Изучение проблемы протезирования, классификации протезов и способов связи их с человеком. Разработка бионического экзопротеза



В статье проведен анализ существующих вариантов протеза кисти, способов связи человека и протеза. После проведенного анализа был разработан бионический экзопротез, подробно описан использованный в нем принцип связи (ЭМГ), а также алгоритм работы и созданное программного обеспечения.

Ключевые слова : протезирование, бионический протез, мышечная активность, электромиография.

Согласно статистике, опубликованной периодическим электронным изданием «Научная Россия», 12 % людей на нашей планете имеют какие-либо нарушения структур организма. Причины могут быть различны: аплазия (дефект, при котором орган или часть тела не до конца развиты) и прочие аномалии, производственная травма с последующей ампутацией. В любом случае, то, как человек утратил конечность, не имеет значения. Потеря конечности отражается на уровне физической и социальной активности человека, снижает качество жизни и становится препятствием при реализации профессиональной деятельности. Около 390 тысяч людей в год теряют кисть руки. Отсутствие части тела приводит к физическим ограничениям, а также несет социальные проблемы.

В результате перед человеком стоит выбор: быть инвалидом, который из-за потери конечности не может даже ухаживать за собой, или попытаться вернуть функциональность своего организма. Именно это и стало толчком развития такой отрасли, как протезирование. Актуальность этой проблемы остра и в нынешнем времени. Многие инвалиды, несмотря на потерю конечности, стараются вести прежний образ жизни, быть активными. В свою очередь протезы помогают людям с ограниченными возможностями частично восполнить функции утраченной части тела, упрощая им жизнь и позволяя вернуться к профессиональной деятельности.

Подводя итог, можно сказать, что нашей основной целью является разработка и создание функционального, доступного и удобного протеза кисти или предплечья, способного улучшить качество жизни людей с ограниченными возможностями и вернуть к профессиональной деятельности.

Протезирование — замена утраченных или необратимо поврежденных частей тела искусственными заменителями — протезами . Различают следующие виды протезирования:эндопротезирование (имплантация суставов, сосудов и т. п.); эктопротезирование (косметические протезы); экзопротезирование (закрепляемые снаружи протезы).

Сами же протезы кисти делятся на:

1. Косметические протезы , выполняющие лишь декоративную функцию, но не восполняющие функции утраченной конечности.
2. Тяговые протезы , представляющие собой систему рычагов. Когда человек совершает работу остатком руки, тросы натягиваются и пальцы сгибаются.
3. Рабочие протезы , внешне похожие на обычную руку, но оснащенные креплениями под специальные насадки для выполнения определенных действий.
4. Бионические протезы — протезы, которые восполняют часть функций утраченной руки. Управление происходит за счет считывания мышечной активности сохранившихся мышц.

Для работы бионического протеза требуется каким-либо путем получать показания о мышечной активности человека и обрабатывать их. Существуют различные варианты связи между человеком и протезом:

1. Внедрение различных имплантов в зоны сенсорной и моторной коры головного мозга — очень дорогостоящий метод, требующий персональной и длительной работы специалистов. Уместен в случае потери связи между центральной нервной системой и мышцами руки.
2. Имплантация электродов к периферическим нейронам мышц оставшейся части конечности, этот способ также довольно дорогостоящий и нуждающийся в серьезной работе множества профессионалов.
3. Регистрация биоэлектрической активности головного мозга датчиком электроэнцефалографии (ЭЭГ). Имеет ряд технических сложностей. Во-первых, систему надо обучать заново при каждом перемещении электродов. Во-вторых, сигнал неустойчив к наводкам и помехам.
4. Определение мышечной активности путем измерения отклонения эластичной стенки тензометрического датчика. Принцип непрактичен из-за большой погрешности в показаниях.
5. Регистрация напряжения на мышце, вызванное ее активностью с помощью электромиографии (ЭМГ).

Проведя детальный анализ существующих протезов кисти и предплечья, их классификации и вариантов связи с человеком, можно определить наиболее эффективный вариант для разработки — протез, позволяющий вернуть людей, утративших конечность, к привычной жизни: вариант протезирования — экзопротезирование. Выбор обусловлен практичностью и удобством метода. Протез крепится снаружи, не требует сложной операции для какого-либо вживления. Тип протеза — бионический, он имеет наибольший функционал по сравнению с другими возможными вариантами, частично восполняет функции утраченной конечности, следовательно, способен вернуть человека к прежнему образу жизни. Способ связи протеза с человеком — поверхностная ЭМГ. Снятие показаний о мышечной активности с помощью датчиков электромиографии не является наиболее точным методом, но данный способ доступен и устойчив к электромагнитным помехам, благодаря специфическому устройству датчика. Единственной проблемой может быть мышечная атрофия. Корпус протеза будет распечатан на 3д-принтере — это недорогая технология, которая позволит нам создать свою разработанную форму протеза.

Для того чтобы разобраться с работой ЭМГ датчика нужно понять, как устроены клетки мышцы, плазматическая мембрана и какие процессы протекают внутри. Мембрана состоит из двух слоев липидов (билипидный слой). Каждая такая молекула имеет две части: гидрофобный хвост, направленный внутрь мембраны, и гидрофильную головку, направленную наружу. Слои липидов пронизаны белками, некоторые из них проходят через оба слоя и называются интегральными . Другие белки расположены так, что один из их концов располагается внутри мембраны, называются полуинтегральные . Нас, по большей части, будут интересовать интегральные белки, так как они играют важную роль в трансмембранном процессе.

Особенное значение имеют интегральные белки, которые образуют каналы, способные пропускать через себя ионы . Следовательно, каналы делятся на селективные (специфические): натриевые, кальциевые, калиевые, хлорные. Селективность обеспечивается особой структурой белка, каждого из типа каналов. Также в мембране существуют неспецифические каналы, они не имеют ионного фильтра и всегда открыты для любых ионов. В состоянии покоя все натриевые каналы закрыты, в свою очередь, калиевые открыты. Именно это и является одним из фактором при формировании мембранного потенциала покоя (ПП). У всех живых клеток цитоплазматическая мембрана поляризованная, то есть имеет разный потенциал между наружной и внутренней поверхностью. В происхождении ПП играют важную роль: различная концентрация ионов внутри и вне клетки, работа натрий-калиевого насоса, разная проницаемость селективных каналов.

Активный транспорт обусловлен работой натри-калиевого насоса. При этом типе транспорта расходуется энергия, ее источником является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). При расщеплении одной молекулы АТФ из клетки выводится три иона натрия, а вводится два иона калия. Это говорит о том, что механизм активного транспорта играет важную роль в создании мембранного потенциала покоя.

Когда раздражитель (нейрон) прикладывает достаточную по длительности пороговую силу, то есть человек хочет напрячь мышцу, мембранный потенциал изменяется. Этот потенциал называется потенциал действия (ПД) и рассчитывается как сумма ПП и превышения над ним. Поверхностная ЭМГ способна показать эту мышечную активность (ПД). Датчик показывает разность потенциалов, поэтому он имеет два считывающих электрода и один опорный, избавляющий от шумов.

По функции мышцы предплечья делятся на разгибатели и сгибатели . Причем сгибать и разгибать они могут как пальцы, так и всю кисть целиком. Также есть мышцы пронаторы и супинаторы , осуществляющие соответствующие движения (поворот кисти). По своему местоположению все мышцы предплечья делятся на две группы: заднюю, состоящую из разгибателей и супинаторов, и переднюю, в которую входят сгибатели и пронаторы. Каждая группа состоит из глубокого и поверхностного слоя.

ЭМГ датчики должны распологаться над теми мышцами передней группы, который отвечают за какое-либо движение, связанное с хватом. Такими мышцами являются (нужно иметь в виду, что каждая из мышц имеет свой аналог-антогонист, производящий действие в обратную сторону). Можно выявить три основых жеста: сгибание и отведение запястья, сгибание пальцев. Значит максимальное количество жестов для протеза, используя только мышцы предплечья — шесть. Датчики ЭМГ могут крипиться у длинной ладонной мышци, лучевого и локтевого сгибателя запястья, поверхностного и глубокого сгибателя пальцев.

Проведя детальный анализ и исследования, связанные с физиологией человеческого организма, выбрав подходящие комплектующие за нами остается заставить все это каким-то образом взаимодействовать друг с другом, то есть наладить алгоритм работы протеза:

Рис. 1. Схема логики работы протеза

Датчик считывает мышечную активность и избавляет сигнал от шумов, передает показания на контроллер в виде аналогового сигнала, контроллер обрабатывает полученный сигнал. Контроллер отправляет запрос на хост (пользовательское приложение) с помощь Bluetooth-модуля и ожидает ответ в виде переменной, определяющей режим работы протеза. Ниже представлены режимы работы протеза.

Каждый человек имеет разный потенциал действия. Для того, чтобы пользователь мог самостоятельно настраивать протез, реализован режим калибровки. Принцип прост, при калибровке выводятся минимальное (расслабленная мышца) и среднее максимальное показания (мышца в напряжении) датчика. При последующем развитии в планах разработать протез, способный управлять каждым пальцем отдельно, следовательно имеющим возможность воспроизведения различных жестов. Эти жесты человек, сможет сам настраивать с помощью пользовательского приложения для Android и Windows. В качестве платформы для разработки пользовательского приложения и его интерфейса был выбран фреймворк Qt. Qt позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем путём простой перекомпиляции программы для каждой системы без изменения исходного кода.

Литература:

1. Биология: в 3-х т Т. 2 и 3. / Грин Н., Страут У., Тейлор Д. / Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера. — М.: Мир, 1993. — 701 с., — ил.
2. Биология для поступающих в вузы / Г. Л. Билич, В. А. Крыжановский. — 8-е изд. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2016. — 1088 с.: ил.
3. Посохова Анна Протезирование: от советской разработки до современных технологий. Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) / Посохова Анна. — Текст: электронный // Научная Россия: [сайт]. — URL: https://scientificrussia.ru/articles/protezirovanie-ot-sovetskoj-razrabotki-do-sovremennyh-tehnologij (дата обращения: 15.01.2022).
4. Евгений Жванский Не опускайте рук: почему бионические протезы не становятся доступнее? / Жванский Евгений. — Текст: электронный // Forbes: [сайт]. — URL: https://www.forbes.ru/tehnologii/345329-ne-opuskayte-ruk-pochemu-bionicheskie-protezy-ne-stanovyatsya-dostupnee (дата обращения: 15.01.2022).
5. Бакулев, В. И. К вопросу создания активных механических протезов для инвалидов с короткими культями верхних конечностей / В. И. Бакулев, Г. Н. Буров. — Текст: непосредственный // Вестник Гильдии протезистов-ортопедов. — 2004. — № 16. — С. 13–20.