Современные технологии протезирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор протезирования

1.1 Общие сведения

1.2 Протезы верхних конечностей

1.3 Протезы пальцев и кисти

1.4 Протезы предплечья тяговые

1.5 Протез плеча тяговый

1.6 Применение электроники и биомеханики при протезировании

2. Современные технологии протезирования: как ИТ помогает людям жить

2.1 Обзоры

2.2 Протезы ног

2.3 Протезы рук

2.4 Технологии улучшают качество жизни

Вывод

Список литературы

Введение

Протезирование -- комплекс медико-социальных мероприятий, направленных на возмещение анатомических и функциональных дефектов человека с помощью протезно-ортопедических средств и приспособлений. При этом главная задача протезирования -- максимально возможное восстановление функций утраченного органа и возвращение человека к активной трудовой деятельности. Последнее обстоятельство имеет большое психологическое значение и влияет на сроки освоения и мастерство управления протезом.

Протезостроение -- составная часть протезирования, предусматривающая изучение системы человек -- техническое устройство и разработку протезно-ортопедических средств. Таким образом, протезирование и протезостроение образуют медико-технический комплекс, призванный решать вопросы подготовки пациента к протезированию, выбора конструкции протеза, его изготовления и обучения пользованию. Подробное обследование общего состояния протезируемого позволяет установить степень компенсаторной приспособляемости его организма и определить наиболее эффективные методы протезирования. При этом учитываются возраст и пол, профессиональная ориентация, местожительство, а также большое число индивидуальных антропометрических, физиологических, клинических и биомеханических характеристик. Анализ этой информации представляет сложную задачу, а ее использование во многом определяет результаты протезирования.

1. Обзор протезирования

1.1 Общие сведения

Протезно-ортопедическое изделие независимо от его сложности рассматривается протезистами только во взаимодействии с опорно-двигательным аппаратом человека. В этом смысле целесообразно рассмотреть протез с помощью современных научных определений и понятий. Так, если воспользоваться определениями технической бионики, то протез есть устройство, действующее по биологическим законам.

Основоположник отечественной биомеханики Н. А. Бернштейн, определяя функции протеза, предвидел необходимость оснащения его «моторами» взамен утраченных мышц («моторизованный протез») и системами очувствления. Оценивая сложность и своеобразие протезов, И. И. Артоболевский предложил дополнить классификацию механизмов новым классом механизмов, взаимодействующих с биологическим объектом.

Однако современный уровень развития, например энергетики, еще не обеспечивает восполнения утраченных мышечных ресурсов после ампутации нижней конечности малогабаритными, портативными с высокой мощностью источниками энергии, отвечающими требованиям протезирования исполнительными механизмами. Естествен вопрос, а надо ли стремиться к тому, чтобы полностью восполнить энергетические потери, неизбежные при ампутации или параличах конечностей? На этот вопрос следует ответить утвердительно, так как научные исследования показали, что у ампутированных, несмотря на огромные приспособительные возможности, возникающие перегрузки оставшихся мышц на сохранившейся и протезированной конечностях существенны и влияют на общую жизнедеятельность организма. Это предопределяет необходимость разработки протезов с использованием внешних источников энергии. Задачи проектирования и изготовления таких протезов достаточно полно решены при ампутациях сегментов верхних конечностей. Разработанные и широко внедренные в практику биоэлектрические, миотонические и пневматические протезы в значительной степени решают проблему физической и социальной реабилитации человека.

Нижние конечности человека выполняют функции опоры и движения, участвуют в ходьбе, которая является сложным координационным актом, находящимся под непосредственным и постоянным контролем головного мозга. На основе условно-рефлекторной деятельности складывается динамический стереотип двигательных реакций, обусловливающий функционирование нижних конечностей. Утрата нижней конечности или ее части сопровождается тяжелыми функциональными нарушениями, разрушением динамического стереотипа ходьбы. Для того чтобы восстановить утраченные функции конечности, необходимо не только построить качественный протез с максимальным учетом индивидуальных особенностей протезируемого, но и воспитать новые условно-рефлекторные связи, помочь компенсаторным приспособлениям организма образовать новый динамический стереотип ходьбы.

Следует иметь в виду, что более интенсивная работа отдельных групп мышц вызывает перегрузку всех физиологических систем человека. Поэтому одной из главных предпосылок рационального протезирования является необходимость подчинения построения протеза или ортопедического аппарата требованию минимизации энергозатрат на ходьбу. Компенсаторная перестройка мышечной деятельности должна вызывать минимально неизбежные перегрузки. Эта предпосылка является главной и определяющей при разработке основных закономерностей построения протеза или ортопедического аппарата, элементов конструкции, форм приемных гильз, расположения звеньев относительно опорно-двигательного аппарата человека.

Ампутация или заболевание меняют инерционные характеристики сегментов тела человека (массу, положение центров масс, величину моментов инерции), а ходьба характеризуется асимметрией движений. Практика протезирования показывает, что больной тем больше удовлетворен протезом, чем меньше асимметрия шага протезированной и сохранившейся конечностей. Такая предпосылка позволяет получить ряд полезных рекомендаций для построения протеза. Так появился принцип симметрии, лежащий в основе построения протезов, которому можно дать следующее толкование.

Известно, что в живом организме всегда поддерживается постоянство физико-механических величин. Например, устойчивое положение тела человека в поле гравитации обеспечивается антигравитационными автоматизмами, управляющими скелетной мускулатурой и позволяющими человеку не думать о своем равновесии. При ходьбе также проявляется действие автоматизмов, превращающих ее в динамический стереотип.

Развитие представлений о постоянстве ряда физико-механических характеристик, свойственных человеку, приводит к разработке чисто практических приемов уменьшения асимметрии при протезировании.

Ряд количественных характеристик, являющихся постоянными для большинства людей, например артериальное давление крови, ее состав, пульс, характеристика биопотенциалов сердечной мышцы и других, рассматривается как нормальный. Аналогичная норма существует и для биомеханических характеристик, которые могут быть выражены в виде чисел или нормальных кривых. Установлено, например, что радиусы инерции сегментов нижней конечности также являются постоянными величинами: радиус инерции бедра составляет 41,7% его длины, а радиус инерции голени со стопой -- 62,2 % длины голени со стопой. С точки зрения теории вероятности и математической статистики все эти средние величины можно назвать биомеханическими константами, потому что они свойственны всем людям при средних квадратичных отклонениях, равных 3%. Известно большое число биомеханических констант, присущих человеческому телу. К ним относятся относительные величины размеров тела, массы его сегментов, положения центров масс, моменты инерции и др. В результате ампутации происходит потеря части массы тела, меняют свое положение центры масс, изменяются величины радиусов инерции. Казалось бы, для восстановления доампутационных условий достаточно восполнить утраченную массу в искусственной конечности. Но такая попытка не приводит к положительным результатам. Более того, опыт показывает, что при других равных условиях важно добиться малой массы искусственной конечности. Какой же путь следует выбрать для уменьшения асимметрии? Здесь нам на помощь приходят методы аналитической механики и математики, позволяющие определить условия, при которых два различных тела (например, сохранившаяся и протезированная конечности) будут двигаться по одинаковым законам.

Представим себе две модели, одна из которых имитирует движение сохранившейся конечности, а другая -- культи с протезом. Для характеристики движения в механике используют уравнения или системы уравнений, описывающие законы движения. Если составить такие уравнения для наших двух моделей и потребовать, чтобы законы движения их были одинаковыми (симметричное движение), то окажется, что при этом должны соблюдаться не равенства биомеханических констант обеих моделей (например, массы одинаковых сегментов), а равенства отношений определенных комбинаций из биомеханических констант. Так, например, при исследовании фазы переноса сохранившейся или протезированной нижней конечности оказалось, что одним из условий обеспечения симметричных движений при ходьбе является соблюдение следующего равенства: отношение произведения момента инерции голени на ускорение земного притяжения к произведению статического момента этого сегмента на его длину -- величина постоянная и равная 0,805. Следовательно, это число и есть биомеханическая константа.

Таким образом, методы механики позволяют строить протезы, в которых соблюдение ряда количественных характеристик, выраженных через биомеханические константы, приводит к уменьшению асимметрии движений. Использование принципа симметрии в качестве основной предпосылки наряду с методами механики и математического моделирования позволило получить важные количественные закономерности, позволяющие строить функционально обогащенные протезы повышенной антропоморфности, ходьба на которых вызывает минимальные перегрузки. Эти количественные закономерности легли в основу индивидуальных схем построения протезов. Схемы можно определить как совокупность параметров, устанавливающих взаимное расположение сегментов конечности и звеньев протеза относительно друг друга и всего протеза относительно опорно-двигательного аппарата. Такое определение приводит к установлению последовательности основных этапов протезирования. Прежде всего, собирают информацию о больном: антропометрические, масс-инерционные, анатомические (в этом числе, уровень ампутации, состояние культи), половозрастные и некоторые социальные характеристики. Эта информация используется для выбора типа протеза и схемы его построения. Затем определяют форму и типоразмер приемной гильзы или ее модель (например, гипсовый негатив с культи). Далее подбирается или изготовляется приемная гильза, после чего комплектуют все необходимые узлы протеза и осуществляют его предварительную сборку к первой примерке. В процессе примерки ведется органолептическая оценка соответствия протеза человеку, выполняется дополнительное моделирование приемной полости (подгонка) и уточняется взаимное расположение узлов и деталей протеза относительно друг друга и всего протеза относительно опорно-двигательного аппарата, т. е. уточняется индивидуальная схема построения протеза. Это выполняется с помощью юстировочных средств или перемещением (линейным или угловым) сегментов протеза относительно друг друга. При примерке обязательно учитываются субъективные ощущения человека, которые анализируются врачом и техником-протезистом. Для оценки нормального функционирования системы человек -- техническое устройство применяются различные аппаратурные средства. При этом можно оценить степень адаптации культи к приемной полости, например, по распределению давлений на культю; проверить кинематические характеристики ходьбы и ее асимметрию при шаге протезированной и сохранившейся конечностей (временную* структуру, межзвенные углы); проанализировать характер и величину опорных реакций, траекторию перемещения общего центра масс; измерить энергозатраты, например, методом газообмена и т. д Такая информация позволяет предварительно оценить результаты протезирования и сформулировать рекомендации по устранению недостатков в протезе, собранном для примерки. В зависимости от значимости выявленных недостатков протез направляют на вторую примерку или в отделку.

1.2 Протезы верхних конечностей

Протезы верхних конечностей подразделяются на четыре основные группы: косметические; функционально-косметические; активные (подразделяются на тяговые и с внешними источниками энергии), рабочие.

К первой группе относятся протезы, соответствующие естественной конечности только по внешнему виду. Такие протезы восполняют утраченную конечность по форме и могут быть использованы только для функций прижима или поддержки каких-либо предметов.

Протезы, относящиеся ко второй группе, допускают пассивные движения, приводимые внешней силой, например здоровой рукой. В таких протезах можно раздвинуть пальцы искусственной кисти, вставить рукоятку инструмента, ручку портфеля или вилку. Они также позволяют установить кисть в удобное для исполнения каких-либо действий положение, согнуть в локтевом шарнире и зафиксировать эти положения.

К третьей группе относятся протезы, механизмы которых приводятся в действие в результате движений, совершаемых той или иной частью опорно-двигательного аппарата или мышц. Например, при подъеме надплечья приводится в движение тяга, открывающая кисть, или осуществляется сгибание протеза в локтевом шарнире. К этой группе относятся также протезы, исполнительные механизмы которых приводятся в движение внешними источниками энергии (электрические аккумуляторные батареи или энергия сжатого газа). Различаются следующие виды управления: биоэлектрическое, миотоническое, контактное, а также механической выборкой тяги.

К четвертой группе относятся протезы с приемниками и различного рода рабочими насадками, предназначенными для выполнения квалифицированных бытовых и рабочих операций.

1.3 Протезы пальцев и кисти

В соответствии с действующей классификацией определено шесть типоразмеров правых и левых протезов пальцев: три мужских и три женских.

Протез изготовляется в виде одной детали из поливинилхлоридной пасты и имеет приемную полость, заканчивающуюся сферической опорной площадкой и щелевым углублением. Кромки приемной полости в проксимальной части спущены на нет. Крепление протеза на культе обеспечивается за счет эластичности материала.

Протезирование при дефектах пальцев кисти осуществляется методом подбора, примерки и подгонки полуфабрикатов протезов в соответствии с их маркировкой и показаниями. При этом добиваются наибольшего соответствия протеза сохранившимся пальцам по форме и цвету, а также надежного удержания его на культе. Протез не должен спадать с культи под действием собственной массы при движениях пальцев и при встряхивании всей конечностью. В то же время протез должен легко надеваться, а у протезируемого не должно появляться чувство сдавливания культи. Если подобранный протез сдавливает культю, то приемную полость подгоняют по гипсовому слепку культи. Для этого культю обмазывают гипсовой массой консистенции жидкой сметаны до образования стенки толщиной 5--10 мм и после отверждения с культи снимают форму. Перед заливкой гипса в форму ее смазывают изнутри вазелином и вставляют изогнутый проволочный стержень. После отверждения гипса форму осторожно разбивают. Чтобы обеспечить натяг, необходимый для надежного удержания протеза на культе, рекомендуется перед разблоковкой протеза дополнительно обработать проксимальную часть слепка: с боковых и ладонной поверхностей слепка необходимо снять слой толщиной 1--1,5 мм и поверхность зачистить.

Приемную полость протеза разогревают до термопластичного состояния струей горячего воздуха, направленного внутрь с помощью специального пистолета, применяемого для сварки полиэтилена. После разогрева протез быстро вручную насаживают на слепок и выдерживают при комнатной температуре 1--2 мин, после чего снимают со слепка.

Протезы кисти функционально-косметические назначают при ампутации и врожденных дефектах кисти на разных уровнях, когда пальцы полностью или частично отсутствуют, а также после вычленения кисти в лучезапястном суставе. Различают несколько разновидностей протезов в зависимости от уровня ампутации и наличия сохранившихся пальцев.

Соответственно этому протез может быть неспадающим или с приемной гильзой в виде манжетки, застегивающейся посредством кнопок на ладонной части кисти, а при короткой культе запястья и после вычленения в лучезапястном суставе -- с гильзой, фиксируемой на уровне предплечья с помощью ремешка или ленты «Велкро».

Протез кисти после ампутации в пределах пястья назначается на культю кисти после ампутации в пределах пястья. Схват -- раскрытие пальцев кисти протеза -- осуществляется сгибанием и разгибанием в лучезапястном суставе; при сгибании происходит схват, при разгибании -- раскрытие кисти. Сила схвата кисти зависит от силы мышц предплечья.

При сборке протеза применяется узел коронка с пальцами. Коронка, в которой установлены блок из четырех пальцев и I палец, представляет собой отливку из пластмассы. Блок из четырех пальцев и I палец состоят из стального литого каркаса, облицованного резиной.

Пальцы могут быть зафиксированы в положении щепоти. Для этого на внутренней шине манжетки установлен замок, который включается и выключается с помощью здоровой руки или нажимом головки замка на посторонний предмет. Манжетка предплечья изготовляется из кожи (шорно-седельной). В зависимости от показаний к назначению приемник культи может быть изготовлен из пластмассы или кожи; если культя полная и имеет булавовидную форму, то приемник культи для более легкого надевания и снятия протеза лучше изготовлять из шорно-седельной кожи. Пластмассовый приемник изготовляют из 8--10 слоев марли, пропитанной полиамидным лаком.

Чтобы собрать коронку с пальцами, в нее вставляют блок из четырех пальцев. Затем нажимают на него так, чтобы конец рычага, соединяющий блок с I пальцем, вышел в отверстие основания I пальца за пределы ушек коронки. Свободный конец рычага вставляют в узкий паз каркаса пальца и закрепляют его с помощью оси. После чего устанавливают I палец между ушками коронки на ось. Блок из четырех пальцев также устанавливают на ось. Концы оси слегка расклепывают и проверяют движение пальцев. Шины не должны препятствовать движению блока из четырех пальцев.

На приемнике культи против узкого паза каркаса I пальца вырезают отверстие для выхода приводной тяги. Шины соединяют осями и проверяют движение в шарнирах. Приводную тягу предварительно выгибают по контуру приемника. Между осями шарнирных соединений определяют длину приводной тяги. Для этого из коронки вынимают ось I пальца, затем I палец вынимают из отверстия коронки. Обработанный конец приводной тяги пропускают через отверстие в приемнике и вставляют в узкий паз каркаса I пальца. Затем его закрепляют с помощью оси. I палец ставят на ось и закрепляют гайкой.

Пальцы устанавливают в положение щепоть. Приводную тягу подгоняют таким образом, чтобы ее необработанная часть подходила к отверстию рычага внутренней шины. Измеряют расстояние от центра оси, крепящей тягу на I пальце, до центра отверстия на рычаге нижней шины. Необработанный конец тяги обрабатывают согласно чертежу с учетом полученной длины и крепят на рычаге внутренней шины с помощью оси. Проверяют раскрытие и схват кисти (величина раскрытия не должна быть менее 70 мм). Движение в шарнирах должно быть плавным.

Если культя имеет ограниченное движение в сторону разгибания, необходимо укоротить приводную тягу и определить на ней новое место расположения отверстия под ось.

При двусторонних культях ставят перекидные пряжки и закрепляют их на манжетке с помощью кожаных петель и пустотелых заклепок.

1.4 Протезы предплечья тяговые

Пластмассовый протез предплечья предназначен для протезирования детей с пятилетнего возраста и взрослых после односторонней и двусторонней ампутации предплечья на любом уровне, но при длине культи не менее 6 см. В протезе может быть установлена кисть с пружинным схватом и активным раскрытием пальцев от I до VI типоразмера. При положении щепоть пальцы кисти автоматически фиксируются. Механизм ротации кисти состоит из двух фланцев, служащих для присоединения кисти к гильзе предплечья и ее пассивной ротации. Необходимое торможение при ротации кисти достигается силами трения торцевых поверхностей фланцев.

Основные детали кисти и фланцы механизма ротации изготовляют из полиамидной смолы, а крепление протеза -- из капроновой тесьмы в виде петли с подмышечной полихлорвиниловой трубкой с двумя концами, один из которых проходит спереди надплечья и служит для подвески протеза посредством кожаного ремешка, а второй проходит по спине и соединяется затем с пальцевой тягой. Ремешок обхватывает плечо над локтевым суставом сзади, препятствуя осевому смещению протеза относительно культи при согнутом положении ее в локтевом суставе. Ремешок своими концами присоединен к кольцам, прикрепленным к гильзе предплечья на уровне локтевого сустава. Пальцевая тяга направляется кольцом и регулируется кнопкой. Выборка тяги происходит при разведении лопаток.

Гильзу протеза изготовляют по гипсовому слепку или колодке. Дистальный конец слепка наращивают соответственно длине гильзы и размеру фланца кисти. Гильзу из слоистого пластика изготовляют по описанной выше технологии. Заготовку гильзы предплечья размечают по длине, делают вырез по верхнему контуру и подрезают по нижнему контуру. На уровне локтевого сустава на гильзе закрепляют два шарнирных кольца и одно кольцо для направления пальцевой тяги. Фланец предплечья, служащий для присоединения и ротации кисти, закрепляют в гильзе предплечья клеем. Наружную поверхность гильзы предплечья оклеивают трикотином, для этого: зашкуривают поверхность гильзы; выкраивают по размерам гильзы заготовку трикотина; промазывают поверхность гильзы клеем, накладывают трикотин на промазанную поверхность и, слегка пригладив его рукой, приклеивают к гильзе; обрезают лишние края трикотина и дважды покрывают поверхность гильзы тонким слоем клея; просушивают гильзу при температуре 18--20 °С в течение 4 ч. Внутреннюю поверхность гильзы зачищают и при необходимости покрывают тонким слоем полиамидного лака с последующей сушкой. В протезе может быть применена гильза предплечья, изготовленная из листового полиэтилена.

При выдаче протеза регулируют крепление и пальцевую тягу с таким расчетом, чтобы больной мог полностью раскрывать пальцы при любом угле сгибания конечности в локтевом суставе. При полностью опущенной конечности в положении стоя пальцевая тяга должна слегка провисать во избежание раскрытия пальцев под действием силы тяжести удерживаемого протезом предмета.

Силу натяжения пружины механизма схвата кисти можно регулировать, поворачивая ось специальным ключом или плоскогубцами и фиксируя ее через четверть оборота. При этом из оси предварительно вывинчивают винт со стороны пружины и нажимом отвертки смещают ось в продольном направлении на 3--4 мм.

1.5 Протез плеча тяговый

Протез назначается взрослым и детям с пятилетнего возраста после односторонней и двусторонней ампутации на уровне плеча, при культе плеча в пределах средней трети, а также на границах средней трети с нижней и верхней третью; при этом расстояние между концом культи и осью локтевого шарнира должно быть не менее 4--5 см а длина культи -- не менее 5 смот подмышечной впадины.

Протез состоит из трех основных элементов, на которые он легко и быстро разбирается: кисти, узла локоть-предплечье и гильзы. Это облегчает сборку и ремонт протеза и позволяет применять рабочие приспособления на уровне плеча и предплечья. Крепление протеза имеет вид подмышечной петли, из капроновой тесьмы с эластичными оттяжками.

Механизм сгибания протеза в локте с двусторонней многоступенчатой фиксацией предплечья имеет зубчатый сектор, позволяющий фиксировать сгибание протеза в семи положениях. Протезом можно осуществлять следующие движения: активное сгибание в локтевом шарнире, активное раскрытие пальцев с кисти, двустороннюю фиксацию положения предплечья, пассивное вращение кисти в пределах 360° и пассивное вращение протеза вокруг оси плеча в пределах 90°.

При сборке узла локоть-предплечье, кистью используют клеевое соединение и фланец. Затем вставляют кисть с фланцем в гильзу предплечья, замеряют фактическую длину узла локоть-предплечье вместе с кистью. При необходимости укорочения длины гильзу предплечья подрезают ножом в ее дистальной части перпендикулярно продольной оси гильзы на величину разности размеров. Затем размечают длину стержня при сомкнутых пальцах, укорачивают его длину по разметке и нарезают на конце резьбу М4 на длине 15 мм. Гильзу надевают на фланец до упора в буртик таким образом, чтобы углубления в торце гильзы совмещались с приливами на корпусе предплечья, когда кисть повернута относительно предплечья на 180° от своего естественного положения. Карандашом на наружных поверхностях кисти и гильзы наносят риски и снимают гильзу с фланца. Склеивают фланец с гильзой. Размечают и просверливают в гильзе отверстие 4 диаметром 8 мм на расстоянии 21 мм от торца со стороны ладонной поверхности кисти. Соединяют наконечник на резьбе со стержнем так, чтобы лыска на конусе наконечника была обращена в сторону тыльной поверхности кисти, и затягивают стопорный винт через отверстие. Соединяют кисть с гильзой предплечья и поворачивают ее относительно предплечья на 180°. Смыкают пальцы кисти и натягивают пальцевую тягу. При этом стержень должен автоматически соединиться с рычагом механизма движения пальцев.

Работу механизма привода кисти проверяют несколько раз при различных положениях супинации и пронации кисти, следя за тем, чтобы в положении щепоть пальцы фиксировались без зазора между концами. Проверяют величину раскрытия пальцев (на 50--75 мм) в зависимости от типоразмера кисти и возможность пассивной ротации кисти.

Заготовку гильзы плеча изготовляют по гипсовому слепку из марли, пропитанной полиамидным лаком, или листового полиэтилена. Технология изготовления гильзы аналогична той, которая приведена для изготовления приемных гильз протезов предплечья.

Полученную заготовку гильзы плеча подрезают на уровне акромиального отростка, верхний внутренний край -- на уровне и по форме подмышечной впадины, а нижний конец -- перпендикулярно оси гильзы.

При подгонке гильзы обеспечивают равномерное прилегание ее по культе при внутреннем диаметре нижнего конца культи 70, 63, 54 мм (в зависимости от типоразмера протеза). Локальное изменение формы гильзы производят путем размягчения материала и посадки по колодке или по слепку.

При атрофированной конической культе по слепку изготовляют кожаную вкладную гильзу, склеивают ее с основной гильзой. При необходимости основную гильзу сужают, продольно разрезав и затем сшив края встык или внахлестку. После подгонки гильзы в нее вставляют фланец плеча до упора в буртик так, чтобы гильза соединилась с узлом локоть -- предплечье, повернутым внутрь относительно плеча на 90°. В гильзе плеча и фланце прокалывают шилом четыре отверстия, равномерно расположенных по окружности, отступая от конца гильзы на 6--8 мм. Отверстия рассверливают сверлом диаметром 4 мм и соединяют гильзу с фланцем заклепками холнитен. На гильзе плеча временно закрепляют три металлические кнопки на расстоянии 15--20 мм от верхнего края гильзы: первую --сзади, вторую -- сбоку, а третью --на расстоянии 20--25 мм от второй.

Затем заготавливают полуфабрикаты крепления: капроновую ленту, две штрипки для крепления тяг и три тянки длиной 120-- 150 мм, надставленные штрипкой. Боковая (средняя) тянка может быть изготовлена из юфти шириной 20--25 мм. При примерке протеза размечают и временно сшивают друг с другом детали крепления. Надевают на больного протез и крепление, застегивают тянки на кнопки, присоединяют пальцевую и локтевую тяги к креплению. Проверяют длину протеза и его функциональность. Плавность и легкость управления зависят от подгонки гильзы плеча, регулировки крепления тяг, устранения возможных перекосов и заклинивания тяг. Проверяют работу локтевого замка во всех режимах.

При отделке протеза гильзу плеча зачищают и обтягивают трикотином. Расклепывают металлические кнопки. Внутреннюю поверхность гильзы плеча зачищают. Окончательно сшивают детали крепления. К переднему концу крепления, к которому присоединяется пальцевая тяга, снизу пристрачивают кожаную настрочку, начиная от крестовины, лицевой стороной к телу больного. Настрочка должна быть на 4--6 мм шире тесьмы.

При выдаче протез надевают на протезируемого, регулируют крепление, тяги, положение механизма ротации и обучают пользованию протезом.

1.6 Применение электроники и биомеханики при протезировании

Восстановление поврежденных или замена полностью утраченных в результате болезни или травмы отдельных органов человека -- одна из проблем медицинской практики которой сегодня занимаются врачи в тесном союзе со специалистами в области электроники и бионики.

Начиная с античных времен и по сей день, человеческая изобретательская мысль с неотступной страстностью и упорством ищет способы создания искусственной руки, которая бы в своем совершенстве была наиболее близка к природной.

Но попытки создания механического подобия кисти, приводимого в движение теми или иными группами мышц, желаемого результата не давали.

Положение изменилось лишь к середине текущего столетия. В результате достигнутого высокого уровня развития электрофизиологоии, основ автоматического управления, биомеханики -- новой ветви бионики и электронной техники -- начали вырисовываться новые пути решения задачи. В большой мере этому способствовало утверждение кибернитического подхода к изучению общих закономерностей управления функциями живого организма. В итоге родилось принципиально новое направление в протезировании конечностей -- создание протезов с биоэлектрической системой управления и биоуправляемых протезов.

В 1956 году советскими учеными А.Е. Кобринским, Я.С. Якобсоном, Е.П. Поляным, Я.Л. Славуцким, А.Я. Сысиным, М.Г. Брейдо, В.С. Гурфинкелем, М.Л. Цетлиным в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения Министерства социального обеспечения РСФСР был создан макетный образец "биоэлектрической руки" -- протеза, управляемого с помощью биотоков мышц культи. Это "чудо ХХ века", впервые демонстрировалось в советском павильоне на Всемирной выставке в Брюсселе.

Искусственная рука, созданная советскими учеными, вернула к полноценной жизни тысячи людей. В Канаде, Англии и других странах приобретены лицензии на советскую биоэлектрическую руку.

Обладатель искусственной руки пользуется ей очень просто, без каких-нибудь неестественных усилий: мозг отдает мышцам приказание сократиться, после чего легкое сокращение одной мышц культи заставляет кисть сжаться, сокращение другой - раскрывает ее. Протез надежно работает при любом положении руки, с его помощью человек может самостоятельно обслуживать себя: одеться, обуться, за обеденным столом управляться с ножом и вилкой по всем правилам хорошего тона, а также писать, чертить и т.п. Более того уверенно работать напильником и ножовкой, пинцетом и ножницами и даже управлять транспортным средством .

Многие ученые, работающие над проблемой искусственного зрения, пытаются активизировать потенциальные возможности мозга слепых. Разработанная американскими учеными электронная система искусственного зрения построена следующим образом: в глазницах слепого устанавливаются стеклянные глаза - высокочувствительные экраны, воспринимающие световые волны (вместо сетчатки). Стеклянные глаза, содержащие матрицы светочувствительных элементов, соединяются с сохранившимися мышцами зрительных органов слепого. Благодаря усилию глазных мускулов положение этих экранов (камер) можно менять, направляя их на тот или иной объект. В дужках темных фальшивых очков, заменяющих оптический нерв, размещены микроузлы, преобразующие изображение, "считываемое" с экрана, которое передается в электронный блок, связанный с электродами, кончики которых введены в участки головного мозга, ведающие зрением. Соединение электронных схем с вживленными электродами производится либо по проводам с подкожным разъемом, либо через передатчик, устанавливаемый снаружи и имеющий индуктивную связь со вживленной частью системы под черепной коробкрй.

Каждый раз, когда экран в глазнице слепого регистрирует какой-либо несложный объект, миниатюрная ЭВМ в дужке очков преобразует изображение в импульсы. В свою очередь электроды "переводят" их в иллюзорное ощущение света, соответствующее определенному пространственному образу.

Предстоит еще много сделать, чтобы подобные системы искусственного зрения стали высокоэффективными приборами, приносящими реальную пользу не отдельным пациентам, а тысячам и тысячам слепых.

Не менее успешно ведутся работы и по созданию электронных устройств для людей, частично или полностью потерявших слух.

Один из наиболее удобных аппаратов, усилительный тракт которого построен на одной интегральной микросхеме. Его вес не более 7 граммов. Применяемые элекретные микрофоны со встроенными истоковыми повторителями имеющими высокую чувствительность.

Значительно сложнее вернуть человеку слух при полной его потере. Обычно глухим вживляют в улитку внутреннего уха одноканальные электроды (вместо нервов), что позволяет им слышать, например, звуки телефонного или дверного звонка. С появлением микропоцессоров возникла возможность обработки воспринимаемых звуков для выделения составляющих тональных сигналов, подаваемых на отдельные каналы многоканального аппарата искусственного слуха, синтезирующие первоначальные сигналы в слуховом участке коры головного мозга.

Мы еще мало знаем об удивительных способностях живых организмов узнавать о событиях внешнего мира. Когда нейрофизиологи и бионики побольше узнают о них, можно будет создать и "электронные уши" и "электронные глаза", которые окажут неоценимую помощь миллионам людей.

протезирование анатомический биомеханика

2. Современные технологии протезирования: как ИТ помогает людям жить

2.1 Обзоры

Людям, как биологическому виду, у которого есть конечности, в результате несчастных случаев, катаклизмов, болезней и прочих жизненных ситуаций, к сожалению, иногда свойственно их терять. И, в отличие от некоторых животных, нам повезло меньше. Например, тритонов и ящериц природа одарила регенерацией потерянных частей тела, а вот человека (впрочем, как и большинство других видов) оставила наедине с собой в таких ситуациях. Но поскольку человек обладает интеллектом, а цивилизация следует по технологическому пути, то еще с древних времен утраченные конечности научились заменять протезами.

На нынешней стадии развития технического прогресса и научных достижений люди с физическими недостатками имеют большой выбор различных возможностей и ассортимент продукции протезной индустрии, а также полный ассортимент различного адаптивного оборудования. Сейчас в сфере протезирования, в основном благодаря развитию ИТ и синергии индустрий, наблюдается всплеск новых разработок и достижений. Основная цель, которую пытаются достичь ученые и инженеры всего мира - воплотить в искусственном изделии все функции живой руки или ноги.

Впрочем, все бионические устройства разных фирм, институтов и центров пока что не сильно похожи на свои естественные прототипы. Помимо прочих сложностей, основной элемент, которого не хватает всем разработкам - это похожая на настоящую кожа для наружного покрытия. Впрочем, вполне вероятно, что в скором времени эта проблема будет решена путем изготовления полноценной искусственной кожи - сейчас уже проводятся эксперименты по соединению в единое работающее целое нервной ткани и электронных устройств.

Практически до конца 20-го века все изобретения в области протезирования были механического характера, в некоторых случаях сгибание регулировалось вручную. Основными проблемами протезов тех времен (да и, собственно, разработанных ранее конструкций, применяющихся во многих случаях до сих пор) были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, которые заменяли руку или ногу, не могли функционировать, как полноценный их прототип - это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу. Это и есть главный минус протезов - их «внешний» характер и низкая функциональность. Все, что остается делать их обладателю, это использовать их как элемент гардероба, который со временем изнашивается и становится непригодным к дальнейшей эксплуатации.

Не столь давно в сфере протезирования появилось такое направление, как "биомехатроника", которое представляет собой соединение робототехники и нервных клеток человека. Задачей научных исследований в этом направлении является разработка искусственных конечностей, которыми можно будет управлять лишь силой мысли, а функциональность будет повторять оную у заменяемой конечности человека с максимальной точностью. Кроме создания роботизированных протезов, способных «вести диалог» с нервной системой, важным направлением является остеоинтеграция, то есть сращивание искусственного модуля и кости, что позволит обойтись без гильзы протеза. Эксперименты по сращиванию титановых имплантатов с кожей, мышцами и костной тканью проводятся регулярно, а некоторые компании (в частности, немецкая ESKA Implants с их технологией Endo-Exo) уже представили серийные разработки. Исходя из нынешнего уровня развития технологий, уже в скором времени человек, потерявший конечность, сможет почувствовать себя отчасти киборгом...

2.2 Протезы ног

Согласно статистическим данным, наиболее часто люди теряют ноги. В нынешнее время современные протезы ног стали достаточно сложными и на потребительском рынке давно присутствуют, хотя и не слишком доступны с финансовой точки зрения, модели со встроенными микропроцессорами, которые можно программировать для более естественной ходьбы и других движений. Если не касаться вопроса изготовления культеприемной гильзы (в этой области тоже есть свои достижения, вроде применения углеволокна и прочих композитных материалов, но собственно “высоких технологий” немного), то протез ноги состоит из двух ключевых элементов, на улучшение которых и направлены усилия разработчиков - коленного модуля и стопы.

Наиболее распространенными в реальной эксплуатации являются коленные модули C-Leg германской фирмы Otto Bock и Rheo Knee исландской компании Ossur. Эти протезы используют гидравлический привод с электромоторами, управляющие микропроцессоры, соответствующее программное обеспечение и батарею, питающую все компоненты протеза.

Коленный модуль C-Leg фирмы Otto Bock - самый известный широкой общественности продукт, чье название (сокращенное от «Computer Leg») иногда даже используется, как нарицательное, так как присутствует на рынке аж с 1997 года. Функционально он существенно отличается от традиционных механических протезов, обеспечивая значительную гибкость в эксплуатации. В частности, C-leg имеет три режима работы, переключение между которыми происходит с помощью пульта дистанционного управления. В моменты отдыха модуль может принимать вес с отклонением от 7 до 70 градусов. Управление алгоритмом гидравлической системы реализуется с помощью микропроцессора, 50 раз за минуту обрабатывающего входящую информацию от сенсора давления и изменяет параметры работы. По сообщениям на сайте производителя, пользователи C-Leg не только не задумываются о том, куда и как поставить искусственную ногу при ходьбе (и способны передвигаться со средней «прогулочной» скоростью здорового человека), но даже катаются на велосипедах. Впрочем, согласно другим отзывам, сам по себе C-leg, как и аналоги, способен помочь в первую очередь тем пользователям, которые уже хорошо освоили ходьбу на обычном протезе - то есть, использование C-leg не обязательно «творит чудеса».

Интеллектуальный электронный коленный шарнир Rheo Knee является совместной разработкой исландской компании Ossur и Массачусетского технологического института и появился в продаже в 2006 году. Сложная сеть датчиков, интегрированная в модуль, регистрирует изменения и позволяет искусственной ноге «на ходу» вносить коррективы в свою работу. Микропроцессор контролирует параметры ходьбы при каждом шаге, фиксирует нагрузку и положение со скоростью 1000 раз в секунду во время фазы стояния и затем в соотвествии с этим регулирует сопротивление движения в коленном шарнире путём нагнетания или откачивания из искуственного коленного сустава намагниченной жидкости.

В повседневной жизни для людей создается масса вещей, чья практическая полезность не столь важна, как дизайн. Поскольку для инвалидов таких проектов изобретается не так уж много, то стоит более подробно отметить и наработки в этом ключе: продукты, создатели которых позаботились и об определенной эстетике протеза.

Например, фирма TAG Heuer отличилась демонстрацией протеза в стиле хай-тек, автором которого является корейский дизайнер Гу Хо Син. При его производстве использовались материалы высшего качества: коленный модуль выполнен из углеродного волокна с применением также стали и титана. Стопа имеет противоскользящее резиновое покрытие, это позволяет использовать протез вообще без обуви, что очень удобно.

Еще один пример того, что можно назвать «модным протезом ноги» - концепт Nike Air Jordan, выполненный в духе марки спортивной обуви Nike. К сожалению, при всей привлекательности, это всего лишь виртуальный продукт, идею которого предложил дизайнер Колин Матско.

Другой подобный концептуальный дизайн разработала Джоанна Хоули - как и в предыдущем случае, задача стояла создать эстетически привлекательный внешний вид искусственной конечности, с применением современных материалов, но без попытки замаскировать результат под настоящую ногу.

Как ни странно может показаться, но наиболее сложной частью ноги для воспроизведения по функциональности является ступня. В основе современного протезирования ступней лежит сложная гидравлика, имитирующая основные положения, которые принимает стопа при ходьбе, стоянии, поворотах и даже танцевальных движениях.

Группа ученых-иследователей из Массачусетского технологического института и университета Брауна представила на всеобщее обозрение самую первую роботизированную ступню. Данная модель способна двигаться, используя сухожилиеподобную пружину и электрический двигатель.

Не столь давно студентом Мичиганского Университета (сейчас является ассоциированным научным сотрудником Технологического Университета Делфта (Нидерланды) был разработан протез ступни, экономящий силу при ходьбе. Этот протез отличается от других традиционных конструкций тем, что он более легкий и комфортный в эксплуатации, а от современных биомеханических протезов - отсутствием внешнего источника питания и каких-либо силовых приводов.

А первым в мире интеллектуальным протезом ступни, поступившим в розничную продажу, стал Proprio Foot - протез который способен "думать и действовать сам". Официальными разработчиками данного протеза являются компания из Исландии Цssur и канадская фирма Dynastream Innovations. Стоимость Proprio Foot составляет примерно $9000. Данный протез способен на промежутке 15 шагов вычислить особенности походки и нагрузку его владельца, максимально точно запомнить «стиль хозяина» и в дальнейшем подстраиваться под него. Основное отличие данного протеза от других в том, что его разработчики не делали ставку на датчики, которые считывают сигналы мозга, а сконструировали удачный компьютер, отслеживающий фактические движения тела и предсказывающий дальнейшее поведение.

2.3 Протезы рук

Протезирование рук возможно с помощью двух принципиальных типов устройств: механических и биоэлектрических. Механические - протезы, как правило, максимально приближенные к внешнему виду руки, что позволяет человеку не выделяться из толпы. В некоторых случаях протез способен к захвату и удерживанию предметов с помощью бандажей, которые закрепляются к плечу, а при потребности кисть может заменяться на крюк (конечно, не такой, как в фильмах про пиратов, а более функциональный).

Несмотря на то, что механические протезы существуют уже не одно столетие, предел их функциональности, похоже, давно достигнут. Поэтому дальнейшее развитие связано с биоэлектрическими протезами. Такие механизмы имеют в своей конструкции электроды, считывающие ток, вырабатываемый мускулами при их сокращении. Затем эти данные передаются на микропроцессор, который посредством команд моторам приводит протез в действие. Протез выполняет функции вращения кистью, захвата и удержания предметов. При этом биоэлектрический протез позволяет пользоваться такими миниатюрными вещами, как шариковая ручка, ложка, вилка и т.д.

Протез руки i-LIMB Hand, созданный компанией Touch Bionics, является последним достижением в кибермедицине. Управление им осуществляется интуитивной системой, в основе которой лежит миоэлектрическая технология - сенсор в виде металлической пластинки, соприкасающейся с кожей, улавливает нервные импульсы от мышц. Благодаря встроенным миниатюрным электромоторам I-Limb способен имитировать множество функций, присущих человеческой руке.

В своих продуктах Touch Bionics не обделила и тех пользователей, которые не желают скрывать искусственную сущность конечности и выглядеть подобно Терминатору. Специально для таких желающих был разработан вариант протеза в «прозрачной упаковке», через которую видна вся начинка устройства. Спрос на такое исполнение обеспечивают, в основном, мужчины, причем в первую очередь - военные. В то же время и косметическое покрытие i-Limb впечатляет: попробуйте угадать по фото, какая из рук - искусственная.

В области технологии создания искуственных рук трудно не отметить и сверхсовременный протез Luke Arm, созданный Майклом Голдфарбом из Университета Вандербильта и компанией Deka Research. О нем можно почти буквально сказать: «Не протез, а бомба», так как в качестве привода для него используется компактный однокомпонентный ... ракетный двигатель, аналогичный по конструкции ранее использовавшимся на космических шаттлах. В качестве топлива применяется перекись водорода: под воздействием катализатора топливо нагревается и выделяющийся в процессе пар открывает и закрывает клапаны, которые соединены с суставами протеза. Вся эта конструкция заменяет аккумуляторы и электромоторы. Название же Luke Arm было дано в честь Люка Скайуокера из «Звездных войн» (как известно, по сюжету Люк теряет руку в одном из фильмов серии).

С точки зрения научно-технологического уровня бионической руке Luke Arm не уступает SmartHand, разработанный группой ученых из шести стран (Швеция, Дания, Италия, Исландия, Ирландия, Израиль). Как и в большинстве других конструкций, для управления SmartHand используются нервные окончаний в культе ампутированной руки. Однако, данный протез уникален тем, что способен имитировать не только движения руки человека, но и воспроизводить ощущения от прикосновения к обьекту. Все это реализуется с помощью четырех электродвигателей и 40 датчиков, которые активируются при прикосновенни искуственными пальцами к обьекту. Первая операция, позволившая пациенту не только пользоваться данным протезом, но и чувствовать кончиками пальцев, была проведена в 2009 году в Тель-Авивском университе.

Судя по всему, британских ученых на создание конструкции протеза также натолкнул фильм «Звездные войны». Они разработали технологию прикрепления к человеческому скелету металлических протезов (пальцы, руки, ноги). При этом им удалось срастить металлические структуры с живой материей с помощью специально выращенных человеческих тканей. Годовые испытания на людях-добровольцах показали, что протез данного вида хорошо приживается, не отторгается организмом, а очевидным преимуществом является то, что его не нужно снимать и он не нуждается в гильзе, таким образом будучи гораздо лучше связан с телом.

Одной из последних разработок стал миоэлектрический протез руки BeBionic, который способен вращаться на 135 градусов и производить сгибание до 35 градусов. Как и у большинства современных протезов, возможности BeBionic максимально приближаются к естественным движением руки человека. Управление осуществляется микропроцессором, преобразующим в команды для электродвигателя сигналы от датчиков, распознающих движения сохранившихся мышц культи. Еще один плюс BeBionic - специальное программное обеспечение позволяет осуществлять различные виды захватов предметов и регулировать степень сжатия пальцев.

Создатели роботизированных протезов конечностей, иногда задумываются и о дизайне продукции, который радикально ломает стереотипы. Как и прочие, этот концептуальный протез “Immaculate” авторства дизайнера Ганса Александра Хусклеппа (Hans Alexander Huseklepp) непосредственно связан с нервной системой пользователя. Суставы построены так, чтобы обеспечить максимальную степень свободы - шарнирные элементы позволяют с легкостью осуществлять движения даже в более широких пределах, чем здоровая рука. Но в первую очередь “Immaculate” выделяется достаточно странным видом и позиционируется скорее, как аксессуар для людей, которые хотят выделиться и не скрывают факт потери конечности. Определенная логика в этом есть, ведь, например, очки, также выполняя реабилитационную функцию и будучи весьма заметными (и тем самым очевидно информируя окружающих, что у их хозяина плохое зрение), при этом стараются сделать внешне максимально эстетичными и подходящими к стилю владельца. В таком случае и протез конечности вполне может стать «аксессуаром», раз уж его наличие необходимо.

В качестве отдельного примера, пожалуй, наивысшего достижения на сегодняшний день - один из самых дорогих протезов мира. Это бионический протез руки, стоимость которого составляет порядка 6 миллионов долларов. Владелец данного протеза при его использовании может вращать им на 360 градусов, поворачивать кисть, а также ощущать прикосновения, кончиками пальцев различать структуру поверхности и даже температуру объекта. Все это достигается с помощью нейроинтерфейса - этот метод дает значительно большую полноту ощущений и возможностей управления в сравнении с использованием датчиков в более доступных миоэлектрических протезах. Авторы проекта - лаборатория прикладной физики Университета Джона Хопкинса, а финансирование поступает от небезывестного агенства DARPA, научного подразделения Пентагона.

2.4 Технологии улучшают качество жизни

Много кто из нас смотрит фантастические фильмы, в которых оживляют мертвых, внедряют в организм инородные тела, восстанавливают конечности - и стоит признать, что все это начинает обретать реальные черты, уже на нынешнем этапе развития цивилизации мы приближаемся к реализации того, что еще недавно казалось просто авторским воображением писателя или сценариста.