Протезы история. Протезирование: от деревянных ног до супергеройских костюмов

В целом искусственные конечности не сильно продвинулись с тех пор. Тем не менее этот железный протез, принадлежащий Готцу фон Берлихингену (1480 – 1562), немецкому рыцарю, служащему императору Священной Римской империи Карла V, показывает, как именно в протезах появились петли.

Искусственные конечности вроде этих были дорогими, но позволяли владельцам, потерявшим конечность, продолжать боевую карьеру. Пальцы на шарнирах позволяли поднимать щит, держать бразды или даже стрелу. Эту конечность для фон Берлихингена изготовил оружейный мастер.

Спустя столетия, огромное количество жертв американской гражданской войны привело к тому, что спрос на протезы взлетел до небес. Многие ветераны занялись разработкой собственных протезов в ответ на ограниченные возможности предлагаемых конечностей.

Джеймс Хэнгер, один из первых людей с ампутированными конечностями войны, запатентовал «протез Хэнгера». Самуэль Деккер (на фото) тоже сделал собственную искусственную конечность и стал пионером модульного дизайна протезов.


В конструкции на снимке у Декера есть ложка, прикрепленная к его механическим рукам, указывающая на способность выполнять все повседневные действия с помощью протезов. Сегодня же проекты протезов требуют большего, чем просто замены утерянной конечности, они должны предлагать молодым инвалидам определенный возврат способностей. Но поколение времен Декера впервые в истории могло позволить инвалидам жить полноценной жизнью.

В 1900-х годах пионеры дизайна протезов начали развивать идею специализированных искусственных конечностей. Проекты протезов становились все более специальными и все менее сугубо декоративными.


Накладные кончики на большой палец и мизинец на изображении ниже служили одной определенной цели. Это пример искусственной руки пианистки, которая выступала в Роял Альберт Холл в Лондоне в 1906 году. Растопыренные пальцы позволяли ей брать одну октаву целиком. Несмотря на ее момент славы, имя пианистки сейчас неизвестно. Музей наук, в котором сейчас хранится этот экземпляр, сделал все возможное, чтобы открыть ее личность.

Современные методы

Впервые протезы были запущены в серийное производство в ответ на огромное количество жертв в Первой мировой войне. В США, армейский госпиталь им. Уолтера Рида производил множество искусственных конечностей для возвращающихся ветеранов. Этот пример демонстрирует инструмент для сварки и другие инструменты, интегрированные в протезы для инвалидов, которые возвращались к работе после войны.


И не только к работе, впрочем. В коллекции Национального музея медицины и здоровья США также есть накладка для игры в бейсбол. Армейский госпиталь Уолтера Рида до сих пор остается центром производства протезов в США, спустя сто лет.

После Первой мировой войны технологии продолжали развиваться. Д. В. Дорренс изобрел искусственную руку с захватом незадолго до Первой мировой войны, и после войны она стала популярной среди рабочих, которые смогли вернуться к работе, используя протез для захвата и манипуляций объектами. Это один из немногих проектов, которые остались относительно неизменными за последний век. Дорренс продемонстрировал свою многофункциональность в 1930-х годах, управляя автомобилем с использованием своего протеза.


В Великобритании госпиталь королевы Марии в Рохамптоне стал центром для изготовления протезов во время Второй мировой войны. Открылся он в 1939 году. В первый год 10 987 участников войны обратились в центр и еще 16 251 искусственная конечность были отправлены по почте. На пике войны фабрику расширили. Впрочем, благодаря прогрессу хирургических методов, лечению инфекций и доступности переливания крови после Первой мировой войны, необходимость ампутации значительно снизилась.

Начиная со времен Средневековья и до сегодняшнего дня человечество пытается создать такие протезы, которые были бы максимально похожи на утраченную конечность не только по своему внешнему виду, но и по функционалу. Облегчить жизнь больным, которым в прежние времена не давалось никаких шансов на реализацию в социуме и улучшение самочувствия, позволяет современная медицина и наука. Бурное развитие технического прогресса позволяет создавать удивительные вещи, которые делают жизнь больных более свободной, позитивной и насыщенной.

Наука будущего

В настоящее время возникла новая дисциплина, сочетающая в себе технику и биологию. Бионика - наука, занимающаяся исследованиями нервной системы, ее клеточек, а также изучением рецепторов. Цель подобной работы состоит в создании инновационных приборов.

Бионика является прикладной дисциплиной, и на сегодняшний день ее развитие происходит достаточно быстрыми темпами. Ведь человечество всегда стремилось обладать такими способностями, которые не были даны ему от природы. Конечно, живое тело может многое. Однако существуют вещи, которые человеку просто не под силу. Это, к примеру, отсутствие возможности разговаривать с людьми, находящимися вне пределов слышимости, а также способность летать. Но человек всегда стремился компенсировать свое несовершенство. Для этого он использовал самые различные внешние приспособления. Так, например, были изобретены телефон и самолет. Но что касается медицинской сферы, здесь все более сложно. При этом каждому из нас понятно, что доктора, в тех случаях, когда с телом пациента что-либо происходит, проводят его «ремонт», пользуясь самыми последними достижениями в этой области.

Бионика - это наука, которая смогла сложить вместе две эти, на первый взгляд, довольно простые концепции. Кроме того, она позволяет нам немного заглянуть в будущее. Ведь там, вполне возможно, врачи начнут активно улучшать своих пациентов, «меняя» им «непригодные», «износившиеся» органы и системы. Кроме того, велика вероятность, что бионика позволит сделать нас такими, какими не смогла создать природа, то есть более сильными и быстрыми. Именно в этом и заключается суть этой науки.

Необычные приспособления

Одно из основных направлений бионики рассматривает вопросы изготовления современных протезов и имплантов. Подобные технологические устройства размещают там, где ранее была утерянная конечность.

Свое название бионический протез получил от слова «бионика». Для создания своих изделий, помимо техники и биологии, данная дисциплина использует достижения электроники и кибернетики, физики и химии, навигации и т.д.

Установленный человеку бионический протез или имплант начинает взаимодействовать с клетками нервной системы. И, несмотря на то что подобные устройства изготавливаются из искусственных материалов, они позволяют пациенту контролировать свои движения. Это становится возможным благодаря методу мышечной реиннервации. Его основной принцип заключен в том, что нервы, когда-то отвечавшие за уже ампутированную ногу или руку, соединяются с оставшимися на конечности мышечными тканями. Они-то и передают сигналы на протезные электронные датчики.
После того как у человека удалили конечность, в его теле остаются нервы, отвечающие за двигательную активность. Врачи с помощью сложной хирургической операции соединяют их с зонами наиболее крупных мышц. Например, в случае ампутированной руки, с грудной.

Как работают бионические протезы? Когда у человека возникает желание пошевелить пальцами, его мозг направляет сигнал для грудной мышцы. Здесь в работу включаются электроды. Они принимают данный сигнал и передают импульс по проводам к процессору, находящемуся внутри бионической конечности. Это и позволяет протезу совершать задуманное движение.

Интересно, что искусственная конечность способна чувствовать даже тепло, давление и прикосновение. Ведь врачи производят соединение живого чувствительного нерва с участком кожи, расположенным на груди. Подобный метод назвали целевой сенсорной реиннервацией. Сенсоры, расположенные на искусственной конечности, направляют сигнал к участку кожи. Далее этот импульс передается в кору головного мозга, и человек, например, способен ощутить высокую температуру и одернуть руку.

На сегодняшний день можно говорить о том, что бионические протезы конечностей только внедряются в жизнь. И пока еще существует проблема качественного управления подобными устройствами.

Бионические руки

Создание подобного протеза заняло у ученых много времени. Конечно, задача перед исследователями стояла не из легких. Как создать настолько умный протез, чтобы он смог воссоздавать все движения своего хозяина, даже самые деликатные? Ведь кончики пальцев кистей человека природа снабдила самыми чувствительными нервными окончаниями, которые и обеспечивают точность при выполнении различных заданий.

Конечно, на сегодняшний день ученым пока не удалось повторить естественные возможности человеческой руки на все сто процентов. Однако имеется несколько довольно интересных попыток, которые позволили максимально точно приблизить искусственную конечность к естественной.

Какими бывают бионические протезы? История создания этих устройств насчитывает пока еще совсем немного времени. Это и становится основной причиной того, что их использование на данный момент не столь массовое. Первые бионические протезы были разработаны учеными, работающими в чикагском Институте реабилитации. Именно им удалось создать устройство, которое позволило пациенту управлять своей рукой и даже распознавать целый ряд ощущений. Первая бионическая рука была поставлена Клаудии Митчелл. Эта женщина, которая в прошлом служила в американском морском флоте, в 2005 г. попала в аварию. Для того чтобы спасти пациентке жизнь, хирургам пришлось провести ей операцию по ампутации левой руки. Причем по самое плечо. Искусственная рука была присоединена к нервам, которые остались без изменения.
Сегодня такой бионический протез выпускается разными производителями. Рассмотрим некоторые из них.

Протезы i-LIMB

Одной из компаний, выпускающей бионические руки, является Touch Bionics. Изначально она производила свои изделия для ветеранов войны. Такая рука-протез может не только брать, но и удерживать предметы. При этом ее пальцы способны двигаться по отдельности и воспроизводить несколько стандартных записанных движений. Интересно, что такой бионический протез может сжимать предметы с разной силой.

Что лежит в основе работы данного устройства? Это микроэлектрический аппарат, способный считывать биоэлектрический потенциал уцелевшей части руки. Далее следует передача информации на программное устройство. Оно и обеспечивает проведение дальнейшего функционирования бионической конечности. Компьютерная система, которой снабжена искусственная рука, содержит в себе определенный перечень стандартных захватов и движений.

Протезы Bebionic3

Эта бионическая рука аналогична описанной выше. С ее помощью человек способен выполнять четырнадцать различных движений и захватов, воспроизводя различные действия.

Данный миоэлектрический протез в настоящее время находится на стадии доработки, но в скором времени может стать полноценной заменой утраченной руки.

Биорука, созданная в Техническом университете Чалмерса

Ученые из этого учреждения создали уникальный протез. Частично он может работать от миоэлектрики, а частично - благодаря импульсам, передаваемым нервной системой инвалида. В руку человека имплантируются электроды, которые и считывают передаваемые мозгом сигналы. Далее эти импульсы поступают в компьютерное устройство, которое перераспределят их в управляемые моторикой. В результате рука-протез способна воспроизвести движения пальцами как одновременно, так и каждого по отдельности.

На сегодняшний день создателями данной модели проводятся работы по ее усовершенствованию. Они ставят перед собой задачу формирования такого протеза, который бы управлялся исключительно нервными импульсами, передаваемыми головным мозгом.

Устройство Эндрю Швартца

Изготовление протезов, выполненных по разработкам этого нейробиолога, позволило изменить жизнь парализованных людей. Первой пациенткой, которой была проведена операция по установке данной биоруки, была женщина, которая страдала от тяжелейшего нейродегенеративного заболевания. Именно этот недуг привел пациентку к потере двигательных функций во всем теле. В мозг женщины были имплантированы специальные электроды, с помощью которых и осуществлялось управление биорукой.

В прототипе нового протеза верхней конечности тактильные сигналы передаются при помощи сенсоров, встроенных в кончики искусственной ладони, запястья и пальцев. Подобное нововведение позволяет пациенту ощущать не только расположение самого протеза. Он чувствует и сжимаемые биорукой предметы.

Конечно, на сегодняшний день можно сказать о том, что подобные ощущения не могут сравниться с естественными, данными нам природой. К тому же материал, из которого выполнен имплантат, не должен находиться в живом организме более месяца. Но тем не менее можно с уверенностью говорить о том, что первые шаги по созданию «умного» протеза уже сделаны.

Бионические ноги

На первый взгляд создание искусственной нижней конечности нового поколения кажется задачей более легкой по сравнению с той, которая стояла перед учеными при создании «умной» руки.

Однако на сегодняшний день исследователям так и не удалось значительно приблизиться к ее решению. Изготовление протезов, способных заменить нижние конечности, конечно, ведется на протяжении уже нескольких лет. Причем исследователи представили уже целый ряд наиболее удачных моделей.

Испытания бионических ног

Учеными университета Вандербильта проводится усиленная работа по созданию двигателей для колена и ступни. Первый пациент, который испытал на себе возможности этой искусственной конечности, - двадцатитрехлетний парень Крейн Хатто. Свою ногу он потерял в схватке с акулой. Анализируя видеоматериалы о походке молодого человека, можно с уверенностью сделать вывод о том, что Крейн хорошо перемещается по разным поверхностям. Хромает он лишь слегка и самостоятельно может пройти расстояние до 14 км. Такой протез способен реагировать даже на самые незначительные изменения во время движения человека.

Еще одна удачная разработка, которую испытали ученые из Университета Вандербилта, а также исследователи Реабилитационного центра из чикагского института, - искусственная нога, установленная Заку Воутеру. Используя технические возможности данного протеза, этот пациент самостоятельно поднялся на 103 этаж небоскреба.

Принцип действия данной модели заключен в том, что протез управляется сигналами, посылаемыми головным мозгом. При этом устройство соединяют с нервными окончаниями, которые имеются в оставшемся участке конечности.

Бионога Tibion

Кроме вышеперечисленных разработок, существуют и другие, не менее достойные модели искусственных нижних конечностей. Одна из них - бионога Tibion. Конструкцию этого протеза исследователи максимально приблизили к тем параметрам, которые имеет скелет естественной ноги. Подобная разработка предназначается для пожилых пациентов, имеющих обездвиженные нижние конечности, например, после инсульта.

Требования к биопротезам

Для того чтобы искусственные конечности были достаточно эффективны в своей функциональности, они должны отвечать таким требованиям:

Иметь основу из легкого и прочного материала (обычно это титановые сплавы), что особенно важно при протезировании нижних конечностей;

Обладать надежной электроникой, что позволит с точностью передавать импульсы с мышц оставшегося участка;

Иметь автономное питание, которое позволит обеспечить работу микродвижка и процессора в течение длительного времени;

Обладать износоустойчивыми деталями, которые имитируют коленный или локтевой сустав;

Максимально быть приближенными по своему анатомическому сходству с ампутированной конечностью.

Установка искусственных конечностей в России

Где в нашей стране может быть поставлен бионический протез? Россия - страна, где подобные устройства не производятся. Однако тем, кто попал в беду и стал инвалидом, помогут в Реабилитационно-ортопедическом центре, который находится в Москве. В течение последних десяти лет специалисты данного учреждения занимаются вопросами протезирования нижних конечностей. В РОЦ изготавливаются современные модульные протезы с применением высокотехнологичных разработок немецкой компании Otto Bock и исландской фирмы Ossur. К таким искусственным конечностям относят современные биопротезы, которые оснащены микропроцессором.

Они способны обеспечить максимально естественную походку. Эти протезы используют такие модули:

1. Rheo Knee. Это коленный модуль самообучающегося типа. Он настолько «умный», что постоянно и непрерывно адаптируется к пациенту, а также к окружающей его среде. В этом модуле применяются самые передовые технологии в виде датчиков нагрузки, которые снимают измерения с частотой 1000 раз в течение секунды.

2. Proprio Foot. Это первая в мире стопа с искусственным интеллектом. Ее ставят пациентам, пережившим операцию по удалению голени. Модуль производит даже автоматическое сгибание щиколотки. Это означает, что по своей функциональности он близок к здоровой стопе.

3. Symbionic Leg. Это полностью бионическая нога. Для ее работы используется объединенное питание, а также управление от одного микропроцессора стопой и адаптивным суставом колена.

Весьма эффективным для инвалидов является бионический протез ноги. Цена на него в РОЦ вместе с установкой находится в пределах от 1 до 3 млн руб.

Конечно, бионические протезы малодоступны для обычных людей. Однако это легко объясняется их сложным устройством и большими функциональными возможностями. Например, бионический протез ноги, цена на который, конечно же, очень велика, позволяет не только нормально ходить, подниматься и спускаться по лестнице, но и заниматься спортом, не отказывая себе в ведении активной жизни.

Какие еще органы можно заменить электроникой?

Под бионическими протезами понимают и кохлеарные имплантаты, которые вживляются в органы слуха. Это особые устройства, представляющие собой систему, в которой находится микрофон, звуковой процессор, а также передатчик звукового сигнала. Последняя из этих деталей фиксируется либо на кожу, либо под волосами. Приемник, являющийся неотъемлемым элементом данного протеза, имплантируется в подкожные ткани пациента, а электроды вводятся внутрь слуховой улитки.

С 1950 года ученые проводят эксперименты, целью которых является создание искусственного сердца. Первая операция по имплантации такого протеза была проведена в 1982 г.

Самым удивительным изобретением по праву считается искусственный глаз. Это сложное устройство, способное частично заменить орган зрения. Оно начинает работать после установки антенны в районе глазного яблока. Изображение попадает на особые очки, которые снабжены камерой и соединены с компьютером, обрабатывающим картинку.

У большинства людей протезы конечностей вызывают смешанные чувства. Но мало у кого протезы ассоциируются с военным временем и с бесчисленными ампутированными конечностями того времени.

Сегодня инвалиды с двумя ампутированными конечностями регулярно выигрывают золотые медали на Параолимпийских играх, а компьютерные технологии позволяют протезированным конечностям принимать сигналы от мозга. Но были времена, когда инвалидам приходилось мучиться с деревянными протезами, терпеть безразличие, а иногда и презрение окружающих, а зачастую им суждено было умереть из-за недоступности медицинской помощи.

Вплоть до 19 века, функциональные протезы были доступны только для состоятельных пациентов. Например, эта железная рука была предназначена для немецкого имперского рыцаря Готфрида фон Берлингена (Gottfried von Berlichingen).

Это фотографии трех из 35000 ветеранов гражданской войны, которые выжили после ампутаций.

Хотя ампутация была одной из первых зарегистрированных операций, указанных в трактате Гиппократа «О Суставах» приблизительно в 4-ом веке до нашей эры, данная процедура стала практически осуществимой после капитального усовершенствования в области предотвращения потери крови в течение 15-го и 16-го веков. Врачи начали перевязывать отдельные кровеносные сосуды и использовали жесткие жгуты, чтобы замедлить приток крови.

Тем не менее, ампутацию делали только тем пациентам, чья жизнь и без того уже была под угрозой из-за тяжелой инфекции или травмы, так как операции часто имели смертельный исход. «Контроль над некоторыми факторами, такими как потеря крови, боль и профилактика инфекций, значительно улучшает шансы инвалида на выживание», — говорит Стюарт Имменс (Stewart Emmens), куратор кафедры общественного здоровья в Музее Науки в Лондоне.

Врач Амбруаз Паре (Ambroise Paré), официальный брадобрей королей Франции в 16 веке, отмечал смертельные последствия хирургических методов и искал более эффективные способы лечения пациентов. Паре особенно интересовался лечением боевых ран, а в его первой книге рассказывается о методах лечения огнестрельных ранений и проблемах, связанных с часто используемыми в то время методами прижигания.

Подборка протезов 19-го и 20-го веков хранящихся в архивах Музея науки в Лондоне. Фото Стюарта Имменса; изображение любезно предоставлено Музеем науки в Лондоне / SSPL .

Настоящий прорыв в механике протезирования конечностей совершил Джеймс Поттс своим дизайном протеза ноги «Англси» в 1800-х годах. Этот стиль протезов стал популярен благодаря маркизу Англси, после того, как он получил ранение в битве при Ватерлоо в 1815 году. Позже протез получил название «Хлопушка» из-за щелчка, который издавали двигающиеся части протеза, имитирующие движение ноги при ходьбе. Дизайн Поттса был позже улучшен Бенджамином Палмером (Benjamin Palmer), создатель так называемой «американской ноги» с пяткой с шарнирным механизмом (в 1846 году). Протез широко применялся во время первой мировой войны.

Слева, портрет эпохи гражданской войны, на котором изображен ветеран с типичным протезом ноги из дерева и кожи. Изображение предоставлено Национальным музеем медицины и здоровья. Эта деревянная нога в стиле Англси была произведена в Великобритании в 1901 году. Изображение предоставлено Музеем науки / SSPL .

Независимо от того могли ли инвалиды позволить себе «новомодную руку или ногу» или нет, они учились справляться со своими ограниченными возможностями и изобретать свои собственные решения. Некоторые настолько привыкали к временным заменам конечностей, что и не пытались найти функционирующие протезы. Другие создавали свои собственные «протезы» на основе имеющихся материалов.

Слева — деревянный протез ноги, который изначально был предназначен для использования в течение двух недель, но в итоге использовался и неоднократно ремонтировался своим владельцем-кровельщиком в течение 40 лет. Справа — отец смастерил эту конечность для 3 -летнего сына в 1903 году, возможно, из деревянной ножки стула. Изображения любезно предоставлены Музеем науки / SSPL .

Предприниматели, многие из которых сами были молодыми ветеранами, осознавали необходимость создания улучшенных механических устройств, которые позволили бы людям с ампутированными конечностями жить относительно нормальной жизнью.

Джеймс Эдвард Хангер (Edward Hanger) – один из таких молодых солдат, 18 -летний студент инженерного факультета Вашингтонского Колледжа. Он оставил школу, чтобы присоединиться к силам Конфедерации в маленьком городке в Западной Вирджинии. Хангер получил ранение в бою и ему ампутировали ногу выше колена. Эта была первая зарегистрированная ампутация во время гражданской войны.

Слева — один из ранних патентов Джеймса Хангера (James Hanger )от 1891 года, показывает его новый шарнирный механизм протеза. Изображение предоставлено Hanger . com . Справа — Самуэль Деккер (Samuel Decker ) еще один ветеран, который создал себе механические руки и впоследствии стал официальным швейцаром в Палате представителей США.

Во время реабилитации в родительском доме в Вирджинии, Хангер работал над улучшением «протеза» ноги, который ему предоставили в армии. Это был цельный кусок дерева, с которым ходить было ужасно трудно и шумно. В течение нескольких месяцев, он создал прототип, который позволял делать более плавные и тихие движения при ходьбе. Хотя первоначальный патент потерялся, разработки Хангера для протеза ног включали шарнирные механизмы и способности сгибания протеза, использование нержавеющих рычагов и резиновых прокладок.

Слева — этот протез руки был разработан для пианистки в 1895 году, которая играла в Альберт-Холле в Лондоне в 1906 году с помощью специально разработанной руки. Справа — это рука викторианской эпохи, представляет собой красивую металлическую конструкцию. Изображения любезно предоставлены Музеем науки / SSPL .

К концу Первой мировой войны, только в Великобритании насчитывалось около 41 000 человек с ампутированными конечностями. Несмотря на это, многие не использовали протезы из-за их неудобства.

Этот протез руки был разработан Томасом Опеншоу (Thomas Openshaw ) приблизительно в 1916 году, во время работы в качестве хирурга в больнице королевы Марии. Два пальца деревянной руки поддерживаются металлическими крючками, чтобы помочь с повседневными задачами. Изображение предоставлено Музеем науки / SSPL .

В 1929 в своей статье об эволюции протеза, американский врач Дж. Даффи Хэнкок (J. Duffy Hancock) написал, что «возвращение инвалидов к нормальной жизни и работе занимает второе место по важности, после спасения жизни».

Американский ветеран использует руку, оснащенную сварочным инструментом, в Армейском госпитале Walter Reed Army Hospital в 1919 году. Изображение предоставлено Национальным музеем здоровья и медицины.

«Между людьми и их протезами возникает невероятная связь», говорит Кэрролл. «Если я беру протезы в лабораторию для проверки, они смотрят так, словно я уношу часть их тела. И я стараюсь делать это осторожно и деликатно. И это заставляет осознать, насколько протезы важны для них. Это их жизнь».

Эволюция протезирования представляет собой длительную и легендарную историю: от примитивных истоков до сложных современных конструкций. Как и в развитии любой другой области, некоторые идеи и изобретения работали и успешно развивались, в то время как другие остались на обочине истории и устарели.

Длинный и извилистый путь к компьютеризированным протезам начался около 1500 г. до н.э. Чтобы оценить, как далеко человечество зашло в области протезирования, для начала нам стоит посмотреть на опыт древних египтян.

Египтяне были пионерами ортопедической техники. Их «рудиментарные» протезы были сделаны из ткани, и считается, что их носили больше для чувства «цельности», чем ради их протезных функций. Первый функциональный протез большого пальца ноги, принадлежащей особе дворянского рода, был найден в Египте. Согласно данным ученых, он был создан в период 950-710 гг. до н.э. Протез состоял из двух деревянных частей, которые скреплялись кожаной нитью через отверстия, просверленные в древесине. Кожаный ремешок крепил палец к ноге с помощью кожаных нитей.

Сложно переоценить значение пальцев в жизни человека, но примечателен тот факт, что первый реальный пример протезирования относится именно к ним, а не к тем частям тела или конечностям, которые могут казаться более важными – например, рукам или ногам. Существует предположение, что на создание такого протеза египтян вынудила важность традиционных египетских сандалий в гардеробе знатной женщины, которые невозможно было носить, не имея большого пальца.

Это внимание к эстетической привлекательности протезов является довольно распространенным явлением среди древних устройств и даже может быть более важным, чем их функциональность.

424 г. до н.э. – 1 г. до н.э.

В результате раскопок в 1858 году в итальянском городе Капуя была найдена первая искусственная нога, которую сделали приблизительно в 300 г. до н.э. Она сделана из бронзы и железа, с деревянным сердечником, которую, по-видимому, носили ниже колена. Существует точная копия этого протеза, которую можно увидеть в Музее науки в Лондоне.

Самый известный случай в древнеримской истории протезирования описан римским ученым Плинием Старшим, и связан с генералом Марком Сергием, который считается первым документально подтвержденным носителем искусственной конечности. Во второй Пунической войне Сергий потерял правую руку и получил протез, сделанный из железа, чтобы тот мог держать свой щит и продолжать битву.

В истории Древней Греции также сохранились сведения об успешном протезировании. В 424 году до н.э. древнегреческий историк Геродот писал о персидском провидце, который был приговорен к смерти, но ампутировал себе ногу и сделал деревянный протез, чтобы пройти почти 50 километров пути до следующего города и таким образом скрыться от преследования.

Темные века (476-1000 гг.)

В этот период человечество продвинулось в протезировании и создавало более сложные устройства, чем ручной крюк или деревянная нога. Большинство протезов в то время выполняли больше эстетическую функцию и были сделаны для того, чтобы скрыть уродства или травмы, полученные в бою. У рыцарей были протезы для рук, которые позволяли держать щит и для ног, чтобы можно было закрепить ее в стремени, с небольшим вниманием к функциональности. В то время носить протезы вне битвы могли себе позволить только очень богатые люди.

Проектированием и созданием искусственных конечностей в темные века в основном занимались торговцы и оружейники. Но кроме них развитию протезирования способствовали и люди других профессий. Так, например, часовщики были особенно полезны для добавления сложных внутренних функций с помощью пружин и зубчатых колес.

Эпоха ренессанса (1400-1800 гг.)

Эпоха возрождения открыла новые перспективы для искусства, философии, науки и медицины. В это время произошло возрождение в истории протезирования зубов: их изготавливали преимущественно из железа, стали, меди и дерева.

История протезирования всегда переплетается с историей войн и жизнью солдат, которые ведут борьбу. Примеры из Средневековья показывают, насколько медленно развивалась эта область – железные руки, которые изготавливали для рыцарей, были не более продвинутыми, чем те, что использовал генерал Сергий тысячу лет назад.

В 1508 году у немецкого наемника Гетца фон Берлихингена была пара технологически продвинутых железных рук, сделанных после того, как он потерял правую руку в битве при Ландсхуте. Ими можно было управлять с помощью пружин, подвешенных на кожаных ремешках.

Около 1512 года итальянский хирург, путешествуя по Азии, обратил внимание на человека с двусторонней ампутацией рук, который мог снять шляпу, открыть свой кошелек и поставить свою подпись с помощью протеза. Еще одна история того времени связана с серебряной рукой, которая была сделана для турецкого адмирала Хайреддина Барбароссы, воевавшего с испанцами в Бужи.

С середины до конца 1500-х годов

Французский армейский цирюльник Амбруаз Паре, по мнению многих ученых, является отцом современной хирургии ампутации и ортопедических конструкций. В 1529 году он ввел современные процедуры ампутации в медицинском сообществе, а в 1536 году сделал навесные протезы для верхних и нижних конечностей. Он также модифицировал искусственную ногу ниже колена, добавив к ней регулируемые ремни безопасности, управление блокировкой колена и другие технические особенности, которые используются в современных устройствах.

Его работа продемонстрировала первое истинное понимание того, как должен работать протез. Коллега Паре – Лоррен, французский слесарь, сделал один из самых важных вкладов в этой области, используя в изготовлении протеза кожу, бумагу и клей вместо тяжелого железа.

Большая часть работы Паре отменила многие из широко распространенных медицинских верований того времени, часть из которых приносила больше вреда, чем пользы. Например, Паре установил, что если наносить масло к месту огнестрельного ранения или любой другой раны, то оно не приводит к исцелению, как считалось ранее, а на самом деле оказывает негативное воздействие. То же касается и прижигания – еще одного распространенного метода, который казался Паре неэффективным. Вместо этого Паре пользовался перевязкой артерий, и стал, возможно, первым врачом, который проводил эту операцию.

XVII-XIX вв.

В 1696 году Питер Вердайн разработал первый протез ноги ниже колена без дополнительной фиксации, который позже станет основой для современного протезирования суставов и корсетных устройств.

В 1800 году лондонец Джеймс Поттс разработал протез, изготовленный из деревянного стержня со стальным коленным суставом и шарнирной ногой, которая крепилась кетгутовыми нитями от колена до лодыжки. Впоследствии такой протез будут называть «ногой Англси» в честь Генри Уильяма Пэджета – первого человека, удостоенного титула маркиза Англси, который потерял ногу в битве при Ватерлоо и воспользовался изобретением Поттса. В 1839 году Уильям Селфо завез этот протез в США, где он стал известен как «нога Селфо».

В 1843 году сэр Джеймс Сайм открыл новый метод ампутации лодыжки, не приводящий к ампутации до бедра. Этот подход приветствовался в сообществе инвалидов-ампутантов, поскольку это означало, что появилась возможность ходить не с протезом, заменяющим всю ногу, а только лишь с искусственной ступней.

В 1846 году Бенджамин Палмер решил улучшить положение дел для пациентов с ампутацией нижней конечностей и доработал «ногу Селфо», добавив переднюю пружину, сгладив внешний вид и прикрыв сухожилия, чтобы имитировать естественные движения.

Дуглас Блай изобрел и запатентовал «анатомическую ногу доктора Блая» в 1858 году, которую он называл «наиболее полным и успешным изобретением из когда-либо созданных среди искусственных конечностей». А уже в 1863 году Дюбуа Пармли изобрел усовершенствованный протез с присоской, полицентрическим коленом и множеством шарниров.

Позже Густав Герман предложил использовать алюминий вместо стали, чтобы сделать протезы легче и функциональнее. Такое легкое устройство пришлось ждать до 1912 года, когда Марсель Дезуттер, известный английский летчик, потерявший ногу в авиакатастрофе, не сделал первый алюминиевый протез при помощи своего брата-инженера Чарльза.

Прогресс, которого достигли в своем развитии технологии протезирования за 300 лет, оказался незначительным. Однако достижения в хирургии и ампутации в середине XIX века позволили врачам сформировать культю таким образом, чтобы она была более восприимчива к присоединению протеза. Протезы не сильно улучшились, но жизнь становилась все более удобной для тех, кто носил их.

Переход к современности

По мере того, как продолжалась гражданская война в США, количество ампутаций росло катастрофически быстро, что заставляло американцев усиленно развиваться в области протезирования. Джеймс Хангер, один из первых ампутантов гражданской войны, разработал то, что он позже запатентовал как Hanger Limb – протез, изготовленный из бочарных клепок и металла, который имел шарнирные суставы в области колена и лодыжки. Hanger Limb оказалась на тот момент самой передовой технологией в истории протезирования, и основанная Хангером компания продолжает оставаться лидером в этой области.

В отличие от гражданской войны, Первая мировая не способствовала особенному прогрессу в этой области. Несмотря на отсутствие технических достижений хирурги и военные осознавали важность обсуждения технологии и разработки протезов. В конечном итоге это привело к формированию американской ассоциации протезирования и применения ортопедических изделий (AOPA).

После Второй мировой войны ветераны были недовольны отсутствием технологичных решений и требовали улучшения. Тогда правительство США заключило сделку с военными компаниями для улучшения протезов, а не оружия. Это соглашение открыло путь к разработке и производству современных протезов. Новые устройства намного легче – изготавливаются из пластика, алюминия и композитных материалов, чтобы обеспечить пациентов наиболее функциональными устройствами.

В 1970-х годах изобретатель Исидро М. Мартинес оказал огромное влияние на индустрию протезирования, когда разработал протез нижней конечности, который, вместо того, чтобы попытаться повторить движения природной конечности, был ориентирован на улучшение походки и уменьшение трения. Снижая давление и делая ходьбу более комфортной, Мартинес, который сам был инвалидом, улучшил жизнь многих будущих пациентов.

Наиболее резкое различие между современными искусственными конечностями и теми, что были сделаны в прошлом, находится на границе между протезом и той частью тела, к которой он будет крепиться. В прошлом система подвески для протезов конечностей была сделана из кожаных или тканных ремней, а паз был деревянным или металлическим, облицованным тканью. Большинство современных протезов сочетают в себе пластиковое гнездо и присоски. Они тщательно утепляются и предотвращают повреждение той части конечности, к которой крепится.

Современные разъемы также облегчают надевание и снимание протеза. Это особенно полезно, когда человек носит несколько протезов. Например, спортсмены могут иметь несколько протезов для бега, катания на лыжах, езды на велосипеде и другой физической деятельности. Чаще всего, они не похожи визуально на человеческие конечности. Это тщательно продуманная конструкция из пластика, резины и углеродного волокна, которые пропорционально приспособлены к телу. Они тщательно контролируются и проверяются во время соревнований, чтобы гарантировать, что не используются никакие дополнительные преимущества, например, более длинная конечность.

Когда человек теряет конечность, то самая главная его мечта - снова ощутить руку или ногу. И не просто ощутить, а выполнять конечностью все движения, доступные до травмы или болезни: взять чашку, зашнуровать ботинки, идти с опорой на обе ноги. Вернуть утраченные возможности позволяет бионический протез, или сложное устройство, улавливающее нервные импульсы.

Как появились «умные» протезы?

Прототип «живых» протезов придумали и описали фантасты. Это в их произведениях на смену утраченным в сражениях рукам, ногам, глазам и сердцам приходили механические помощники, работающие лучше живых органов. Самый известный пример - Терминатор Камерона, взявший от человека только внешний облик.

Мало кто знает, что прообраз современных протезов относится еще к 19-му веку, когда в деревянную ногу вставляли металлический шар, чтобы сделать нижнюю часть подвижной. Но в 20-м веке эти примитивные устройства заменил бионический протез, созданный на стыке нескольких наук: медицины, инженерии, бионики и электроники.

Ученые разных стран оспаривают первенство в этом вопросе, но факты таковы, что первый действующий бионический протез руки был представлен на ортопедической выставке в немецком городе Лейпциге в 2010 году. За несколько лет, прошедших с этого события, в мире было разработано огромное количество протезов стоп, ног и даже собачьих лап.

Что такое бионика?

Это целая наука, изучающая живую природу и возможность перенесения принципов работы живых существ в промышленные аналоги. Инженеры подсматривают идеи у природы и воплощают их в своих устройствах и сооружениях. В этом смысле бионические протезы - только капля в море. Так, известные всем застежки-липучки всего лишь копируют способ передвижения семян репейника. Присоски заимствованы у пиявок. При конструировании подводных лодок взяли за образец дождевого червя - у него все «отсеки» автономные. Невероятно выносливый металлический ажур Останкинской и Эйфелевой башен - это многократно увеличенная копия трубчатой кости человека. Переплетения металла, которые всех так восхищают - копия строения костной ткани, сочетающей прочность и гибкость.

Даже многоэтажный дом, в котором одновременно живут такие разные семьи, списан с пчелиных сот. Идея жизни разных людей в «ячейках» под одной крышей с общими коммуникациями копирует уклад жизни пчелиной семьи.

Бионические воплощения есть во многих предметах, окружающих нас: автомобильных шинах, самолетах, камерах наблюдения, водных судах и самых обычных

Как работает простейший бионический протез?

После травмы или в ходе болезни Оставшаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа.

Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны: взять ложку, вилку или шарик, нажать клавишу и тому подобное. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения - огромный прогресс. Однако даже самые лучшие и совершенные бионические протезы пока не могут выполнить всех тех мелких и точных движений, на которые способна живая конечность.

Как проходит от мозга к протезу?

Чтобы понять, как работают бионические протезы, нужно вспомнить нормальную физиологию человека.

Движения, которые мы совершаем многократно в течение дня, называются автоматическими. Подъем, поход в туалет, умывание, чистка зубов, одевание - все это никаких мыслей у нас не вызывает. Тело делает все что нужно как бы само собой. Но на самом деле начало любого движения - мысль. То есть вначале мы думаем: нужно почистить зубы, сварить кофе, одеться. Мозг посылает сигналы тем мышцам, которые в данном движении задействованы. Мышца может сокращаться или расслабляться только по сигналу мозга. Но процесс проходит настолько быстро и слаженно, что мы не успеваем осознать происходящее. В случае с протезом все сложнее: вначале сигнал о движении считывается электродом, расположенным рядом с выведенным на мышцу нервом, а затем отправляется на процессор внутри протеза. Этот процесс тоже достаточно быстрый, но скорость совершения действий все равно уступает живой конечности.

Искусственные человеческие «запчасти»

С тех пор как был представлен первый бионический протез, наука ушла далеко вперед. Если первые модели были громоздкими, требовали переключателей и могли выполнять только самые простые движения, то современные образцы трудно назвать протезами. Это элегантные инженерные изделия, словно сошедшие с экрана футуристических фильмов.

Протез абсолютно похож на здоровую руку, им можно писать, держать столовые приборы, руль автомобиля или куриное яйцо. Для совершенства движений иногда используются собственные ткани человека с других участков тела - с ног, например.

Идеи из будущего

Инженеры и ученые в своих фантазиях неудержимы. Так, ученые даже смогли «обойти» поврежденную сетчатку глаза, транслируя изображение окружающего прямиком на зрительный нерв. Человек, ослепший вследствие травмы, при сохранности зрительного нерва может рассчитывать на то, что снова увидит родные лица или прекрасный рассвет.

Уже появились устройства, улучшающие работу мозга. Так, с дрожательным параличом или болезнью Паркинсона можно справиться при помощи вживленного электрода.

Людям, ставшими неподвижными вследствие паралича, вживляют электроды прямо в мозг, чтобы они могли управлять искусственными руками и ногами. Для человека, полностью зависящего от окружающих, возможность самообслуживания - несказанная радость.

Обсуждается вопрос о вживляемых под кожу чипах, способных заменить ключи, банковскую карточку и одновременно.

А что у нас?

Наиболее известное предприятие, выпускающее бионические протезы в России, - это Московский протезно-реабилитационный центр. Здесь собирают протезы из модулей, используется продукция Германии, Исландии и России.

Протез каждого человека имеет индивидуальные особенности. Это и уровень ампутации, и вес, и рост, и род занятий, особенности походки и мелких движений, возраст. Используется много самообучающихся модулей. Приспосабливается не только человек к протезу, но и протез к человеку. Самообучающийся модуль, оснащенный встроенным искусственным интеллектом, запоминает особенности походки и маршрута движения. Модуль «учит» не только ширину шага и нагрузку на конечность, но и запоминает количество и высоту ступеней, выбоин и ямок на пути. Модули копируют действия мозга, подготавливающего шаг или другое движение.

Сколько стоит «живой» протез?

Стоимость бионического протезирования пока высока и может достигать в сложных случаях миллионов рублей. Однако возврат к полноценной жизни трудно оценить в материальном исчислении. По сути, установка бионических протезов - единственная возможность для инвалида вернуться к нормальной жизни: строить и осуществлять планы, содержать семью, добиваться карьерных вершин.

Самое главное - это вернуться в сообщество здоровых, надеющихся на себя людей. Люди с «живыми» протезами продолжают вести привычный образ жизни, танцуют и даже получают спортивные награды. То есть протез становится частью человека настолько, что трудно отличить действия живых мышц от их бионических аналогов.

Протезирование: этапы развития

По сравнению с обычным бионический протез кисти - настоящий прорыв. Совсем недавно человек, потерявший кисть, мог рассчитывать только на две возможности: между локтевой и лучевой костью формировался кожный лоскут, чтобы человек мог захватывать крупные предметы, или к культе присоединялся крюк. И то, и другое было неудобно и малоэстетично. Сегодня даже формирование культи под будущий протез начинается еще в операционной. С первых дней послеоперационного периода с пострадавшим работает протезист, помогая подобрать наилучшее сочетание деталей. Культю формируют и тренируют, а части будущего протеза максимально приспосабливают к оставшимся возможностям. С кожей соприкасается нежная манжета из силикона со встроенными чипами. Потертостей от современных протезов не бывает. Программа для каждого изделия разрабатывается индивидуально, в зависимости от того, чем человек занимается. Задача - максимальное восстановление функции.

Помощь инвалидам

Человек, утративший конечность, в обязательном порядке проходит медико-социальную экспертизу. Одновременно с установлением для каждого разрабатывается программа социальной реабилитации. Реабилитация предполагает использование в первую очередь технических средств, способствующих возвращению человека к труду. Все бионические протезы конечностей входят в обязательный перечень таких технических средств. У человека есть выбор: в рамках программы реабилитации получить готовое изделие или приобрести его самостоятельно с последующим получением денежной компенсации. Размер компенсации рассчитывается по средней стоимости аналогичных протезных изделий.

Над чем трудятся разработчики?

Современные бионические протезы рук отлично выполняют тонкие движения, но человек не получает от них тех ощущений, к которым привык. Так, протезом можно погладить человека по волосам, но нельзя ощутить тепло кожи головы и мягкость волос. Устранением именно этого недостатка занимаются сейчас ученые. Специалисты уже научились сращивать кости с титаном, а датчики движений и чувств соединять непосредственно с живым нервом. Так, бионическая рука полностью заменяет живую, и человек получает которых был лишен много лет. Непосредственное соединение нервов и мышц с техническим приспособлением намного увеличивает скорость движений, приближая ее к природной.

Из каких частей состоит бионическая нога?

Современный бионический протез ноги включает несколько обязательных элементов, таких как:

• силиконовая манжета со встроенными датчиками;
• опора - титановый стержень, формой напоминающий голень;
• шарнирный модуль с микродвижками и процессором;
• блок искусственного интеллекта, обрабатывающий все поступающие сигналы.

Последние модели протезов ведущих немецких компаний имеют особое покрытие, очень похожее на кожу. Синтетическая кожа имеет двойное назначение: защищает детали протеза от влаги и выполняет косметическую функцию. Протез с покрытием можно не снимать, принимать с ним душ и ходить по лужам.

Немного фантазии

Сегодня живут на одной с нами планете несколько человек, имеющих 2 и даже 3 бионических протеза одновременно. Изобретена синтетическая кожа, меняющая жесткость. Придуманы экзоскелеты, помогающие ходить парализованным людям. Разрабатываются изделия, управляемые силой мысли. Проводятся эксперименты по выращиванию нервов в микроканалах. Теоретически недалек тот день, когда можно будет вырастить нерв нужной длины. Ученые пытаются стереть грань между живой природой и техническим устройством. Количество движений, совершаемых бионическими протезами, постоянно увеличивается, возрастает и их сложность.

Все это дает большие надежды на то, что человек станет сильнее болезни.

Протезирование конечностей становится рутинной процедурой, возвращающей человека в привычное русло. Возможно, наступит тот день, когда любую часть человеческого тела можно будет заменить искусственной. По крайней мере, очень хочется в это верить.