Екзопротези и бионични импланти

Имплантологията на бъдещето: биотехниката, биониката и нанотехнологиите са сред най-често цитираните области, които предизвикват широк интерес и са обект на постоянно развитие. Вижте повече - само в MediKa.bg

Когато става дума за технологичния напредък не само в медицината, но и в редица други жизненоважни области, биотехниката, биониката и нанотехнологиите са сред най-често цитираните области, които предизвикват широк интерес и са обект на постоянно развитие.

Какво е бионика

Бионика (Bionics) е широко понятие, обозначаващо изучаването и прилагането на разнообразие от методи и системи, наблюдавани в природата в контекста на изучаването и проектирането на съвременни инженерни системи и технологии, които могат да се прилагат в различни области на човешкото познание.

Най-общо казано – учените търсят ефекта и ползата от естествените системи които, под натиска на еволюцията, се оптимизират и постигат устойчива ефективност.

Биониката и нанотехнологиите в медицината

Медицината е една от областите с най-голям и общественозначим потенциал за развитие на бионични технологии.

В тясната специалност на медицинската наука, биониката търси решения при казуси, тясно свързани с имплантологията и трансплантациите. Замяната на увредени или неправилно функциониращи органи и части от тялото представлява основен интерес и цел на медицинската бионика. Към момента в цял свят екипи от учени търсят приложими решения в областта на здравното инженерство и разработването на импланти. Някои от тези усилия вече са възнаградени с успешни дизайни, приложими в медицината. Сред най-ярките и широкоразпространени примери за това са т.нар. кохлеарни (слухови) импланти. Още през 2004 година е разработен един от първите напълно функционални изкуствени слухови органи. Днес подобни устройства са широко разпространени и помагат на стотици хиляди пациенти по целия свят.

Очаква се развитието на нанотехнологиите да доведе до още повече успешни постижения в тази област. Сред най-обещаващите примери за евентуален бъдещ наноорган е широкообсъжданото предложение за разработка на изкуствена червена кръвна клетка. Засега тя съществува само като теоретичен модел, но редица учени предвиждат, че ще може дори да превъзхожда способностите на естествената клетка. Сред другите популярни опити за въвеждане на нанотехнологиите и бионичните импланти в медицината е разработването на изкуствена ретина, която ще помогне на хора с увреждане на очите да възвърнат зрението си.

Действително развитието на съвременните науки и технологии позволяват прилагането на концепции, които само преди няколко деситилетия са били смятани за специалитет на научната фантастика. Днес ендопротезирането е рутинна практика в хирургията, а протезите и имплантите са все по-прецизни и безопасни за пациента. В 21 век предизвикателствата вече не са до такава степен в моторно-двигателната част на протезата, а вече се простират в контактната област между протезата и човешката тъкан. Граничната линия в която биологията, неврохирургията и електрониката си подават ръка е именно биониката.

Човешкият мозък генерира електрически импулси, които се предават по веригата – т.е. чрез нервната система - през гръбнака към крайниците. Вариациите в честотата и амплитудата на биологичния слаб променлив ток предизвикват различни по вид и сила мускулни и/или нервни реакции. Според учените, колкото този електрически сигнал е по-отдалечен от гръбначния (и съответно - главния мозък), толкова е по-лесен той за 'разчитане'. Това прави създаването на инервирани изкуствени крайници (протези) теоритично постижима задача за модерната бионика.

Още през през 2002 г. изследователски екип към Чикагския рехабилитационен център в Съединените щати успяват да извършат успешна операция по присаждане на две изкуствени ръце на пациент. Успешните примери за напредък в областта на протезирането не спират дотук.

За да разберем напълно принципите, при които биониката търси решения, приложими в здравната грижа, е нужно да погледнем към природата, която е основното вдъхновение и учител на тази наука.

Под влиянието на вековна еволюция естествените системи се оптимизират и с времето и променливите условия стават високоефективни и самоактуализиращи се. Накратко, биониката изучава тези системи, откривани и наблюдавани във всевъзможни растения, животни, живи и неживи организми. Сред най-значимите примери за инженерни достижения, разработени на базата на съществуваща естествена технология, са например ципът (имитиращ „заключването“ на перата на птиците), корпуси на кораби, имитиращи структурата на кожата на делфин, сонарът, радарът и медицинските ултразвукови уреди, имитиращи ехолокацията на прилепите, както и много други.

Макар тук да разглеждаме биониката в светлината на медицината, често тази наука е свързвана повече с кибернетиката. Причината за това, разбира се, е спецификата на системите за обработка и регулиране на информацията.

Когато става дума за други звена на науката, биониката е позволила например създаването на изкуствени неврони, изкуствени невронни мрежи и разпределената интелигентност. Еволюционните алгоритми също са пряко вдъхновени от биониката. Те обаче доразвиват идеи, взети от природата, като минават на следващото ниво – симулирайки еволюцията чрез компютърен модел с крайна цел достигане до оптимални решения, които до този момент не съществуват фактически в природата.

В настоящия материал ще разгледаме някои от най-интересните постижения и разработки, свързани с медицинската бионика в световен мащаб. 

Препоръчани клиники за такъв тип заболявания

Конвенционални протези
Видът на протезата се определя от специфините нужди на пациента и в частност от дължината на ампутацията

Външните протези, използвани за да компенсират загубата на горен крайник, са познати още от древни времена. В 21 век обаче примитивните заместители отдавна са отстъпили мястото си на ново поколение протези за ръка, които се усъвършенстват с всяка изминала година. За да разберем как работят „протезите на бъдещето“ е важно да сме наясно как функционират и класическите пасивни протези за ръка.

Видът на протезата – пасивна, конвенционална или активна - се определя най-вече от специфините нужди на пациента и в частност от дължината на ампутацията.

Пасивни и козметични протези

Протезите с пасивно задвижване представляват козметично възстановяване на външния вид на ръката. Това е само една от възможностите, които се предоставят на пациенти с ампутиран горен крайник. Подобна протеза е приемлива при хора, които преценяват, че нямат нужда от прецизно управление на захващането. В този случай ефекта е предимно в областта на козметичното.

Протези, задвижвани от тялото

Конвенционалните задвижвани от тялото протези обичайно са прикрепени с ремъци, закрепени около рамото или в горната част на тялото на пациента. Тези устройства се управляват чрез движение на горната част на тялото. За целта се ползва кабел, свързан с ремъците в единия край и с протезата (механична ръка, кука, лакът) в другия край. В определени случаи този тип протеза предоставя приемлив обхват от основни функции и контрол и е по-функционална от козметичната протеза.

Миоелектрични протези 

Миоелектричните протези дават още повече възможности за контрол. Протезата се управлява чрез съкращаване на мускулите в чукана, генерирайки електромиографски (ЕМГ) сигнали. Те от своя страна активират електродвигател в лакътя, китката или дланта. Миоелектричните протези позволяват по-голям обхват на движение, по-естествен външен вид и увеличена работоспособност.

Хибридни протези

Хибридни протези са онези, които съчетават елементи от конвенционалната и електрично-задвижваната протеза. Тези устройства предоставя възможност за управление на лакътя и дланта едновременно, което значително увеличава рехабилитационния потенциал.

Специализирани протези 

Съществуват и специфични за дадена дейност протези, предназначени за пациенти със специализирани изисквания. Този вид протези често ползват накрайници, проектирани в зависимост от специализираната дейност, от която пациента има нужда.

Такива могат да бъдат специализирани протези за различни видове спортни, развлекателни или работни дейности.


Бионична ръка
Модерните бионични протези имат за цел да осигурят максимално реалистично управление и усещане

Модерните протези не просто изглеждат като истински, но имат за цел да осигурят максимално реалистично управление, както и да предават тактилни усещания.

Биониката е клон на науката, която изучава използването на технически средства и системи на принципа на организацията, функциите, структурата и свойствата на природата. Биониката е неделима част от парадигмата на науки като биология, химия, кибернетика, физика, електроника и освен в медицината се използва широко в комуникациите, навигацията, мореплаването и др.

Сред най-важните области на изследванията, свързани с биониката, са именно бионичните протези и импланти. Главната особеност на тези протези, е способността им да изпълняват функцията на загубени крайници и липсващи органи.

Трудностите при проектирането и разработването на „достоверна“ протеза за ръка идват от изключително трудната задача да се възпроизведе не само деликатната ловкост о сложното движение на пръстите, но също така и възможността за докосване.

В ръката и нейните пръсти са съсредоточени едни от най-сложните и високочувствителни нервни окончания. Затова няма нищо чудно във факта, че към днешна дата създаването на 100% успешен проект за бионична ръка все още е предизвикателство, което стои пред десетки специализирани мултидисциплинарни екипи от учени.

Някои от по-интересните опити в това отношение успяват да се доближат до идеала за активна, напълно фунционална, автономно контролирана изкуствена ръка.

Някои интересни разработки

През 2007 година компанията Touch Bionics стартира i-Limb - проект за бионична ръка-протеза, базирана на миоелектрични устройства, които „разчитат“  биоелектрическите сигнали в резултат от свиването на мускулите в областта на здравия крайник. Проектът предизвика сериозен интерес в научната сфера и бе един от най-интересните комерсиални проекти в областта на биониката през последното десетилетие.

Концепцията на i-Limb се базира на информацията, предавана по нервен път при прекъсване на различни мускули.

Пациент с подобна протези може да извършва различни фини движения, както и да държи предмети с добър контрол. Прототипът на протезата показа добри резултати и при движение на пръстите поотделно – там, където конвенционалните протези не предлагат особена гъвкавост и ефективност. Работата на протезата се основава на управляващ софтуер, който е базиран на информацията, получавана от стандартните движения на здрав крайник.

Едно от най-революционните достижения при бионичната ръка е регулирането на силата на натиск, което е просто незаменимо качество в определени ситуации.

С времето i-Limb претърпява редица промени и ъпгрейди, които доближават действието на протезата до естествения крайник. Така например бионичната ръка може сама да се връща в първоначалното си положение при известен период на бездействие.

Внимание заслужава и проекта Bebionic3 - подобен по принцип на работа на i-Limb модел миоелектрическa бионична ръка. Интересни са някои от допълнителните достижения за фини моторни функции, които включват прецизни дейности като работа с комютърна мишка, натискане на спусък, работа с електроника и машини.

Наскоро компанията за видео игри Square Enix обяви, че разработва бюджетна бионична ръка в съвместен проект с Eidos-Montréal, Intel, Razer и Open Bionics.  Интересното в този проект е, че ръката е вдъхновена от Адам Йенсен – героят от Mankind Divided.

Проектът е royalty free, което означава, че всеки може да направи 3D принт и да използва дизайна.

Ръката е напълно функционална, със сгъващи се присти и въртяща се китка, а дизайнът е вдъхновен от роботиката и компютърните игри. (Вижте повече тук.)

Макар, че все още бионичните протези са далеч от идеала на естествената ръка, науката и технологиите работят във впечатляващ синхрон и заслужават много сериозно внимание както от медицинска гледна точка, така и през призмата на кибернетиката, електрониката, нанотехнологиите и редица други направления в науката.

Бионичен крак
Бионичните разработки за протези на долните крайници, познати още и като "роботизиран крак" представляват механична прот

Бионичните разработки за протези на долните крайници, познати още и като "роботизиран крак" представляват механична протеза, която може да компенсира максимално функциите, изпълнявани от човешкия крак.

Роботизираният (бионичен) крак обикновено се програмира да изпълнява функции, подобни на естествените, с цел да подобри движението и моторните функции на пациенти, претърпяли ампутация или увреждане на долните крайници.

Едно от най-широко обсъжданите постижения в това отношение принадлежи на исландската компания Össur, която е разработила иновативен бионичен крак, който буквално може да бъде контролиран с мисъл.

Кракът работи като разчита информацията, подавана от малки имплантирани миоелектрични сензори. Те са свързани с остатъчните истински мускулни влакна на пациента. Чрез тях мозъка изпраща сигнал към съответната група мускули, след което сигналите се улавят от имплантирани сензори. Тези сигнали се предават на протезата, която от своя страна извършва желаното движение.

Бионичното устройство е проектирано така, че с течение на употребата интуитивно се „нагажда“ към характерните движения на отделния пациент. Така ползването му става „втора природа“ и с течение на времето на пациента не му се налага да мисли волево за желаното движение.

По този начин създаването на изкуствен бионичен крак, който е изцяло интегриран с тялото на пациента изглежда като напълно обозримо постижение. Сред първите пациенти, възползвали се от това изобретение е исландецът Гудмундур Олуфсон, който е с амутиран от коляното надолу крак. С помощта на сложни алгоритми пациентът може сам да движи крака си, използвайки сигнали, подавани от мозъка, като протезата се подчинява на командите му.

Изкуствено сърце
Изкуственото сърце е сред най-интересните примери за приложение на принципа на биониката за нуждите на медицината

Изкуственото сърце е сред най-интересните примери за приложение на принципа на биониката за нуждите на медицината. Накратко, изкуствено сърце е устройство, което замества увреденото сърце при пациенти с тежки заболявания.

Изкуствени сърца обикновено се използват, за да се преодолее времето до сърдечна трансплантация, но в определени случаи подобни устройства се използват, за да се замени окончателно увредено сърце тогава, когато трансплантацията е невъзможна по една или друга причина.

Исторически погледнато много различни опити и концепции са използвани с цел да се замени или припокрие сърдечната функция при болни с тежки сърдечни проблеми, като най-значимите първи такива датират от края на 1940-те. Въпреки това за първи опит за смяна на сърдечния орган с изкуствен такъв се счита имплантирането на Jarvik-7 през 1982 г. Изкуственото сърце е проектирано от екипа на Вилен Йохан Колф и Роберт Ярвик, чието име носи прототипа.

Изкуствено сърце се различава значително от устройствата, подпомагащи камерната дейност на сърцето, както и от машината сърце-бял дроб. Идеята на изкуственото сърце се различава от функциите на цитираните устройства по това, че целта му е да замени увреденото сърце за постоянен или продължителен период, вместо само за времето на дадена операция.

Някои от по-интересните и значими прототипи на тотална сърдечна протеза (изкуствено сърце) са:

• Jarvik-7 (1982)
• POLVAD (1991)
• Phoenix-7 (1996)
• AbioCor (2001)
• SynCardia (2003)
• CardioWest TAH (2003)
• MagScrew (2005)
• Abiomed AbioCor (2008)
• Carmat (2008)
• Frazier-Cohn (2011)

Успехите в разработката на изкуствено сърце са истински прелом в медицината и технологиите, но въпреки безспорния напредък и това нововъведение все още е в процес на усъвършенстване и непрестанни изследвания.

Лекарите и учените са изправени пред най-малко две сериозни предизвикателства, свързани с прилагането на изкуствено сърце при пациенти, нуждаещи се от трансплантация на виталния орган. На първо място – основният проблем е отхвърлянето на присадъка от тялото – проблем, който е наличен и при трансплантацията на сърце от донор.

Сред другите проблеми, свързани с трансплантацията на изкуствено сърце, е така нареченият Кардиопротезен психопатологически синдром, свързан с фиксация на вниманието върху работата на импланта.

Кохлеарен имплант
Първите опити за създаване на ново поколение "бионично ухо" са направени още през 1978 г.

Към бионичните протези спокойно могат да бъдат отнесени и някои видове слухови апарати или т.нар. кохлеарни импланти. Кохлеарен имплант е медицинско устройство, състоящо се от микрофон, звуков (аудио) процесор и предавател, които могат да бъдат поставяни външно (върху косата или кожата на пациента), като приемникът може да е имплантиран подкожно и електродите да преминават през ушната мида с помощта на хирургична интервенция.

Кохлеарен имплант е електронно устройство, което помага на загубилите слуха си да чуват. Има външни и вътрешни части. Имплантът не възвръща нормалния слух, а само го имитира, като стимулира директно слуховия нерв с електрически импулси.

Принцип на действие

Външен звуков процесор приема звуковите вълни от околната среда и ги предава на вътрешната част. Приемателят в черепната кост над ухото преобразува звука в електричество и го предава към кохлеата. Електродите в нея са в пряк досег със звуковите рецептори. По този начин електрическият импулс заобикаля увредените части в средното или вътрешното ухо, достига до слуховия нерв, пътува по него и се обработва от мозъка.

Функцията на кохлеарен имплант е да стимулира електрическите импулси на влакната на слуховите нерви в ушната мида. Подобни устройства са предназначени за хора с тежка загуба на слуха, често с невросензорна етиология.

Първите примитивни слухови апарати и развитието на техники за стимулиране на слуховия нерв са разработени още през 50-те години на миналия век. Тогава са правени и първите опити да се създаде кохлеарен имплант за използване в клинични условия.

Първите опити за създаване на ново поколение "бионично ухо" водят началото си от експерименти, проведени през 1978 в Университета в Мелбърн.

Въз основа на това научно развитие днес е широко възприет тотален кохлеарен имплант, котйто от края на 2000-та година е въведен в употреба в световен мащаб с позитивни резултати при частично възстановяване на слуха за пациенти от всички възрасти.

Прототипът на бионично ухо, приветстван като първият голям напредък в лечението на глухота след въвеждането на езика на знаците, е дарен на Националния музей на Австралия.

Бионично ухо на австралийския професор Греъм Кларк е първият модерен кохлеарен имплант, който спомага за разбиране и възприемане на речта при пациенти с тежки нарушения на слуха и напълно глухи.

Професор Кларк е назначен за ръководител на Департамента по оториноларингология към Университета в Мелбърн през 1970 г. Там той ръководи екипа, разработил прототип на бионично ухо, което през 1978 г. е имплантирано за първи път на пациент на име Род Сондърс.

Днес най-модерните бионични кохлеарни импланти са базирани на принципа, разработен от греъм, но с все по-добри качества на приемане на звука.

Вижте повече
Вижте повече за биониката и имплантологията в mediKa.bg

Вижте повече за биониката и имплантологията в mediKa.bg

Моля изчакайте!