Биомеханика в медицине – пришло время киборгов?
С развитием технологий совместные усилия конструкторов и врачей уже способны подарить полноценную жизнь любому инвалиду, заменив многофункциональным протезом больной или утраченный орган.
Биомеханика изучает движение живого организма, а также механические процессы, происходящие в системах, органах и тканях. История этой науки началась еще с античных времен – вспомним хотя бы широко известного итальянского врача по имени Гален. Плодами его трудов потомки пользовались свыше тысячи лет.
Существует мнение, что первые протезы появились в Древней Индии и Египте. Конечно, они были крайне примитивны и заменяли утраченную конечность не самым лучшим образом. К аналогичным протезам можно отнести крюки пиратов вместе с деревянными культями.
В некоторых случаях несчастный довольствовался только чисто косметическим эффектом, например, изготовленный из стекла глаз мог маскировать утрату настоящего, но не выполнял его функций. И лишь в 19-ом веке появились перспективные протезы рук, в которых сгибался локтевой сустав, сжимались и разжимались пальцы.
Прорыв в биомеханике
Двадцатое столетие вывело протезирование на более высокий уровень развития. У врачей прошлого века появилась возможность замены не только конечностей, но и внутренних органов. Так в 1937-ом году пионер трансплантологии В. П. Демихов вживил собаке искусственное сердце. Несмотря на то, что животное прожило недолго, была подтверждена жизнеспособность самой идеи. В наши дни искусственные артерии, клапаны и сердца представлены широким рядом моделей.
Сейчас во всем мире медики проводят многочисленные операции по установке слуховых аппаратов и искусственного глазного хрусталика, сращиванию сломанных костей и замене изношенных суставов. Человечество стоит на пороге решения таких задач, как создание искусственных органов и конечностей, способных полноценно восстановить все утраченные ранее функции.
Механическая конечность
В пошедшем столетии некоторые технологии получили такое развитие, что были созданы манипуляторы, возможности которых превосходят физические способности руки человека. Под управлением микропроцессоров они давно применяются в промышленности. Естественно появилась мысль о создании совершенных механических рук и ног.
Сегодня с полной уверенностью можно заявить, что дело сдвинулось с мертвой точки. Пионером в разработке уникальных бионических протезов по праву считается британская компания Touch Bionics. Пользуясь государственной поддержкой, она изготавливала протезы для ветеранов, а уже с 2007-го года фирма перешла в коммерческий сектор со своей брендовой линейкой конечностей.
Протезы, изготавливаемые Touch Bionics, содержат специальные датчики. Они фиксируют самый слабый электрический импульс, возникающий от сокращения мускулов той части конечности, которой удалось уцелеть. Протез реагирует на работу мышц и выполняет запрограммированные движения. После некоторой тренировки пациент свободно двигает пальцами, берет предметы и регулирует силу сжатия.
Американские ученые, работающие в университете Джона Хопкинса, тоже добились впечатляющих результатов. Их пациент, который лишился обеих рук еще 40 лет назад, с помощью протезов смог выполнять простые движения – брать чашку или газету, переключать телевизионные каналы на пульте.
Но все-таки технология миоэлектрики имеет свой недостаток. Отсутствие связи с нервной системой позволяет выполнять лишь запрограммированные действия. С этой проблемой ведут борьбу ученые из Швеции в Техническом университете Чалмерса. Здесь создают бионические конечности, которые управляются смешанным принципом: частично с помощью методов миоэлектрики, а частично – путем улавливания электрических сигналов нервной системы. Последнее достигается при помощи электродов, которые имплантируются в тело. Подобная технология позволяет интуитивно управлять протезами.
Одновременно ученые всего мира трудятся над созданием протезов ног. Эти искусственные конечности не нуждаются в механизмах для мелкой моторики движений, но и тут есть свои нюансы: человек должен забыть, что у него протез. Такого результата пока достичь не удается, но все-таки определенный прогресс существует. На протезах ног люди уже совершали многокилометровые походы, доходили пешком до верхних этажей самых высоких небоскребов, одним словом, делали то, что не под силу даже некоторым здоровым людям.
Увидеть мир заново
Разработать устройство, способное заменить человеку зрение, – это самая тяжелая задача. Еще далек тот день, когда появится прибор, который полностью компенсирует человеку потерю зрения, но в данном направлении некоторые шаги уже сделаны. В настоящее время активно разрабатывается искусственная сетчатка глаза. Заболевание именно этого органа становится причиной потери зрения чаще всего.
Американские исследователи уже представили прибор под названием «Аргус 2», который может стать прототипом первого бионического глаза. Очки со встроенной камерой подают сигнал на компьютер прибора. Там он проходит обработку и переводится на приемник, где трансформируется в команду электродам, вживленным в глаз. Электроды стимулируют клетки зрительного нерва и сетчатки, что дает возможность вернуть зрение.
Современные модели «Аргус» имеют лишь 60 электродов, а это крайне мало. Но даже такой прибор во время клинических испытаний дал возможность полностью слепым людям ориентироваться в пространстве и читать буквы большого размера. Американские ученые собираются увеличить разрешение созданного аппарата и, в конечном счете, добиться восстановления зрения на 100 процентов.
В фирме Nano Retina существует свой подход к решению данной проблемы. Ее специалисты разработали своеобразный сенсор, имеющий разрешение 24Х24 пикселя, который подключен непосредственно к глазному нерву. Питание на имплантат подается через специальные очки, которые проецируют на него инфракрасное излучение. Имплантат преобразует данные пикселей в электрические импульсы, что дает возможность мозгу их разобрать.
Описанная система еще не проходила клинических испытаний, но согласно расчетам разработчиков, она покажет высокие результаты, и реализовать ее будет гораздо проще, чем модель «Аргус».
В свое время бионические протезы превратятся в повседневную реальность, а это уже первый шаг к появлению киборгов – уникального сочетания машины и человека. Но это будет совсем другая история.
