Как инженер Эвинг продолжал искать возможные медицинские решения, но особых надежд не питал. Он вспомнил, что один из товарищей-альпинистов, имеющий протезы ног, сопровождал его в восхождениях на самые труднодоступные вершины Новой Англии. Джим решил с ним связаться.
Приятель Эвинга Хью Герр, теперь профессор, возглавляет группу биомехатроники в Медиалаборатории МТИ. Он предложил совершенно иной взгляд на будущее Эвинга. Хью работает на переднем крае разработки “умных” протезов и глубоко заинтересован в развитии этой отрасли: в 1982 г., в возрасте 17 лет, он потерял обе ноги во время несчастного случая в горах. После травмы Хью решил снова вернуться в горы, но примитивные протезы того времени делали это желание несбыточной мечтой. Они не обеспечивали никаких вспомогательных сил, которые мы получаем от суставов и мышц, и, разумеется, не имели связи с нервной системой. Эти протезы давали достаточную устойчивость, чтобы человек мог держаться прямо и двигаться, но даже и близко не предоставляли той подвижности, которая нужна для альпинистских восхождений.
Тем не менее Герр не отказался от своей мечты. Вместо этого он взял дело в собственные руки. Еще учась в школе, Хью начал создавать ножные протезы, которые позволят ему снова карабкаться по горам, и впервые в жизни был серьезно настроен по поводу своих исследований. Он закончил школу, а потом изучал физику в местном колледже. Герр учился достаточно хорошо, чтобы поступить на постдипломную программу обучения в МТИ, а затем и в Гарвард, где изучал инженерную механику и биофизику и добился глубокого понимания механического и математического моделирования движения и силы. После получения степени PhD Хью вернулся в МТИ, где сосредоточился на разработке и создании нового, революционного поколения компьютеризированных протезов. Сегодня с помощью своих искусственных ног, которые он сам и придумал, Герр снова с большим энтузиазмом и профессиональным мастерством занимается альпинизмом и передвигается так грациозно, что никто и предположить не может, что его конечности не являются биологическими. Хью превратился в один из маяков фантастических технологий будущего, которые могут вернуть людей с ампутированными конечностями или параличом к полностью подвижной жизни.
Герр воспринял звонок Эвинга как судьбоносный момент. Он как раз трудился над проектом разработки приспособления, которое вместе с новым методом ампутации обеспечивало взаимодействие пациента с роботизированным протезом. Эвинг все еще разрывался между имеющимися у него вариантами.
Компьютеры и механизмы в разработанных Герром голенях с потрясающей точностью повторяют функции обыкновенного человеческого голеностопа. Движение стопы или руки или любое наше действие – продукты сложной двигательной системы. Она задействует нервную систему и мышцы, чтобы перевести наши намерения – например, решение подняться на один лестничный пролет – в моторную программу, которая состоит из чрезвычайно сложных заданий с высокой степенью точности и очень маленькой доли активного мышления. Мы осознаем некоторые из компонентов этой системы, в то время как функция других, в сущности, осуществляется автономно, намного ниже нашего обычного уровня восприятия.
Возьмем очень простое действие: вы сидите, положив правую ногу на левую. Если же хотите вытянуть или распрямить затекшую правую ногу, то делаете это, активировав икроножные мышцы. Чтобы выполнить эту кажущуюся простой задачу, вы не контролируете детально все нервные и мышечные процессы. Чтобы опустить ногу вниз, вам не нужно отдавать икроножным мышцам команду сжаться и не нужно указывать мышцам передней части голени, чтобы они расслабились и не сопротивлялись действию. Вы осознаете свое намерение, и это инициирует действие, при этом вы сознательно не воспринимаете многие этапы его воплощения.
Если я убедила вас положить ногу на ногу и провести этот маленький эксперимент, то соответствующие мышцы, поднимающие или опускающие стопу, активируются с помощью сигналов, полученных от нервных клеток в вашем спинном мозге. Эти нервные клетки напрямую активируют мышцы и называются двигательными нейронами. Они находятся в спинном мозге – длинном столбе нервной системы, который тянется от головного мозга вниз по центру спины. Тела клеток двигательных нейронов, которые, в сущности, являются их “операционной базой”, содержат ядра клеток (с их ДНК) и бóльшую часть аппарата, который поддерживает деятельность клетки (например, считывание ДНК и построение по ней РНК и превращение РНК в белки). У каждого двигательного нейрона есть длинный, тонкий отросток, который называется аксоном и отходит от спинного мозга. Тысячи аксонов двигательных нейронов соединяются друг с другом в нервы, достигающие отдельных мышц и обеспечивающие связь с нервной системой, управляющей мышцами.
Помимо двигательных нейронов спинной мозг состоит из мириад других нейронов, которые взаимодействуют друг с другом и формируют нейронные цепи, управляющие нашими движениями. Двигательные нейроны отвечают за сокращение мышц, а чувствительные нейроны в мышцах и сухожилиях суставов передают информацию о деятельности мышцы – к примеру, сжимается она или растягивается – обратно в спинной мозг. Для того чтобы совершить желаемое действие, сигналы от спинного мозга к мышцам и от мышц к спинному мозгу уравновешиваются. Координация элементов движения вашего голеностопа, таких как взаимная активация мышц, которая заставляет ступню опускаться, и торможение мышц, которое ее поднимает, происходит внутри спинного мозга. И бóльшая часть этих “согласований” является ответной реакцией, приспособлением к положению и движению самого голеностопа.
Когда конечность отсутствует, связь со спинным мозгом не может больше поддерживать никакую деятельность. Протез не может отзываться на ваши намерения. Тем не менее Герр запрограммировал компьютер в своих искусственных голенях так, чтобы он имитировал движения обычного голеностопа, по сути воспроизведя тот вид обратной связи, которой головной и спинной мозг обмениваются, когда человек изменяет манеру ходьбы или приспосабливается к неровностям поверхности, по которой идет, например по склону. Чтобы разработать протезы голени, Герр изучил биологию ходьбы, используя передовую технологию распознавания, чтобы следовать за движениями голени и всей ноги. Также он измерил энергию, которую человек использует при ходьбе – и на данных природой конечностях, и на пассивных протезах, – и увидел, что разница между этими двумя показателями просто огромна. Он измерил, сколько силы прилагает нормальная голень во время “толчкового” этапа ходьбы, когда находящаяся сзади нога отрывается от тротуара, чтобы перенестись вперед. Жесткие протезы ног, лодыжек и ступней могут обеспечить устойчивость, но не дают дополнительных степеней свободы, и люди, использующие их, вынуждены прилагать невероятные усилия, чтобы перенести протезы на нужное место при каждом следующем шаге вперед.
Герр смоделировал эти биологические факторы в компьютеризированном протезе голени, последнюю версию которого он назвал EmPower. Ходьба с EmPower требует не бóль-ших усилий, чем ходьба с биологическими конечностями. Это выдающееся достижение и продвижение на качественно новый уровень жизни для таких людей, как сам Герр, не говоря о ветеранах, которые возвращаются к жизни и работе после ранений, полученных на поле боя. Тем не менее, хотя протез EmPower отлично подходит для ходьбы, он не позволяет своим владельцам, скажем, притопывать ногами под музыку. Это проблема более высокого порядка – одна из многих, над которыми Герр работает в своей лаборатории биомехатроники. Желая узнать больше, однажды я нанесла туда визит.
Лаборатория представляет собой маленькую двухэтажную мастерскую, набитую оборудованием и запчастями. Войдя в нее, я прошла мимо лабораторных столов, где стояли различные устройства и инструменты, протезов конечностей разного дизайна и беговых дорожек, оборудованных целыми батареями компьютеров, каждый из которых был запрограммирован так, чтобы с большой точностью измерять скорость, усилие и угловое положение каждого сустава ноги во время ходьбы или бега. По винтовой лестнице в одном из углов мастерской я поднялась на верхний уровень с кабинетами – архитектурная уловка для того, чтобы увеличить объем лаборатории. В маленьком скромном кабинете Герра были только стол, стулья и несколько ножных протезов у стен.
Герр посвятил свою лабораторию и свою жизнь тому, чтобы заложить будущее всего ассортимента технических средств реабилитации инвалидов: разъемы, соединяющие устройство с культей; протезы, движения которых повторяют движения естественных конечностей; приспособления, распознающие сигналы в мышцах так, что тот, кто их носит, может двигать искусственной конечностью в соответствии со своими желаниями, а также технологии нейрокомпьютерного интерфейса, который когда-нибудь соединит нервную систему с протезом, позволив человеку и двигать конечностью, и ощущать это движение. Герр считает своей целью разработку протезов рук и ног, соединенных с нервной системой, что восстановит полную функциональность конечностей.
Протезы голеней, которые Герр уже создал, стали символом триумфа протезирования. Со своими новыми конечностями люди, потерявшие ноги, теперь могут делать то, что любили до травмы, например гулять по улице или бродить по извилистым лесным тропинкам. Важно, что протез EmPower, в отличие от пассивных протезов голени, несет ту же полезную нагрузку, что и биологическая голень. Эта технология представляет собой шаг вперед, который может изменить все для людей, потерявших конечности. Но, как это часто случается, новые устройства не смогут реализовать свой революционный потенциал, пока мы не поймем, как перенести их из лаборатории на рынок. Для этого требуется сделать их более легкими, способными к адаптации, дешевыми и простыми в использовании. Чтобы понять, как инновации прокладывают себе путь на рынок, я побывала в одной из фирм, занимающейся новаторской работой над протезами, – в компании Össur, находящейся в Исландии.
Я прилетела в Рейкьявик, столицу Исландии, в конце октября и поселилась в отеле в центре города. В девять утра, во время очень долгого рассвета, напоминающего, насколько близко я нахожусь к полярному кругу, я вышла из отеля и направилась в офис Össur. Когда через полчаса я вошла в здание компании, солнце, по большому счету, только поднялось и бросало низкие лучи в вестибюль, ярко освещая лозунг фирмы, украшающий стену: “Жизнь без границ”. Это стало идеальной прелюдией к тому, что я увидела дальше.
После звонка, чтобы сообщить о моем приходе, секретарь, ведущий прием посетителей, пригласил меня подождать в комфортабельном холле. Повсюду были фотографии и видеоэкраны, показывающие взрослых и детей, которые носят протезы Össur. Они катались на велосипедах, забирались в горы, играли в подвижные игры и занимались обычной, повседневной деятельностью, такой, как подъем по лестнице. Для человека без руки или ноги именно эти каждодневные занятия превращаются в героические достижения. Я поймала себя на том, что глаз не могу оторвать от фотографии сияющей от счастья невесты в красивом подвенечном наряде, радостно вышагивающей рядом со своим женихом, которому через несколько секунд предстояло стать ее мужем. Жестом, естественным для любой невесты, она придерживала край своего платья, скрывающего две искусственные ноги. На соседнем видеоэкране группа веселых детей в яркой форме мчалась через спортивное поле: у некоторых было по одному протезу ноги, а у других – по два.
Мне едва хватило времени, чтобы осознать, какую жизнь могут обеспечить умные протезы, как в комнату ожидания вошли двое руководителей Össur – Хильдур Эйнарсдоттир и Ким де Рой. В течение следующих нескольких часов они познакомили меня с компанией и ее продукцией, среди которой множество самых современных, снабженных компьютерами протезов, доступных для людей с ампутированными конечностями. Де Рой задал быстрый темп ходьбы и разговора, пока мы шли в бионическую исследовательскую лабораторию Össur по длинному коридору со стеклянными стенами, откуда открывался великолепный вид на вулканическую горную гряду.
Эйнарсдоттир указала на ряд коленных протезов, управляемых компьютерами, – прототипов изделия, которое в компании называется RHEO KNEE. Оно разработано так, чтобы предугадывать движения пользователя. RHEO KNEE помогает ходить и бегать, а не просто позволяет это делать, как рудиментарные механические протезы. Я была потрясена тем, как эти протезы похожи на нарисованные на компьютере голени Хью Герра, и узнала, что это не является совпадением. Хозяева объяснили, что технология впервые появилась в лаборатории Герра, а Össur приобрела компанию, которая первой получила патент на нее.
Теперь компания делает коленные протезы для людей по всему миру. Как и голеностоп EmPower, такой протез предсказывает движения того, кто его носит, с помощью маленьких компьютеров, размещенных в RHEO KNEE, чтобы имитировать нейронные процессы, которые обычно происходят в спинном мозге. Он обеспечивает правильный отклик, когда человек двигается в различных условиях: поднимается или спускается по лестнице или горной тропе; идет медленно или быстро; садится на стул или встает с него. Встроенные в коленный протез компьютеры и электронное оборудование позволяют протезу “думать самому за себя”, давая пользователю гораздо большую подвижность по сравнению с пассивным протезом колена – ту улучшенную подвижность, которую обеспечивает и протез голени Герра EmPower.
Выход продуктов на рынок требует, чтобы протезы стоп, голеней и коленей от Össur были способны в буквальном смысле выдержать интенсивное использование, весовую нагрузку, изгибы и повороты во время движения. А в некоторых случаях они должны прослужить до конца жизни человека, поскольку медицинские страховки многих пациентов, переживших ампутацию, покрывают только одно протезирование и могут не распространяться на сервисное обслуживание или замену частей. Össur разработала RHEO KNEE как долговечное, высокочувствительное, одобренное законодательными органами устройство, которому не требуется обязательное сервисное обслуживание. Чтобы все это стало возможным, компания не только разработала коленный протез, но и нашла способ сделать его эффективным и долговечным. Изготовление каждого из них начинается с великолепного дизайна и заканчивается искусной обработкой.
Чтобы превратить дизайн в продукцию, комплекс Össur включает в себя производственное предприятие. Объясняя, как компания организует процесс производства в соответствии с упомянутыми выше требованиями, де Рой провел нас в лабораторию сборки, которая, в сущности, представляет собой фабрику. В производственных процессах, тщательно контролируемых, для достижения необходимой точности Össur использует самые высококачественные сплавы (например, те виды алюминия и титана, которые применяются при изготовлении частей реактивных двигателей) и ультрасовременное углеродное волокно. Я наблюдала, как компоненты проходят более чем через десяток станков, которые придают форму металлическим заготовкам и полоскам углеродного полотна, точат и полируют их, превращая в голени, ступни и колени. У некоторых компонентов допуск на ошибку составляет всего 8 мкм, и этот потрясающий уровень точности и прочности должен сохраняться каждый день, пока тот, кто его носит, справляется с трудностями ходьбы, восхождений, остановок и стояния в своей повседневной деятельности.
Из лаборатории сборки де Рой быстро спустился на пару лестничных пролетов в просторный, залитый солнечным светом вестибюль, который выглядел как спортивный зал с наклонными плоскостями, лестницами, гладкими и неровными поверхностями для ходьбы, велотренажерами и другим оборудованием. Это была лаборатория походки Össur. Большую часть тренажеров использовали люди, которые ходили, прыгали и крутили педали, и я поняла, что, проведя в компании несколько часов, уже не замечаю, что большинство из них носит протезы. Де Рой рассказал о некоторых трудностях, с которыми разработчикам пришлось столкнуться, чтобы люди могли надеть протез ноги и легко подниматься и спускаться по лестнице. Для демонстрации этого он приподнял штанину, спустил свой (очень модный) носок и показал мне, как его протез голени поднимает переднюю часть стопы (где когда-то находились пальцы ноги) на достаточную высоту, чтобы идти вверх по лестнице с той же скоростью, с какой это делаю я. К тому времени за несколько часов экскурсии по компании мы прошли в общей сложности примерно 1,5 км и преодолели несколько лестничных пролетов, но я не заметила никаких аномалий в походке моего спутника и даже представить не могла, что левая нога де Роя не настоящая.
Голень и стопа де Роя относились к одной из самых последних разработок компании, которая называется Pro-Flex. Они с Эйнарсдоттир не могли сдержать своего восторга по поводу инновационного дизайна этого протеза. Pro-Flex полностью использует механические свойства современного углеродного волокна и тщательно разработанного сочленения, которое обеспечивает механический толчок и вращение голени, дающие де Рою необходимые подвижность, равновесие и силу без компьютера или двигателя. Pro-Flex гораздо ближе подошел к имитации естественных движений голени, чем предыдущие устройства, к тому же он легче, дешевле и прочнее, чем большинство сложных протезов.
Современные материалы, компьютеры и устройства, производимые компанией Össur, открыли новые возможности для протезирования. Искусственные конечности стали более подвижными, сбалансированными и мощными, чем когда-либо ранее. Но пользователи даже самых сложных, управляемых компьютером и снабженных моторами протезов колена иногда ощущают сильное раздражение: они не могут двигаться на протезах так легко и просто, как передвигались на настоящих конечностях, то есть в соответствии со своими намерениями. Вместо этого они часто говорят о действующем на нервы ощущении того, что “колено ведет меня”.
Разработка конечностей, которые соединяются с нервной системой и отвечают на намерения своего носителя, – это следующая сложная задача в мире умных протезов. Как я узнала из разговора с Магнусом Оддсоном, вице-президентом компании по разработке и исследованию протезов, Össur – одна из компаний, ищущих пути решения этой проблемы.
Оддсон напоминает университетских коллег, чей мозг постоянно работает на нескольких уровнях, помимо нашего разговора. Он говорит мало и очень точно. Как Оддсон объяснил, в работе над намеренным управлением протезами цель компании – найти “клинически подтвержденные, инновационные решения”. Это означает, что устройства должны работать так, чтобы служить реальным людям в реальных ситуациях. Необходимо улучшить их подвижность и увеличить охват пользователей. Помимо разработки приспособления компания должна обеспечить медицинские доказательства создания ценного продукта и сокращения издержек, а также улучшение возможностей для пользователя. Для того чтобы фирма была успешной, чрезвычайно важен баланс между самыми современными научными разработками и соответствием требованиям рынка. Устройства не только должны работать, но и быть признаны поставщиками услуг в сфере здравоохранения и оставаться самыми современными. Как сказал Оддсон, ключ к достижению всех этих целей – простота.
Он объяснил, что стратегия Össur состоит в том, чтобы опираться на биологические особенности носителя и не пытаться воссоздавать или изобретать заново нервно-мышечную систему. Цель компании – помочь людям восстановить утраченные функции, а не создать новые или дать возможности Супермена. В результате Össur направляет свои усилия на биологические процессы, задействованные при движении и управлении мышцами, например на те, которые происходят в ноге.
Для того чтобы дать возможность человеку намеренно двигать протезом голени и ступни, Össur прибегает к помощи работоспособных элементов нервно-мышечной системы, сохранившихся после ампутации. Вспомните о том, что двигательные нейроны в спинном мозге имеют длинные аксоны, которые протягиваются через всю конечность, активируя мускулы, используемые при определенном движении. Нервная система в месте ампутации остается в неизменном состоянии, а при большинстве операций ниже колена сохраняется часть мышц нижней части ноги, которые в нормальном виде поднимают или опускают стопу в голеностопном суставе. Понимая это, Össur разработала совместимые с живыми тканями беспроводные электроды, которые ощущают движение мышц. Миоэлектрические сенсоры имплантируются в мышцы, которые в обычном состоянии управляли бы вытягиванием и сокращением лодыжки (когда пальцы ноги, соответственно, указывают вниз или вверх) и которые реагировали бы на сжатие или расслабление мышц. Введенные в мышцы сенсоры посылают сигналы в приемный аппарат, расположенный в манжете протеза. Он передает информацию на контролируемые компьютером моторы в искусственной голени, которые ее растягивают или сжимают, чтобы поднять или опустить искусственную стопу.
Оддсон продемонстрировал успехи Össur, показав мне видео Кали – человека, пережившего ампутацию, который помогает компании тестировать прототип этого протеза нового поколения, управляемого мозгом. На видео Кали носит протез, прикрепленный к его правой ноге ниже колена. Он садится, закинув свою искусственную ногу на настоящую, и привлекает внимание к ступне. Затем, просто пожелав, чтобы это произошло, как происходит с естественной конечностью, Кали разгибает и выпрямляет ступню, и его роботизированная голень выполняет ту же работу, что когда-то делала живая. После нескольких разгибаний и сгибаний протеза ступни он поднимает голову, и на лице его сияет триумфальная улыбка, в которой соединяются восторг, изумление и гордость.
Конечно, Кали двигает голенью и ступней, не просто подумав об этом. Несмотря на отсутствующую часть ноги, при ампутации сохранились некоторые мышцы ниже колена, и он может напрягать и расслаблять их. До того как ему имплантировали миоэлектрические сенсоры, управляющие компьютеризированным протезом голени, у него не было никаких причин делать это – такое действие было бы совершенно бесполезным. Но с протезом конечности, который может получать сигналы от мышц, Кали снова может желать или изъявлять намерение двигать ступней. Когда такие технологии станут более распространенными, проводящие ампутации хирурги будут делать операции по-другому. Ожидая установку пациенту управляющихся в соответствии с его намерениями протезов, врачи будут бороться за то, чтобы сохранить работу мышц на конце ампутированной конечности так, чтобы сделать возможным использование “умных” протезов. Как я коротко расскажу далее, именно в этом и состоит суть последнего проекта Хью Герра.
Восстановив практически полную подвижность и функциональность ампутированных конечностей и создав дизайн, который может выйти на широкий рынок, Össur изменила то, как мы воспринимаем протезы. Вместо того чтобы сигнализировать об инвалидности, они говорят о нормальности. Именно это я поняла, когда увидела в одном из офисов компании условное обозначение, указывающее на расположение женского туалета. Оно представляло собой стандартную фигурку в юбке, обозначающую женщину, но одна из ног была искусственной...
Читать далее >>