Бионические протезы{{en:Bionic prostheses}}

Разработчики

Э. Швартц, Г. Кларк, Р. Г. Смит, Д. Гоу, М. МакАльпин и др.

Описание технологии

Одним из направлений современной биомедицины является разработка бионических протезов и имплантов. Основная особенность бионических протезов — это их способность брать на себя функции утраченных органов и конечностей. Бионические протезы отличаются от простых протезов тем, что они очень точно копируют функции того или иного органа, или даже превосходят их.
Данная технология уже на рынке.

Практическое применение

К настоящему времени достигнуты немалые успехи в создании следующих бионических протезов и имплантов:

Бионическая рука.

Проекты по созданию бионической руки развиваются весьма успешно. В настоящее время уже широко используются протезы, управляемые миоэлектрическим методом: i-LIMB и Bebionic3. Такие протезы «считывают» биоэлектрические потенциалы, возникающие при сокращении мышц на уцелевшей части руки, и в ответ на поступившую информацию осуществляют разные движения. С помощью этих протеза можно брать и удерживать разные предметы; предусмотрена возможность двигать пальцами по отдельности; можно регулировать силу сжатия.

В конце 2012 г. был создан бионический протез руки, который управляется частично тем же миоэлектрическим методом, а частично — нервной системой: имплантируемые электроды перехватывают биоэлектрические сигналы, поступающие по нервам из мозга, и встроенный в протез компьютер декодирует их в команды для управляющих моторов.

Следующим этапом разработки бионического протеза руки является создание такого протеза, через который можно было бы получать настоящие тактильные ощущения от прикосновения к любым поверхностям и чувствовать их температуру. В настоящее время несколько лабораторий ведут работу в данном направлении.

Бионическая нога

Уже несколько лет ученые разрабатывают и испытывают бионический протез ноги с двигателями на колене и около ступни. Нога представляет собой автономное устройство, оснащённое мощным компьютером и соответствующим ПО. Также ведется работа по созданию бионического протеза ноги, который подсоединяется к нервным волокнам в ноге, так что управляется эта искусственная нога «силой мысли». Еще одно направление в данной области — создание экзоскелета для ног, который рассчитанный на пожилых людей с конечностями, парализованными, например, вследствие инсульта.

Бионическое сердце

На настоящее время, кардиопротезы, то есть технические устройства, имплантируемые в организм человека и призванные полностью заменить сердечную мышцу, являются лишь экспериментальными и проходят клинические испытания.

Последнее поколение «сердцезаменителей» — таких, как Phoenix-7, AbioCor, SynCardia — преимущественно предназначены для временной замены главного насоса в человеческом теле. Расчёт идёт на то, что пациент в итоге получит донорское сердце, которым удастся заменить искусственное устройство. На настоящее время только два искусственных сердца одобрены FDA для временной пересадки человеку: SynCardia Total Artificial Heart и AbioCor replacement heart.
Из необычных разработок в области создания бионического сердца следует назвать созданное в 2015 г. бионическое непульсирующее сердце BiVACOR.

Бионическое ухо

Прототип бионического уха, по-другому называется кохлеарным имплантатом. Он состоит из:

микрофона, звукового процессора и передатчика, которые устанавливаются снаружи, на волосах или коже больного,
приёмника, имплантируемого подкожно,
цепочки электродов, введённых внутрь слуховой улитки посредством хирургической операции.

Функция кохлеарного имплантата заключается в стимуляции электрическими импульсами волокон слухового нерва в улитке. Аппараты предназначены для людей с тяжёлой потерей слуха. К концу 2000-х гг. кохлеарные имплантаты частично вернули слух более чем сотне тысяч человек всех возрастов (вплоть до 6-месячных детей) по всему миру.

Дальнейшие работы ведутся в направлении совмещения биологических и электрических компонентов в цельной живой ткани. Так, в 2013 г. была разработана уникальную конструкцию бионического уха. Форма уха была воссоздана с помощью технологии 3D-печати, а внутри такого уха разместили электронный слуховой аппарат. Электрические сигналы, вырабатываемые бионическим ухом, будут передаваться нервным окончаниям, отвечающим за слух — подобно тому, как это происходит при работе кохлеарного имплантата.

Бионические глазные имплантаты

В настоящее время достигнуты успехи в создании бионических «глаз». Они представляют собой электронных имплантов, которые позволят слепым людям хоть в какой-то степени видеть окружающее пространство. Один из таких имплантов — Argus II. Он состоит из специальной антенны, устанавливаемой на глазное яблоко (или рядом с ним) и специальных, оснащенных камерой, очков, предназначенных для отправки сигналов к антенне. Антенна соединяется с сетчаткой глаза с помощью примерно 60 электродов и создает эквивалент 60-пиксельного дисплея, интерпретируемый мозгом. Второй бионический глазной имплантат называется Bio-Retina. Вместо внешней камеры в нем используется специальный сенсор, который размещается прямо внутри глаза, на поверхности сетчатки. В процессе установки имплантата Bio-Retina на поврежденную сетчатку «приклеивается» сенсор с разрешением 24×24 пикселя, а 576 отходящих от него электродов имплантируются в оптический нерв. Встроенный процессор обработки изображений преобразует данные от каждого пикселя в электрические импульсы, которые кодируются таким образом, чтобы мозг смог воспринимать различные оттенки серого. В систему Bio-Retina входит стандартная пара коррекционных линз, модифицированных так, чтобы они могли проводить через радужку луч инфракрасного диапазона. Луч поступает в сенсор, снабжая его питанием.

Лаборатории

Touch Bionics, Mansfield, Massachusetts (США)
SynCardia, Tucson, Arizona (США)
Prinston University, New Jersey (США)
Nano Retina, Herzliya (Израиль)

Ссылки

Публикации

Riso, Ronald Raymond. «Strategies for providing upper extremity amputees with tactile and hand position feedback-moving closer to the bionic arm." Technology and Health Care 7.6 (1999): 401–409.
Saridis, G. N., and H. E. Stephanou. «Hierarchically intelligent control of a bionic arm." Decision and Control including the 14th Symposium on Adaptive Processes, 1975 IEEE Conference on. IEEE, 1975.
Wang, Fei, Shiguag Wen, and Chengdong Wu. «Gait pattern estimation for intelligent bionic leg." Control and Decision Conference, 2008. CCDC 2008. Chinese. IEEE, 2008.
Slepian, Marvin J., et al. «The Syncardia™ total artificial heart: in vivo, in vitro, and computational modeling studies." Journal of biomechanics 46.2 (2013): 266–275.
Suaning, Gregg J., et al. «The bionic eye (electronic visual prosthesis): a review." Australian and New Zealand journal of ophthalmology 26.3 (1998): 195–202.
Sarpeshkar, Rahul, et al. «An ultra-low-power programmable analog bionic ear processor." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on 52.4 (2005): 711–727.