Мировой рынок протезирования демонстрирует активный рост, вызванный старением населения, повышением числа хронических заболеваний, учащением дорожно-транспортных и производственных происшествий, травматизацией в ходе военных конфликтов. В России этот сегмент также набирает обороты: по прогнозам, к 2029 году рынок удвоится до 157 млрд руб. Ключевой тренд — переход от механических (неэлектрических) моделей к бионическим, которые к 2028 году займут 60% сектора благодаря повышению информированности и масштабированию производства.
Как это часто бывает с динамично растущими сферами, инновационное протезирование довольно быстро окружили прогнозы о футуристичных возможностях разработок, о скорой технологической революции и наступлении эпохи киберпанка, где искусственные конечности могут подарить человеку сверхспособности. О том, насколько такие сценарии соответствуют реальному положению дел, где проходит граница между инженерной фантастикой и тем, что действительно работает в операционной и реабилитационном кабинете, рассказывает Степан Чуйкин — резидент Бизнес-клуба НИУ ВШЭ и генеральный директор компании «Сутура МедТехнологии».
Принцип коммуникации между человеком и системой
Весь человеческий организм общается с помощью электрического тока. Человек напрягает руку, по ней начинает течь электрический ток. Мышцы сгибаются каскадно: сначала те, которые ближе к корпусу, затем те, что дальше от него. Это незаметный процесс, но датчики электромиографии считывают напряжение, которое образуется на коже человека, когда тот напрягает мышцу, и передают эту информацию протезной системе. Это неинвазивный метод, без необходимости вторгаться в человеческие ткани.
Большинство современных протезов оснащено двумя датчиками: один на внутренней части предплечья, другой — на внешней. Как правило, доступны два активных жеста. Это так называемые супинация и пронация — движение кистью к себе и от себя. В этом процессе задействованы мышцы-антагонисты: когда одна работает, вторая отдыхает, и наоборот. С помощью этих двух жестов и происходит управление протезами: если человек напрягает мышцу-сгибатель, протез сжимается в активный схват. Если напрягает разгибатель — разжимается, возвращается в исходное положение или переходит в другой схват.
Вызовы для современных систем
Несмотря на то что производители бионических кистей заявляют о широкой вариации доступных жестов, в действительности без использования второй руки, сенсорных панелей и долгих нажатий человек может сделать максимум два различных движения. Это большая проблема. Если же переключение жестов реализовано не с помощью кнопки, а, например, через двойное сокращение разгибателем или длинное удержание разгибателем — это ещё хуже. Возможны ложные срабатывания, особенно когда мы говорим про носимую электронику, которая находится в агрессивной среде: пот, перепады температур и прочее.
Ещё одна насущная проблема — постепенная атрофия мышц, которая напрямую препятствует считыванию сигналов. Чем больше времени прошло с момента потери конечности до получения бионической системы, тем сложнее пациенту с отсутствующим органом выполнять различные жесты: мышцы атрофируются, заплывают жиром, а культя подвижна: она то усыхает, то отекает. Если у человека изначально не было конечностей, ему приспособиться к системе ещё сложнее. У пациентов с аплазией нет представления о том, как сгибается рука, как движется большой, указательный палец, мизинец. Такому пользователю нужно детально объяснять, как работать мышцами. При ампутации хирург может подрезать культю, чтобы протезисту было проще, но в случае врождённого отсутствия такие практики невозможны.
О превосходстве протезных систем над человеческими конечностями
Ни один протез на данный момент не превосходит человеческие возможности. Самый банальный пример: мы хотим поднять мелкий предмет. Наши пальцы мягкие и пластичные, они легко справляются с этой задачей. Но ни на одном современном протезе пальцы так выгибаться не смогут, так как это механика, моторы. Сделать анатомически точную руку — безумно сложная инженерная задача. Это возможно, но жить с таким протезом человеку будет некомфортно: прибор будет более громоздким и тяжёлым. В перспективе, если появятся искусственные мышцы, искусственная кожа, это всё станет дешёвым для производства, понятным в обслуживании, то можно будет говорить о максимальном сходстве протеза с человеческими конечностями.
Если говорить про сверхфункции, то потребность в них на данный момент отсутствует, весь мир создан для людей с двумя руками. Есть, конечно, различные эксперименты в этой области. Например, протез с фонариком или имплант, похожий на щупальце осьминога. Последний, к слову, является перспективным проектом с точки зрения инженерии. Человек с утраченной частью тела обычно использует протез для помощи здоровой конечности и выполняет им простые хваты. В этом смысле щупальца более анатомично схватывают предметы, и ими легче управлять.
Что в приоритете у инженеров сегодня
Первое — это улучшение характеристик самих искусственных конечностей, чтобы они были более ловкими, выдерживали больший вес и были более устойчивы к механическому воздействию. Второй приоритет — очувствление протеза, прокачка его сенсорики. Обратная связь очень важна для пользователя, благодаря ей он может точнее выполнять необходимые движения. Третье направление — остеоинтеграция. Это процедура, при которой в кость устанавливается металлический штифт, и протез крепится напрямую к скелету. Такой инвазивный метод облегчает нагрузку и даёт возможность считывать более точные сигналы напрямую с мышц.
О роли ИИ в технологичном протезировании
Компании, производящие бионические конечности, используют искусственный интеллект для решения разного рода задач, связанным как с логикой работы устройства, так и процессом реабилитации. В мировой практике есть пример, когда ИИ применяют для того, чтобы протез более нативно схватывал предметы. Также существует алгоритм, который классифицирует походку человека для того, чтобы управление механическим коленом ощущалось пользователем более естественно.
Вообще искусственный интеллект — не панацея, тем более в бионике. Он не является оптимальным решением. Например, в своём проекте мы разработали собственные алгоритмы классификации, детекций распознавания, которые позволяют нам вычленять из сигналов самое необходимое, преобразовывать эту информацию и с помощью жёсткой математики делать по ней выводы. Благодаря этому устройство становится надёжным, автономным и энергоэффективным, чего не достичь с ИИ.
Процесс реабилитации также нельзя полностью возложить на алгоритмы, здесь крайне важен человеческий фактор. Врач-реабилитолог — это не просто человек, который надевает на пациента гильзу. Специалист методично обучает пациента пользоваться устройством, оказывает поддержку, в том числе психологическую. В этом плане ИИ может стать помощником, взять на себя более монотонные задачи: постгарантийное обслуживание, оперативные ответы на вопросы пользователей.
За кем будущее инновационного протезирования
Самый большой опыт в протезировании у немцев. Ottobock — мировой лидер. У них огромная линейка протезов верхних и нижних конечностей, большие финансовые возможности, понятная репутация. У Ottobock самые надёжные кисти, есть линейки протезов для развивающихся стран и для развитых, наработана адекватная дилерская сеть, есть своя школа ходьбы и обслуживание практически в любой стране. Будущее протезирования во многом будет зависеть от их разработок. В США большие успехи в сфере бионических конечностей демонстрирует государственное агентство DARPA. Совместно с компанией DEKA они сделали, наверное, самый технологичный протез с точки зрения его подвижности — LUKE Arm. В Америке также создана одна из самых прогрессивных систем считывания и распознавания миоэлектрических паттернов — Complete Control от компании Coapt. Что касается Китая, там есть свои протезы и исследования, но ещё нужно время для совершенствования технологий. В их арсенале аналоги швейцарских моторов Faulhaber, но китайские движки пока шумнее и слабее. Мы ждём, что Азия покажет что-нибудь интересное в ближайшие три-четыре года. Если говорить про отечественные разработки, то российское протезирование сейчас находится на мировом уровне. Лидерами можно назвать «Моторику», Steplife, METIZ, Max Bionic. До 2029 г. сфера кибер протезирования в России должна вырасти в 2 раза в связи с тем, что все больше людей, потерявших конечности, будут переходить от механических к бионическим протезам.
Глобально будущее протезирования будет за тем, кто первый сделает энергоэффективный вычислитель на борту протеза, чтобы в устройство можно было интегрировать любые алгоритмы и ИИ в том числе. Кроме того, прорывом станут неинвазивные датчики, которые смогут регистрировать сигнал с максимальной точностью.
Спасибо за помощь в подготовке материала компании «Сутура МедТехнологии»:
Компания Степана создаёт многоканальную систему управления для бионических протезов рук, которая позволяет пользователю управлять не только искусственной конечностью, но и различного рода периферийными устройствами: компьютером, телефоном, промышленным оборудованием. Разработанная система даёт клиенту возможность контактировать с миром без необходимости использования протеза и быть интегрированным в общество: выполнять большое количество работ, заниматься хобби, которые недоступны с обычным протезом.