВРИЛЫ ПРОПОЙЦЫНА, ПОТЕРЯВШЕГО НАТУРАЛЬНУЮ СВОЮ НОГУ В СРАЖЕНИИ ПРИ ОЧАКОВЕ

Сбитый автомобилем сокол получил 3D-печатный протез ноги

Фонда инфраструктурных и образовательных программ

Российские инженеры напечатали на 3D-принтере протез для сбитого автомобилем сокола по имени Гром, сообщается в пресс-релизе, поступившим в редакцию N+1.

3D-печать часто используется для изготовления протезов, так как это быстрый и недорогой метод. Даже примитивные по конструкции приспособления позволяют заметно улучшить качество жизни людей, а в случае с животными такие протезы нередко помогают предотвратить их смерть в дикой природе.

В начале года к компании Optiplane, которая занимается разработкой гибридных дронов, обратился новосибирский Центр реабилитации хищных птиц с просьбой помочь соколу, который был сбит автомобилем, в результате чего птица осталась без крыла и ноги. При подобных травмах птицы обычно погибают в течение нескольких месяцев, так как происходит смещение внутренних органов.

Конструкторское бюро Optiplane сделало замеры и подготовило техническое задание, на базе которого компания CML AT и производитель медицинских эндопротезов «3D-БимИмплант» за несколько часов спроектировали пластиковый протез. Тестовые образцы были изготовлены уже в феврале, а постоянный протез напечатали в марте.

Протез ноги спроектирован с учетом анатомических особенностей строения скелета, чтобы птица чувствовала себя устойчиво как на плоской поверхности, так и на ветке. Он состоит из нескольких деталей на шарнире, но все они печатались в сборе как единая конструкция (как именно при этом работает шарнир, не уточняется). На снимке видно, что искусственная нога стоит под углом около 45 градусов относительно поверхности стола. Тем не менее, в Центре реабилитации хищных птиц сообщают, что спустя месяц после установки постоянного протеза птице стало намного легче передвигаться, а асимметрия туловища исчезла. Однако вернуть Грома в природу волонтеры все равно не смогут из-за отсутствия крыла.

С помощью 3D-печати специалисты из разных стран уже помогли нескольким птицам. Так, похожие протезы были изготовлены в одной из американских школ для утки, которая потеряла нижние части ног в результате обморожения. Специалисты из Бразилии изготовили сине-желтому аре Гиги, у которого была повреждена верхняя часть клюва, протез надклювья из титана, почти такой же протез получил тукан по имени Греция.

Кристина Уласович

Наука, медицина и будущее: протезы

BMJ. 2001 29 сентября; 323 (7315): 732–735.

Наука, медицина и будущее

, консультант по реабилитационной медицине ^a и сертифицированный протезист-ортопед ^b

Линда Дж. Маркс

^a Stanmore DSC, Королевская национальная ортопедическая больница, Stanmore HA7 4LP, ^b CPO Services, 431 Trap Line Lane, Chanhassen, MN 55317, USA

John W Michael

^a Stanmore DSC, Королевская национальная ортопедическая больница, Stanmore HA7 , CPO Services, 431 Trap Line Lane, Chanhassen, MN 55317, USA

^a Stanmore DSC, Королевская национальная ортопедическая больница, Stanmore HA7 4LP, ^b CPO Services, 431 Traphassen Line Lane, Chanhassen Line Lane, MN 55317, USA

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

В последние годы технические инновации объединились, чтобы сделать протезы более удобными, эффективными и реалистичными, чем предыдущие версии. Будущие инновации, вероятно, будут зависеть от взаимодействия трех мощных сил: требований людей с ампутированными конечностями, достижений в хирургии и инженерии, а также финансирования здравоохранения, достаточного для поддержки разработки и применения технологических решений. В этой статье рассматриваются инновационные новые протезы, доступные в настоящее время, и обсуждаются будущие разработки.

Методы

Эта статья основана на клиническом опыте авторов в Великобритании и США, обзоре литературы и информации, полученной от коллег по реабилитационной медицине со всего мира.

Ампутация: причины и последствия

В развитых странах основной причиной ампутации нижних конечностей является нарушение функции кровообращения. Основная причина этого — атеросклероз, хотя до трети пациентов страдают сопутствующим диабетом.Эти люди обычно находятся в возрасте шестого десятилетия (или старше), и у большинства из них есть дополнительные проблемы со здоровьем, которые ограничивают их способность ходить. В Соединенном Королевстве ежегодно происходит около 5000 новых крупных ампутаций. ¹

Это резко контрастирует с развивающимися странами, где большинство ампутаций вызвано травмами, связанными либо с конфликтом, либо с производственными или дорожными травмами. Глобальные экстраполяции проблематичны, но недавнее исследование, проведенное в США, утверждает, что уровень ампутаций среди комбатантов в недавних военных конфликтах в США остается на уровне 14-19% ², а разрушения, вызванные наземными минами, продолжаются, особенно когда перемещенные гражданские лица возвращаются в заминированные районы и возобновляются. сельскохозяйственная деятельность.³

Ампутация — это необратимое обезображивание. Для некоторых облегчение боли или болезни в пораженной конечности может быть долгожданным, но для тех, кто теряет здоровую конечность, возмущение понятно. Несмотря на современное протезирование, требуется некоторая адаптация, и люди различаются по своей способности приспосабливаться к изменению образа тела, а иногда и образа жизни.

Достижения в протезной технологии

Протезная технология значительно продвинулась вперед за последние два десятилетия, в основном благодаря спросу на людей с ампутированными конечностями.Сегодня здоровые люди с ампутацией середины икры должны иметь возможность выполнять полный спектр обычных обязанностей, ходить без ощутимой хромоты и участвовать в развлекательных и спортивных мероприятиях.

Интерфейс между культи и гнездом

Самым важным аспектом любого протеза является качество соединения между остатком конечности (культи) и искусственным протезом. Часть протеза, которая плотно прилегает к остатку конечности, «гнездо», определяет комфорт инвалида и его способность управлять протезом.С 1980-х годов врачи-протезисты и исследователи во всем мире совершили прорыв в дизайне и материалах, которые значительно улучшили соединение между лункой и культи.

Прогнозируемые изменения

Прямое скелетное прикрепление (остеоинтеграция) протезов может быть рутинным вариантом для некоторых людей с ампутированными конечностями
Потребность в более универсальных, более эффективных протезах с более реалистичными внешними покрытиями будет способствовать дальнейшим инновациям
Увеличится использование протезов, управляемых микропроцессорами для точной настройки движения
Будущее использование новых протезных компонентов может контролироваться ограничениями финансирования как в развитых, так и в развивающихся странах

В настоящее время силиконовые эластомеры широко используются для создают мягкую и слегка эластичную внутреннюю подкладку, обеспечивающую тонкий, удобный и эластичный барьер между кожей человека с ампутированной конечностью и более жесткими, несущими вес частями протезной лунки.⁴ ^{, 5} Эти вкладыши гнезда обычно прикрепляются к внутренней части гнезда с помощью механического устройства, называемого челночным замком, для обеспечения подвески протезной конечности. Чтобы удалить протез, человек с ампутированной конечностью просто нажимает скрытую кнопку, отсоединяя прокладку от гнезда.

В последние годы исследователи разработали ряд более толстых гелевых материалов, которые добавляют определенную амортизацию и рассеивают давление, сохраняя при этом преимущества оригинальных вкладышей (рис.).Та же технология гелевой амортизации была адаптирована для покрытий велосипедных сидений и аналогичных непротезных применений.

Вместо использования громоздких ремней и шарниров современные протезы можно подвешивать с помощью амортизирующей втулки, которую человек без ноги катит на культю конечности. В этом примере зубчатый штифт на конце вкладыша автоматически фиксируется в протезе, когда человек с ампутированной конечностью встает. Чтобы удалить протез, человек с ампутированной конечностью нажимает кнопку разблокировки на медиальной стороне протеза.(Изображение любезно предоставлено Отто Боком)

Динамические опоры с пластиковыми пружинами

Композиты из углеродного волокна, разработанные в аэрокосмической промышленности, все чаще используются в протезах, в основном из-за их превосходной прочности по сравнению с весовыми характеристиками. Одним из самых успешных новаторов была компания Flex-Foot, основанная американским исследователем и инвалидом Ван Филлипсом. К 1990-м годам конструкции протезов стопы Flex-Foot на основе пружин из углеродного волокна были широко признаны как наиболее эффективные для накопления и высвобождения энергии во время ходьбы и, в частности, при рекреационных и соревновательных видах спорта.⁶ ^— ⁸ Комбинация повышенного комфорта суставов и протезов ступней с динамическим откликом позволяет призерам Паралимпийских игр с ампутированными конечностями преодолевать дистанцию на 100 метров примерно за одну секунду до олимпийского рекорда.

Механизмы амортизации для уменьшения силы удара

Когда люди с ампутированными конечностями во всем мире начали регулярно бегать трусцой, бегать и прыгать, стало очевидно, что отсутствие амортизации в протезах является ограничивающим фактором. Компания Flex-Foot представила конструкцию Re-Flex для голени в 1993 году, соединяющую подпружиненный амортизатор с опорой динамического отклика (рис.).Недавно исследования походки подтвердили, что этот тип компонента улучшает биомеханические характеристики протезов, что может объяснить восторженное отношение к таким устройствам и не спортсменами. ⁹

Протез голени и стопы Re-Flex, изготовленный из высокопрочных композитных материалов из углеродного волокна, включает подпружиненный амортизатор и плоские пружины в стопе, которые помогают продвигать ногу вперед во время ходьбы и занятий спортом. (Изображение любезно предоставлено Ossur)

До этого последнего десятилетия инвалиды бедра были вынуждены держать протезное колено в полном разгибе на протяжении большей части фазы опоры цикла походки, чтобы предотвратить коллапс ноги.Это не только приводит к неестественной походке, но и устраняет основной механизм поглощения ударов, обеспечиваемый биологическим коленом. Чтобы устранить этот недостаток, все большее число конструкций протезов коленного сустава теперь включают «функцию сгибания в стойке». Британская компания Blatchford первой предложила такую возможность, получившую название «надувное колено». ¹⁰ Когда человек с ампутированной конечностью несет вес на конечности, фрикционный тормоз автоматически срабатывает и стабилизирует колено, а небольшой резиновый элемент позволяет смещаться на несколько градусов для поглощения ударов и имитации сгибания колена на начальном этапе опоры.

Движение, управляемое микропроцессором

Первое искусственное колено с бортовым компьютером для улучшения симметрии походки людей с ампутированными конечностями в широком диапазоне скоростей ходьбы было разработано Блатчфордом в начале 1990-х годов. Исследования подтвердили, что эти «интеллектуальные протезы» предлагают инвалидам более надежную походку во время фазы качания цикла походки, позволяя им ходить с большей уверенностью и с меньшим энергопотреблением. ¹¹ ^{, 12}

C-Leg Otto Bock идет дальше, предлагая не только симметрию в фазе замаха, но также заметно улучшенную безопасность в фазе стойки, то есть колено не будет непреднамеренно прогибаться во время стояния. (Рис ).Датчики на голеностопном и голеностопном протезах постоянно оценивают положение ноги в пространстве во время ходьбы инвалида. Данные передаются в два микропроцессора внутри колена, а сопротивление гидравлического демпфера регулируется до 50 раз в секунду, оптимизируя жесткость колена на протяжении всего цикла походки (рис.). Способность этого колена автоматически повышать стабильность колена в течение микросекунд делает для людей с ампутированными конечностями намного проще и безопаснее ходить по неровной поверхности, ходить по наклонным поверхностям и спускаться по лестнице.

Усовершенствованные протезы коленей позволяют контролировать степень сгибания во время первоначальной нагрузки (сгибание в стойке), чтобы имитировать более нормальную модель походки и поглотить часть воздействия ходьбы на протез. (Изображение любезно предоставлено Отто Боком)

С-образная опора Otto Bock с компьютерным управлением коленом и встроенными датчиками движения и силы для оптимизации гидравлического демпфирования, облегчая как ходьбу, так и спуск по лестнице. (Изображение любезно предоставлено Отто Боком)

Предварительные исследования показывают, что инвалиды с такой чувствительной и стабильной электронной протезой стали более независимыми, уверенно справляясь с более сложными и разнообразными видами деятельности, чем с другими конечностями.¹³ ^{, 14} На основании повсеместного успеха более чем 1000 фитингов C-Leg на сегодняшний день ожидается, что клиническое применение таких протезов с микропроцессорным управлением стойкой и поворотом будет неуклонно расти. Такая техника стоит примерно в четыре раза дороже, чем конечности с механическим управлением коленом.

Скелетная фиксация протезов

Несколько десятилетий назад шведский врач Пер Бранемарк поразил стоматологов, разработав хирургическую технику постоянного закрепления искусственных зубов в челюсти.Несмотря на многочисленные крики о тщетности таких усилий с самого начала, его методы теперь приняты во всем мире как рутинный метод восстановления зубов. В последние несколько лет он обратил свое внимание на достижение аналогичных результатов для людей с ампутированными конечностями и нижних конечностей и вызвал аналогичные споры. ¹⁵ Предварительные результаты и восторженные отзывы участников, участвовавших в исследовании, оправдывают дальнейшее изучение этой техники (рис.).

Шведские эксперименты показывают, что прямое прикрепление протезов конечностей к остаточной кости возможно и обеспечивает лучший контроль, комфорт и сенсорную обратную связь.

Если эти протезы окажутся успешными в течение длительного времени (не менее 10 лет), прямое прикрепление протеза к скелету может избежать трудностей, связанных с созданием индивидуальных протезов, удобство прилегания которых зависит от объемного соответствия культи ампутации. Культя является динамичным органом, поэтому со временем она имеет тенденцию сокращаться (атрофироваться), хотя она также может набухать при нагревании или увеличении веса, что может привести к натиранию. При остеоинтеграции такие изменения объема не влияют на посадку протеза.

Недостатком этого метода является то, что он требует двухэтапного хирургического вмешательства для прикрепления титанового имплантата к кости. Процедура сопряжена с риском остеомиелита или инфекции на опоре имплантата, и тщательная личная гигиена является обязательным условием при выборе пациента. С практической точки зрения, типичный западный человек с ампутацией нижней конечности, пожилой человек с плохим кровообращением вряд ли станет кандидатом на столь сложную хирургическую процедуру. Это в первую очередь группа молодых людей, часто с травматическими ампутациями, для которых этот метод является наиболее перспективным.

Сравнительные испытания техники невозможны. На сегодняшний день пациенты, отобранные для процедуры, перенесли ампутации выше колена высокого уровня, при которых все другие методы протезирования не помогли. Тем не менее, трехлетнее наблюдение за несколькими десятками участников показало, что у людей с ампутированными конечностями с остеоинтегрированным протезом быстро развивается превосходный контроль над конечностью, по крайней мере, частично из-за повышенной чувствительности, которую Бранемарк назвал «остеоперцепцией». Ожидается, что эта комбинация повышенного комфорта, восприятия и контроля приведет к следующему витку технологических инноваций, как и раньше.

Создание реалистичных протезов

Хотя некоторым людям с ампутированной конечностью нравится внешний вид протезов как роботов, большинство предпочитают такие конечности, которые выглядят как живые и, следовательно, незаметные. Те же силиконовые материалы, которые способствуют комфорту гнезда, также были использованы для создания невероятно реалистичных внешних покрытий для устройств верхних и нижних конечностей.

Современное состояние техники — создание тщательно вылепленной пары для противоположной конечности с индивидуальной окраской, чтобы придать реалистичный вид.¹⁶ К сожалению, такие изготовленные на заказ протезные «оболочки» дороги (около 2500 фунтов стерлингов (3500 долларов США)), особенно потому, что они нуждаются в замене через несколько лет из-за неизбежного износа при нормальном использовании.

Силикон также является относительно тяжелым материалом, поэтому продолжается поиск легкой альтернативы, в идеале обеспечивающей большую гибкость и долговечность. Из-за связанных с этим затрат большинство людей с ампутированными конечностями в настоящее время получают «полузаказные» внешние покрытия, которые массово производятся промышленным способом из менее дорогих материалов и обеспечивают только общий внешний вид.

Потенциал недорогих протезов с ограниченными функциями

Современное промышленное производство, особенно с использованием литьевых пластмасс, может создавать легкие и недорогие компоненты с достаточными функциями для ограниченной ходьбы, и этого может быть вполне достаточно для сегодняшнего типичного пожилого инвалида. Некоторые конструкции также могут быть влагостойкими и, следовательно, подходящими для использования в душе или на пляже. Более низкие производственные затраты на такие устройства могут позволить их использование в развивающихся странах, где стоимость более сложных технологий непомерно высока.Душевая кабина, разработанная Blatchford, является примером этой тенденции. Компания также разработала специальную линейку пластиковых протезов Atlas Prostheses, разработанных специально для использования в тропическом климате.

Международный комитет Красного Креста выступил с инициативой по производству недорогих протезов из полипропиленового пластика, изготовленных неквалифицированными местными рабочими, для районов, где конфликты или экологические катастрофы привели к большому количеству травматических ампутаций (см. Www.icrc.org) .Эти устройства хорошо зарекомендовали себя в клинической практике, хотя сообщалось о некоторых проблемах с их долговечностью. ¹⁷ ^{, 18}

Будущее развитие

Будущее развитие протезов будет во многом зависеть от спроса. Рынок недорогих устройств с ограниченным функционалом будет продолжать расширяться, стремясь удовлетворить потребности развивающихся стран, а также ограничения финансирования, которые становятся все более распространенными во всех странах. В то же время инновационные технологии будут по-прежнему адаптироваться из аэрокосмической и компьютерной отраслей и применяться к высокопроизводительным протезам, функция которых будет все более и более приближаться к отсутствующей конечности.

Первоначально инновации в протезировании часто использовались экономно, в первую очередь инвалидами с частным финансированием, особенно теми, кто являются конкурентоспособными спортсменами. По мере накопления опыта производители обнаруживают, как применять те же принципы к устройствам умеренной стоимости, предназначенным для менее активных людей, и в результате производительность протезов в целом будет постепенно улучшаться.

Аналогичным образом, некоторые из новых материалов и приложений будут использоваться в интересах людей с ампутацией в развивающихся странах, несмотря на различия в причинах ампутации и потребностях людей.На самом деле именно финансовые ограничения ограничивают темпы развития ортопедической реабилитации, и одна из самых больших проблем нового тысячелетия будет заключаться в том, чтобы найти волю и способ финансировать широкое применение инноваций в протезировании.

Дополнительная информация о протезах конечностей

Сноски

Конкурирующие интересы: Отто Бок нанял JWM. С 1999 года он был независимым консультантом в области протезирования и ортопедии и поэтому может консультировать любую из компаний, упомянутых в этой статье.Он получил оплату за организацию образовательных программ, выступление или консультации от Отто Бока и от Flex-Foot, недавно приобретенного Ossur.

Список литературы

1. Статистическая база данных по инвалидам для Соединенного Королевства 1998/99. Эдинбург: ISD Publications; 2000. [Google Scholar] 2. Ислингер РБ, Кулько Т.Р., Макхейл К.А. Обзор ортопедических травм в трех недавних военных конфликтах в США. Mil Med. 2000; 165: 463–465. [PubMed] [Google Scholar] 3. Мид П., Мироча Дж. Пострадавшие от наземных мин среди гражданского населения в Шри-Ланке.J Trauma. 2000; 48: 735–739. [PubMed] [Google Scholar] 4. Кристинссон О. Концепция ICEROSS: обсуждение философии. Prosthet Orthot Int. 1993; 17: 49–55. [PubMed] [Google Scholar] 5. Хайм М., Вершавски М., Звас С.Т., Сиев Нев И., Надворна Х., Азария М. Силиконовая подвеска наружных протезов: новая эра в использовании протезов конечностей. J Bone Joint Surg. 1997. 79B: 638–640. [PubMed] [Google Scholar] 6. Хсу М.-Дж., Нильсен Д.Х., Як Г.Дж., Шурр Д.Г. Физиологическое измерение ходьбы и бега у людей с транстибиальной ампутацией с 3 различными протезами.J Orthop Sports Phys Ther. 1999. 29: 526–533. [PubMed] [Google Scholar] 7. Пауэрс К.М., Торберн Л., Перри Дж., Айяппа Э. Влияние конструкции протеза стопы на здоровую нагрузку на конечности у взрослых с односторонними ампутациями ниже колена. Arch Phys Med Rehabil. 1994; 75: 825–829. [PubMed] [Google Scholar] 8. Lehmann JF, Price R, Boswell-Bessette S, Dralle A, Questad K, De Lateur BJ. Всесторонний анализ энергоаккумулирующих протезов стопы: стопа Flex и стопа Seattle по сравнению со стандартной стопой SACH. Arch Phys Med Rehabil.1993; 74: 1225–1231. [PubMed] [Google Scholar] 9. Миллер Л.А., Чайлдресс Д.С. Материалы 8-го всемирного конгресса Международного общества протезистов и ортопедов. Мельбурн, Австралия: Международное общество протезирования и ортопедии; 1995. Вертикальная податливость в протезах стопы: предварительное исследование [аннотация] стр. 1–8. [Google Scholar] 10. Фишер Л.Д., лорд М. Надувное колено в полуавтоматическом протезе с фиксатором колена. Prosthet Orthot Int. 1986; 10: 35–39. [PubMed] [Google Scholar] 11. Бакли Дж. Г., Спенс В. Д., Соломонидис С.Энергозатраты на ходьбу: сравнение «интеллектуального протеза» с традиционным механизмом. Arch Phys Med Rehabil. 1997. 78: 330–333. [PubMed] [Google Scholar] 12. Тейлор МБ, Кларк Э., Оффорд Э.А. Сравнение расхода энергии транс-бедренным пациентом с ампутированной конечностью, использующего интеллектуальный протез, и протезами с традиционным демпфированием. Prosthet Orthot Int. 1996. 20: 116–121. [PubMed] [Google Scholar] 13. Кастнер Дж, Ниммерволл Р., Вагнер И.П. «Был ли kann das C-leg?» — Ganganalytischer vergleich von C-leg, 3R45 и 3R80 (Каковы преимущества C-ноги Отто Бока? Сравнительный анализ походки C-ноги, 3R45 и 3R80) Med Orthop Tech.1999. 119: 131–137. [Google Scholar] 14. Dietl H, Bargehr H. Der einsatz von elektronik bei prothesen zur versorgung der unteren extremitat (Применение электроники в протезировании нижних конечностей) Med Orthop Tech. 1997. 117: 31–35. [Google Scholar] 15. Lundborg G, Branemark P-I, Rosen B. Остеоинтегрированные протезы большого пальца: концепция фиксации протезов пальцев. J Hand Surg. 1996; 21A: 216–221. [PubMed] [Google Scholar] 16. Бакнер H, Майкл JW. Варианты протезов пальцев. J Prosthet Orthot.1994; 6: 10–19. [Google Scholar] 17. Верхофф Т.Т., Поэтсма П.А., Гассер Л., Тунг Х. Оценка использования и долговечности полипропиленовых транстибиальных протезов. Prosthet Orthot Int. 1999; 23: 249–255. [PubMed] [Google Scholar] 18. Стин Йенсен Дж., Хайм С. Оценка полипропиленовых протезов, разработанных Международным комитетом Красного Креста для транстибиальных ампутантов. Prosthet Orthot Int. 2000; 24: 47–54. [PubMed] [Google Scholar]

Протезирование | Искусственные конечности | Замена конечности для ампутантов

Следующая часть протеза конечности называется подвесной системой.Эта часть удерживает конечность прикрепленной к телу пользователя. Эта система подвески может использовать несколько механизмов, а именно ремни, ремни и рукава. Часто всасывающий механизм используется в подвеске, где конечность легко стыкуется с остаточной конечностью с помощью герметичного уплотнения.

Хотя основные части заменяемых конечностей могут быть одинаковыми, каждое протезное устройство на самом деле очень уникально и предназначено для определенного типа и категории ампутации. По этой причине каждое устройство настраивается и разрабатывается в соответствии с потребностями пациента.

Например, если ампутация проводилась ниже колена или выше или ниже крупного сустава, требования к типу протеза резко изменились бы. Ампутация выше колена известна как трансфеморальная ампутация, для которой потребуется устройство с ложным коленом, в то время как ампутация ниже колена, называемая транстибиальной ампутацией, не потребует искусственного колена, поскольку пациент может использовать собственное колено.

Что такое протезист?

Ответственность за настройку протезного устройства в соответствии с потребностями пациента возлагается на профессионала, известного как протезист.Этот человек является экспертом и специализируется на изготовлении и установке протезов конечностей. Этот человек обычно обладает техническими знаниями, наряду с анатомией и физиологией.

Процесс проектирования и изготовления состоит из нескольких этапов. Протезист может начать работу с пациентом уже до ампутации. Он или она может начать измерения и начать процесс изготовления. Когда хирургическая рана зажила через несколько недель, гипсовую форму, сделанную из остаточной конечности, используют в качестве шаблона для изготовления дубликата конечности.

Затем выполняются компьютеризированные цифровые измерения для совершенствования конструкции. Больше внимания уделяется структуре остаточной конечности пациента, а также расположению мышц, сухожилий, различных костей, а также здоровью пациента и состоянию кожи.

Физиотерапия и ортопедические приспособления

Крайне важно пройти физиотерапию после установки протеза, чтобы помочь пациенту привыкнуть к протезу.Например, может быть очень сложно научиться ходить с протезом ноги, и это может занять несколько месяцев при надлежащей реабилитации и обучении. Затем протезист может наблюдать за человеком, использующим протез, а затем, при необходимости, может отрегулировать и настроить устройство в соответствии с потребностями пациента.

Лицо, ответственное за эту задачу, должно уделять пристальное внимание стыку между остаточной конечностью и протезом пациента. Остаточная конечность может сморщиться после ампутации или из-за недостаточного использования мышцы.Следовательно, возможно, что потребуется новая розетка, чтобы приспособиться к уменьшению размера.

Если пациентом является ребенок, протезист должен уделять ему особое внимание и работать в тесном контакте с ним, чтобы обеспечить изменение размеров конечностей и их замену по мере необходимости, чтобы не отставать от естественного роста ребенка.

Обычно пациенту необходимо регулярно посещать протезиста по разным причинам, например, для регулировки, изменения формы или замены протезного устройства.По данным Национального информационного центра по потере конечностей, средний протез имеет трехлетний срок службы.

Реабилитация протеза для пожилых людей с ампутированной ногой на уровне колена или выше из-за проблем с кровообращением

Предпосылки

Проблемы с недостаточным кровообращением в ногах (дисваскулярность), особенно у людей старше 60 лет, могут быть настолько серьезными, что им необходимо ампутировать ногу. Это может произойти как на уровне колена, так и выше.Сопутствующие заболевания (сопутствующие заболевания), такие как диабет, сердечно-сосудистые или сердечные заболевания, могут повлиять на реабилитацию человека. Когда устанавливается протез (протез) выше или через колено, человеку трудно восстановить подвижность и функции, и некоторые люди предпочитают использовать инвалидное кресло. Мотивация, комфорт, косметический внешний вид, функциональность, надежность, простота использования, предыдущая мобильность и дополнительные усилия, необходимые для использования протеза, — все это важные факторы, которые могут повлиять на независимость человека и использование протеза.Страх падения, количество падений, социальные обстоятельства, а также помощь и поддержка других людей также являются важными факторами. Авторы обзора провели поиск исследований, сравнивающих различные типы реабилитации, которые могут улучшить мобильность или функциональность у пожилых людей с использованием протезов.

Характеристики исследования и ключевые результаты

Рецензенты обнаружили только одно контролируемое исследование среднего методологического качества (последний поиск, 14 июня 2018 г.). Это испытание имело перекрестный дизайн, и каждому из 10 участников в случайном порядке добавляли к протезу ниже колена три, казалось бы, одинаковых веса протеза.Все протезы представляли собой протезы модульного типа. Участники — девять мужчин и одна женщина — были старше 50 лет, а восемь — старше 60 лет. В течение нескольких часов испытания четыре участника предпочли самый легкий вес (150 г), пять — средний вес (770 г) и один — самый тяжелый вес (1625 г). Семь из 10 человек успешно оценили веса от самого легкого до самого тяжелого. Вес не повлиял на скорость ходьбы участников в тесте с двухминутной ходьбой. Авторы исследования не сообщили о побочных эффектах.

Качество доказательств и выводов

Включение только одного испытания с небольшим количеством участников, коротким воздействием разного веса в лабораторных условиях и тем фактом, что наблюдались различия в весе между людьми и предел их протезов полезность этих выводов. Ограниченные доказательства, включенные в этот обзор, имеют очень низкое качество и недостаточны для обоснования выбора ортопедической реабилитации, включая оптимальный вес протеза, после односторонней трансфеморальной ампутации у пожилых людей с нарушением кровоснабжения сосудов.

Боль в протезах можно уменьшить с помощью мониторинга в реальном времени

23 июля 2013 г.

Когда Рон Бейли потерял правую ногу ниже колена 10 лет назад после лобового столкновения, ему установили протез ноги и он начал учиться использовать его в своей повседневной жизни в качестве агента по недвижимости в Federal Way, Вашингтон.

Кристиан Редд, докторант Калифорнийского университета в области биоинженерии, измеряет и отмечает, где электроды будут размещены на ноге Рона Бейли.Электроды подключаются к портативному устройству, которое отслеживает отек и сокращение его конечности. Мэри Левин, Университет Вашингтона.

Через пару лет после ампутации 66-летний Бейли сказал, что оставшаяся часть его ноги уменьшилась, что является обычным явлением после операции. Это вызвало у него дискомфорт в гнезде, в месте соединения его конечности с протезом. Чтобы сделать его достаточно удобным для ношения, Бейли заменил розетки разных размеров и использовал кусочки ткани, называемые носками, чтобы смягчить удар и отрегулировать посадку.

«В конце концов, розетка — самая важная часть», — сказал Бейли. «У вас может быть отличный протез стопы, но если гнездо неудобно, вы не собираетесь его носить».

Многие люди, пользующиеся протезами, ежедневно испытывают боль в месте соприкосновения кожи с глазницей, особенно те, кто страдает диабетом или другими заболеваниями, влияющими на их физиологию.

Инженеры

Вашингтонского университета стремятся облегчить этот дискомфорт с помощью исследований, которые могут помочь в создании более совершенных розеток.Они разработали устройство, которое отслеживает, насколько сильно отекает и сжимается конечность человека, когда он находится внутри протеза. Эти данные могут помочь врачам и пациентам предсказать, как и когда их конечности будут опухать, что может быть использовано для создания более умных розеток.

«Это дает нам возможность увидеть, что происходит», — сказала главный исследователь Джоан Сандерс, профессор биоинженерии из Университета штата Вашингтон. «Я действительно воодушевлен тем, что у нас есть на данный момент».

Мягкие ткани в лунке протеза часто набухают и сжимаются в течение дня.Это естественное колебание, которое происходит, когда мы увеличиваем физическую активность, сидим или стоим и даже едим соленую пищу. Но в фиксированной лунке эти изменения объема жидкости могут быть особенно болезненными, вынуждая людей искать облегчения, удаляя протез или регулируя плотность посадки, добавляя или удаляя тканевые носки.

Если врачи могут отследить, когда у человека обычно происходят изменения объема в его или ее гнезде протеза, они могут лучше подобрать пациентов с протезами и уменьшить количество боли, сказала Кейт Аллин, ведущий протезист группы, которая много лет работала над созданием протезов. примерка протезов пациентам.

Портативное устройство отслеживает, насколько сильно опухает и сжимается конечность человека, когда он находится внутри протеза. Джоан Сандерс, Университет Вашингтона.

Устройство измеряет процент увеличения или уменьшения объема жидкости в конечности пациента, получая данные от небольших электродов, размещенных в разных точках на ноге. Электронный прибор можно носить в поясной сумке и включать в себя печатную плату, которая вычисляет изменение объема жидкости в тканях ног, передавая данные по беспроводной сети на компьютер или сохраняя их на устройстве.За последние два года инженеры испытали более крупный прототип примерно на 60 пациентах в своей лаборатории в Сиэтле. Теперь у них есть портативная версия размером с чековую книжку, которую они принесли в клиники Сиэтла и Сан-Франциско.

Исследователи тестируют устройство, предлагая пациентам выполнить распорядок дня, который включает сидение, стояние и ходьбу, поскольку устройство регистрирует изменения жидкости. В лаборатории UW Бейли выполняет серию 90-секундных упражнений с портативным устройством. Данные передаются по беспроводной сети на планшет, который отображает изменения в размере его конечностей примерно 15 раз в секунду.Спустя десять лет после аварии Бейли может делать почти все, что ему нравилось раньше, — без боли. Но у него все еще наблюдается усыхание остаточной конечности, и в течение последних восьми лет он помог команде UW тестировать различные прототипы устройств и инструментов.

Устройство помещается в поясную сумку, и данные с электродов подаются в устройство с помощью тонкой проволоки. Мэри Левин, Вашингтон, Вашингтон.

Исследователи надеются, что в ближайшем будущем клиники смогут использовать аналогичную процедуру, чтобы отслеживать характер отечности и уменьшения размеров пациента.

«У каждого человека есть свои особенности и качества, которые влияют на изменение объема конечностей», — сказал Сандерс. «Вы действительно должны смотреть на каждого человека в индивидуальном порядке».

В более долгосрочной перспективе исследователи хотят создать устройство меньшего размера, которое пациенты могли бы носить пару недель или дольше, чтобы отслеживать изменения в размере конечностей во время выполнения повседневных дел.

Есть надежда, что суставы протеза конечностей станут более прочными и гибкими, приспосабливаясь к естественным изменениям опухоли, не вызывая дискомфорта или неудобств.По словам Аллина, устройство UW является многообещающим для понимания того, как проектировать эти умные протезы.

Этим летом команда будет работать с пациентами в США и Канаде, которые используют вакуумно-аспирационную технологию, чтобы помочь своим остаточным конечностям плотно прижаться к глазницам и отрегулировать прилегание, когда ткани набухают и сжимаются. Пациенты говорят, что этот пылесос может помочь улучшить комфорт в розетке и уменьшить боль, но технология требует тщательного обслуживания и может вызвать сбои при включении шумного пылесоса.

Исследовательская группа работает с базирующейся в Сиэтле компанией Spencer Technologies над созданием аппаратного обеспечения и D.E. Hokanson, Inc. по дизайну.

Исследование финансируется за счет четырехлетнего гранта в размере 2,6 миллиона долларов от Министерства обороны США.

###

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Сандерсом по адресу [email protected] или 206-221-5872.

Теги: Инженерный колледж • Департамент биоинженерии • Джоан Сандерс • Медицинский факультет

Эта нога с открытым исходным кодом и искусственным интеллектом упрощает разработку протезов

Открытые источники, уже оказавшие доминирующее влияние на разработку протезов рук, теперь готовы переосмыслить дизайн протезов ног благодаря инициативе, возглавляемой Мичиганским университетом и лабораторией Shirley Ryan AbilityLab.

Доцент Мичиганского университета Эллиот Роуз и директор AbilityLab Леви Харгроув представили свой роботизированный протез ноги (OSL) с открытым исходным кодом на конференции Amazon Re: MARS в Лас-Вегасе в июне 2019 года.

Устройство, работающее на одноплатном компьютере Raspberry Pi, использует искусственный интеллект (AI), чтобы определить, что пользователь собирается делать дальше, и соответствующим образом отреагировать. Он воспринимает сигналы сокращения от оставшихся мышц, с которыми он связан, а затем использует эту информацию для сокращения и поворота по мере необходимости, обучаясь совершенствоваться на каждом шагу.

Роуз и Харгроув стремятся объединить фрагментированное поле протезов ног, давая возможность любой исследовательской группе создать устройство, которое они разработали. Их веб-сайт opensourceleg.com содержит инструкции по созданию, сборке и управлению OSL.

Дизайн в стиле дронов

Через этот веб-сайт исследователи могут получить доступ к конкретным материалам, используемым для построения OSL, а также к поставщикам, через которые они могут получить доступ к этим материалам. Нога была разработана с использованием моторной технологии, разработанной для индустрии дронов, с плоскими моторами в виде блинов внутри, которые меняют скорость на крутящий момент. Это позволяет пользователю более эффективно управлять своим протезом и позволяет ему ходить более естественно.

Когда нога построена, исследователи, использующие OSL, могут загрузить программное обеспечение AI, которое сообщает ноге, как двигаться.Результирующие алгоритмические данные от разных пользователей OSL также имеют открытый исходный код. Общая платформа позволяет напрямую сравнивать различные варианты использования программного обеспечения, которые исследователи могут затем объединить и развить.

Полная бионическая нога, изготовленная в соответствии со спецификациями веб-сайта, будет стоить каждому производителю 28 500 долларов.

Наряду с прочностью и относительно низкой стоимостью (полная бионическая опора, изготовленная в соответствии со спецификациями веб-сайта, будет стоить каждому производителю 28 500 долларов США), система разработана так, чтобы быть простой и легкой в изготовлении.Видео в Интернете подробно описывают каждый этап процесса строительства.

Разработчики также сосредоточились на том, чтобы сделать OSL портативной и практичной. Одна и та же физическая структура может действовать как колено или лодыжка в зависимости от индивидуальных потребностей пациента, то есть OSL может использоваться инвалидами выше и ниже колена. Встроенный блок питания и управляющая электроника позволяют проводить испытания в любом месте, а это означает, что испытания устройства не ограничиваются лабораторными настройками.

Роуз сказал: «Наша бионическая нога с открытым исходным кодом позволит исследователям эффективно решать задачи, связанные с контролем бионических ног, в различных областях деятельности в лаборатории и в обществе.Кроме того, мы надеемся, что наша бионическая нога объединит исследователей с помощью общей аппаратной платформы и позволит новым исследователям из смежных областей разрабатывать инновационные стратегии контроля ».

Экономия миллионов исследователей

Исследователи, которые работают напрямую с людьми с ограниченными возможностями, часто начинают с нуля, создавая свои собственные роботизированные системы. OSL может помочь полностью обойти этот процесс и связанные с ним затраты на НИОКР, которые могут достигать миллионов долларов. Клиницисты, работающие с OSL, смогут проводить свои исследования в рамках той же системы, оптимизируя процесс разработки устройств и предлагая пациентам лучшие медицинские решения.

Харгроув сказал: «Несмотря на то, что дизайн и код бесплатны, ножка по-прежнему является высококлассной современной машиной. Это уникальная система plug-and-play, которая позволяет ученым избежать затрат на исследования и разработки в миллионы долларов и немедленно начать испытания протезов колена и лодыжки. Это эффективно снижает барьеры для входа исследователей ».

Роуз и Харгроув подчеркнули, что OSL задуман как исследовательский инструмент, а не как домашнее устройство для повседневного использования пациентом.Тем не менее, пациентов, участвующих в проекте, поощряют помогать улучшать дизайн и расширять знания ИИ посредством своих отзывов в ходе испытаний. Корпоративным компаниям также предлагается создать прототип ноги с собственными деталями для улучшения дизайна.

Несмотря на то, что дизайн и код бесплатны, ножка по-прежнему является высококлассной современной машиной.

Медицинские устройства отличаются от программного и аппаратного обеспечения других отраслей тем, что технология имеет этический аспект. Хотя это сложно во все более взаимосвязанном мире, люди могут отказаться от других современных технологий, таких как смартфоны или потоковая передача.Но отказаться от медицинской помощи невозможно.

Открыв исходный код своей работы, исследователи медицинского оборудования не просто могут сотрудничать по всему миру и получать более точные данные, чем если бы они работали в одиночку и в частном порядке. Благодаря обмену данными и идеями они обладают значительной способностью уменьшать страдания пациентов и улучшать качество жизни людей.

Роуз сказал: «Это представляет собой будущее исследований — быстрое прототипирование роботизированного оборудования с открытым исходным кодом и встроенных систем с общим кодом.”

Связанные компании

GSR Technology Europe

Индивидуальные и стандартные оптоэлектронные решения для медицинской промышленности

28 августа 2020

Робототехника обещает протезы, имитирующие здоровые конечности | VUMC Reporter

Ранняя версия протеза нижней конечности, разработанная Центром интеллектуальной мехатроники.(Джон Рассел / Вандербильт)

Последние достижения в области робототехники позволяют создавать протезы, которые могут дублировать естественные движения человеческих ног. Эта способность обещает значительно улучшить подвижность людей с ампутированными нижними конечностями, позволяя им преодолевать лестницы, склоны и неровную поверхность, значительно снижая риск падения, а также уменьшая нагрузку на остальные части их тела.

Профессор Майкл Гольдфарб с Крейгом Хатто, который потерял ногу в результате нападения акулы и служил подопытным при разработке протеза ноги.(Джон Рассел / Вандербильт)

Это точка зрения Майкла Гольдфарба, профессора машиностроения Х. Форт Флауэрс, и его коллег из Центра интеллектуальной мехатроники Университета Вандербильта, выраженная в перспективной статье в номере журнала от 6 ноября. Трансляционная медицина .

В течение последнего десятилетия команда Гольдфарба проводила новаторские исследования в области протезирования нижних конечностей. Он разработал первый роботизированный протез с приводом как для коленного, так и для голеностопного сустава.И эта конструкция стала первой искусственной ногой, управляемой мыслью, когда исследователи из Реабилитационного института Чикаго создали для нее нейронный интерфейс.

В статье Гольдфарб и аспиранты Брайан Лоусон и Аманда Шульц описывают технологические достижения, которые сделали роботизированные протезы жизнеспособными. К ним относятся литий-ионные батареи, способные накапливать больше электроэнергии, мощные бесщеточные электродвигатели с редкоземельными магнитами, миниатюрные датчики, встроенные в полупроводниковые микросхемы, особенно акселерометры и гироскопы, а также компьютерные микросхемы с низким энергопотреблением.

Размеры и вес этих компонентов достаточно малы, чтобы их можно было объединить в упаковку, сопоставимую с упаковкой биологической ноги, и они могут дублировать все ее основные функции. Электродвигатели играют роль мышц. Батареи хранят достаточно энергии, поэтому ноги робота могут работать целый день без подзарядки. Датчики выполняют функцию нервов в периферической нервной системе, предоставляя важную информацию, такую как угол между бедром и голенью, сила, действующая на подошву стопы и т. Д.Микропроцессор обеспечивает координационную функцию, обычно обеспечиваемую центральной нервной системой. А в самых продвинутых системах нейронный интерфейс улучшает интеграцию с мозгом.

В отличие от пассивных искусственных ног, ноги робота могут двигаться независимо и не синхронизироваться с движениями пользователя. Таким образом, по словам авторов, разработка системы, которая объединяет движение протеза с движением пользователя, «существенно важнее для роботизированной ноги».

Эта система управления должна не только координировать действия протеза в рамках деятельности, такой как ходьба, но также должна распознавать намерение пользователя перейти от одного действия к другому, например, от ходьбы до подъема по лестнице.

Аспиранты Брайан Лоусон и Аманда Шульц получили премию Института Висса и IEEE Engineering in Medicine and Biology Award за трансляционные исследования за свою работу над роботизированным протезом ноги. (Центр интеллектуальной мехатроники / Вандербильт)

Для определения намерений пользователя требуется определенная связь с центральной нервной системой.В настоящее время существует несколько различных подходов к установлению этой связи, которые сильно различаются по инвазивности. В наименее инвазивном методе используются физические датчики, которые определяют намерения пользователя по языку его тела. Другой метод — интерфейс электромиографии — использует электроды, имплантированные в мышцы ног пользователя. Наиболее инвазивные методы включают имплантацию электродов непосредственно в периферические нервы пациента или непосредственно в его или ее мозг. До сих пор не решено, какой из этих подходов окажется лучшим.«Подходы, которые влекут за собой большую степень инвазивности, очевидно, должны оправдывать инвазивность существенными функциональными преимуществами», — говорится в статье.

Авторы указывают на ряд потенциальных преимуществ бионических ног.

Исследования показали, что пользователи, оснащенные протезами нижних конечностей с усиленными коленными и пяточными суставами, естественно ходят быстрее с меньшим усилием на бедро, затрачивая меньше энергии, чем при использовании пассивных протезов.

Кроме того, люди с ампутированными конечностями, использующие обычные протезы ног, падают, что приводит к более высокой частоте госпитализации, чем пожилые люди, живущие в специализированных учреждениях.На самом деле этот показатель наиболее высок среди молодых людей с ампутированными конечностями, по-видимому, потому, что они с меньшей вероятностью ограничивают свою деятельность и местность. Есть несколько причин, по которым роботизированный протез должен снижать частоту падений: пользователям не нужно компенсировать недостатки в его движении, как они это делают в случае пассивных ног, потому что он движется как естественная нога. Как при ходьбе, так и стоя, он лучше компенсирует неровную поверхность. Активные реакции могут быть запрограммированы в роботизированную ногу, которая помогает пользователям восстанавливаться после спотыкания.

Однако, прежде чем люди в США смогут начать осознавать эти преимущества, новые устройства должны быть одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA).

Предкоммерческая версия роботизированной ноги. (Центр интеллектуальной робототехники / Вандербильт)

Устройства с одинарным шарниром в настоящее время считаются медицинскими устройствами класса I, поэтому они подлежат минимальному нормативному контролю. В настоящее время трансфеморальные протезы обычно изготавливают путем объединения двух односуставных протезов.В результате они также считаются устройствами Класса I.

В роботизированных ногах коленный и голеностопный суставы связаны электроникой. Согласно FDA, они производят многосуставные устройства, которые относятся к медицинским устройствам класса II. Это означает, что они должны соответствовать ряду дополнительных нормативных требований, включая разработку стандартов эффективности, послепродажное наблюдение, создание реестров пациентов и особые требования к маркировке.

Еще одна трансляционная проблема, которую необходимо решить, прежде чем роботизированные протезы станут жизнеспособными продуктами, — это необходимость дополнительного обучения клиницистов, назначающих протезы.Авторы указывают, что поскольку новые устройства значительно сложнее стандартных протезов, клиницистам потребуется дополнительное обучение робототехнике.

В дополнение к роботизированной ноге Центр интеллектуальной мехатроники Гольдфарба разработал усовершенствованный экзоскелет, который позволяет людям с параличом нижних конечностей вставать и ходить, что привело к тому, что журнал Popular Mechanics назвал его одним из 10 новаторов, изменивших мир в 2013 году, и рука робота с ловкостью, которая приближается к человеческой руке.

Нет, сенатор Кирстен Синема не имеет протеза ноги

Сенатор Кирстен Синема появился вместе с группой двухпартийных сенаторов и президента Джо Байдена в Белом доме в четверг утром, чтобы объявить о сделке по пакету инфраструктуры.

Но в социальных сетях на фотографиях и видео было видно, как Синема, штат Вашингтон, хромает на то, что, похоже, было опорой для ног. В видео, размещенном в Твиттере, Sinema шутит видеооператорам, чтобы они «попытались отрезать ножку колышка».

Озадаченные пользователи социальных сетей и Google задались вопросом, что случилось с ногой Sinema, и некоторые даже спросили, был ли у Sinema протез ноги или ампутация ноги.

На самом деле, Синема недавно повредила правую ногу во время марафона в штате Вашингтон в этом месяце. По словам представителя, ее сломанная ступня стала причиной того, что она пропустила двухпартийный ужин, устроенный вице-президентом Камалой Харрис на прошлой неделе для женщин-сенаторов США. Ее отсутствие сделало ее единственным демократом и одной из двух женщин-сенаторов, пропустивших ужин.

Пользователи Reddit определили устройство, которое Sinema использовал как костыль громкой связи iWALK 3.0.

Недавно Sinema вместе с Sen.Джо Манчин, штат Вашингтон, США, вызвал разногласия среди левых из-за того, что поддержал флибустьера — правила Сената, требующего большинства в 60 голосов для принятия большинства законов. Некоторые демократы хотят избавиться от правила пиратов, потому что они видят в нем препятствие для прохождения законодательной повестки дня Байдена в сенате из 100 членов, который поровну разделен между демократами и республиканцами.