Протезирование и бионические протезы

По статистическим данным в России насчитывается около 10 600 500 людей с инвалидностью. Ежегодно около 1 млн. человек признают инвалидами.

Причинами инвалидности может быть ампутация конечности или отсутствие конечности с рождения. Средством реабилитации в таких случаях является протезирование.

Тема роботизированных протезов является актуальной и с каждым годом набирает популярность. На данный момент благодаря научным достижениям и развитию технологий у людей с ограниченными физическими возможностями имеется большой выбор возможностей и протезных устройств. Индустрия в этой области не стоит на месте, появляются все новые и новые разработки, которые превосходят свои аналоги. В связи с этим, к основной задаче создания протезов относится создание устройства, которое способно восполнить функции утраченной конечности, то есть вернуть человеку возможность выполнять базовые и бытовые действия.

Впервые о протезах я услышала два года назад и загорелась этой идеей. Я захотела присоседиться к тем людям, которые изготавливают протезы. Однако все центры протезирования находятся в Москве и Питере. В моем городе нет никакой возможности приобщиться к этому делу. Поэтому я решила попробовать начать развивать протезирование в Челябинске.

Первым этапом в этом было сбор теоретической информации.

1. Протезирование

Протезирование- комплекс медико-социальных мероприятий, целью которых является возмещение анатомических и функциональных дефектов человека при помощи протезно-ортопедических средств. Целью протезирования является максимально возможно восстановить утраченные функции конечности или органа и возвращение инвалида к активной трудовой деятельности. Протезом называют механическое устройство, предназначенное заменить отсутствующие сегменты конечности или какой-либо другой части тела и служащие для функционального и косметического восполнения дефекта.

Все протезы верхних конечностей по функциональному признаку можно разделить:

· Косметический

· Механический (Тяговый)

· Бионический (биоэлектрический)

1.1. Косметические протезы

Косметические протезы являются наиболее примитивными и предназначены для восстановления естественного внешнего вида. Косметический протез не обладает никаким функционалом. У данного вида протезов отсутствует активный схват, что не позволяет восполнить функции утраченной верхней конечности.

Косметический протез состоит из культеприемника, каркаса кисти и косметической перчатки

Достоинства

Внешний вид схожий с настоящей рукой

. Простое изготовление и эксплуатация

Возможность использование во влажной среде

Недостатки

Отсутствие активного захвата

Ограниченная функциональность

Высокая цена индивидуальных силиконовых оболочек

1.2 Механические протезы

Механическим (тяговым) называют протез управление схвата в котором осуществляется с помощью тяг. В таком виде протезов сила сжатия контролируется силой человека. Управление выполняется при помощи различных отделов руки. Выполняя хват, человек сам регулирует силу сжатия схвата и скорость реакции. Такой протез позволяет тренировать и развивать мышцы, держать их в тонусе, не давая атрофироваться.

Такой вид работает как от плечевой, так и от локтевой или лучезапястной части конечности. При длительном пользовании больные могут совершать множество сложных действий и движений. Такие, как написание текста, перемещение груза, игра в теннис.

Механический протез состоит из:

-Манжеты-гильзы, закрепляющейся на культе;

-пластмассовой чашки для культи;

-кисти или крючка;

-кабеля и манжеты для противоположного плеча, благодаря движениям которого осуществляется активное отстегивание крючка или кисти.

Достоинства

Функциональность

Надежность в использовании

Простой принцип работы

Возможность использование во влажной среде (возможность

плавать)

Относительно невысокая цена

Недостатки

Неестественность движения

Дискомфорт и давление на культю при схвате

Ограниченность силы захват из-за силовых возможностей человека.

Неэстетичный внешний вид

Низкое количество возможностей действий

1.3 Протезы с биоэлектрическим управлением

В результате прогресса науки и техники позволило создать протезы, которые управляются с помощью регистрации биоэлектрических потенциалов тела человека, делятся на односхватовые и многосхватовые. Такие называются бионическими(биоэлектрическим)

Основными функциями данного протеза являются вращение кисти, захват и удержание предметов.

Достоинства

Высокая сила захвата

Большое число возможностей действий

Возможность работать с маленькими предметами

Недостатки

Сложная электроника устройства требует постоянное техническое обслуживание

Крайне высокая стоимость и увеличенный вес в сравнении с другими видами протезов.

Короткое время работ от аккумулятора. (6-8 часов)

Отсутствие защиты от влаги

2.Состав бионического протеза на примере протезов предплечья.

В общем виде бионический протез представляет собой набор из каркаса,механика и контролера

Более подробно протез состоит из кисти с электромеханическим приводом, культеприемной гильзы, механизма ротации кисти, ЭМГ-датчиков, аккумулятора, зарядного устройства, электрокабелей, косметической оболочки

Составляющие

Каркас

Функция: имитация биологической руки и защита внутренних компонентов протеза от повреждений

Детали: Культеприемная гильза, ЭМГ электроды

Механика

Функция: Обеспечение подвижности протеза

Детали: пять приводов(сервоприводы) на каждый палец и сложная рычажная система, поворотный механизм

Контроллер

Функция: Обеспечение обработку ЭМГ показаний и выполняет установку позиций приводов

Детали: Электрическая схема на базе микропроцессора

Подвеска

Функция: удержание протез в остаточной конечности

3. Изготовление культеприемной гильзы

3.1. Изготовление временной и постоянной культеприемной гильзы

Вакуумная формовка — это производственный метод изготовления изделий из пластика. Во время процесса вакуумной формовки листовой пластик нагревается, а затем за счет всасывания вытягивается вокруг формы, облегая ее поверхность.

При вакуумной формовке пробных и тренировочных гильз положительный результат зависит от целого ряда факторов. Пластина (термолин) для вакуумной формовки закрепляется в формовочной раме. Форма помещается в термошкаф. Время нахождения формы в шкафу зависит от толщины листа, температура в шкафу зависит от самого шкафа. В шкафе с инфорасным излучением форме нагревается при температуре 160 градусов по Цельсию. Как правило 1 мм листа нагревается за 1 минуту.

На гипсовый слепок натягивается разделительный чулок. Второе правило, которое определяется для определения нужной степени расплавления термолина-глубина, на которую провис пластик должна составлять около двух третей высоты гипсового слепка, на которую его формуют. Центр листа размещается по центру гипсового слепка. Следующая задача одновременно справится с двумя приемами . Происходит фармация и придача толщины с максимально равно мерной толщиной стенки, избегая появления неровностей и складок. Форму с пластиной натягивают на слепок

Теперь сформированная кульприемная гильза должна остыть. После того как материал остыл, гильза вырезается. После она снимается с гипсового слепка, затем она шлифуется и полируется.

4.1 Метод работы

Датчики для управления протезом встроены в сам протез. Они расположены прямо над остатками мышц руки. Датчики внутри протеза реагируют на сокращение мышц. Они ловят электрический импульс, который проходит через мышцу. Сокращение мышцы проходят за счет электрического импульса, посылаемого прямо от мозга. Для управления протезом человеку нужно напрягать оставшиеся мышцы, вследствие протез будет принимать открытое или закрытое положение

На культю руки крепится гильза, которая в каждом случае изготавливается врачом-протезистом под индивидуальные параметры. В гильзе размещаются датчики мышечной активности, взаимодействующие уже непосредственно с роботизированной рукой.

Некоторые производители расширяют возможности бионических протезов, встраивая в них различные датчики и гаджеты, устройства оплаты, фонарики.

Биоэлектрические протезные устройства обычно управляются они одним из трех основных методов управления: нейрокомпьютерный, нейроэлектрический, электромиографический (миоэлектрический).

4.2 Методы управления бионическим протезом

Нейрокомпьютерный метод использует в качестве исходной информации сигнал с коры головного мозга. Сигнал снимается при помощи отведений, которые хирургически вживляются в кору головного мозга. Получаемые в результате данные обрабатываются и передаются на механическую часть протезного устройства.

Главный минус такого метода управления является инвазивность(способность возбудителей инфекционных болезней проникать в организм), которая создает риск повреждения и заражения мозга при вживлении датчиков и электродов.

Нейроэлектрический метод управления использует сигналы, считываемые с активных двигательных нервов человека. В таком методе электроды могут как вживлять в нервную ткань или установлены над ними

Плюсы

возможность вернуть чувствительность путем электрической стимуляции нервных волокон

необходимость создания и организации чрескожного интерфейса

Минусы

отсутствие зависимости от отвечающих за функцию ампутированной конечности

возможность повредить нерв и прилежащих тканей, послеоперационное заражение организма

Электромиографический метод подразумевает использование в качестве исходного сигнала для управления протезным устройством миоэлектрический сигнал. Миоэлектрический сигнал – сигнал, который снимается с возбужденных волокон мышц или в результате изменения объема мышц при их сокращении. Принцип такого способа управления состоит в регистрации биоэлектрических сигналов с помощью двух электродов на культе. После этого слабое микровольтное напряжение усиливается и передается на микроконтроллер блока управления, где полученный сигнал анализируется и преобразуется в команду исполнительного механизма.

Основным условием же является сохранность активных и целостных мышц, отвечающих за управление отсутствующей конечности..

Плюсы

· Не инвазивность

· Простота реализации управления

5. Производство протеза

Процесс производства включает в себя следующие этапы:

5.1. Осмотр пациента и подбор комплектующих для протеза

Во время осмотра пациента выявляются отклонения от нормы в строении тела и его сегментов, измеряются длина и окружность конечности, определяется амплитуда движений в суставах, мышечная сила и функции опорно-двигательной системы. Выявляются уровень и причины ампутации, пороки и болезни усеченной конечности, сопутствующие заболевания, масса тела и возраст. По результатам обследований и индивидуальных консультаций с пациентом, назначается конструкция протеза и снимаются мерки.

5.2. Изготовление гипсовых негативов и позитивов

Для изготовления протезов верхних конечностей используют приемные гильзы, выполненные по гипсовому слепку культи. Успех протезирования напрямую зависит от соответствия приемной гильзы анатомическим параметра усеченной конечности.

С помощью гипсовых бинтов с культи снимают пространственный отпечаток - негатив, который заливают гипсовым раствором, и получают - позитив, который далее обрабатывают вручную с учетом разгрузки костных выступов и свободного вхождения культи в приемную гильзу. Позитив является скульптурным подобием усеченной конечности пациента.

5.3. Изготовление постоянной гильзы и косметической оболочки

После пробной носки и доработки изделия техники протезисты приступают к изготовлению постоянной приемной гильзы и построению окончательной схемы протеза с учетом всех нюансов, выявленных на тестовом этапе, а также с учетом анатомических, физиологических аспектов. Когда приемная гильза готова, происходит окончательная сборка изделия и выдача его пациенту. Косметическая оболочка искусственной руки может быть как имитирующей цвет натуральной конечности, так и любого другого цвета и с нанесением графики.

6.Получение протезов от государства

Есть несколько вариантов протезирования по государственной программе. Прежде чем получить бесплатный протез нужно предъявить медико-техническое заключение. Это необходимо для выдачи компенсации в любой форме.

6.1. Оплата за свой счет с получением компенсации

Приобретая реабилитационное изделие за свой счет, можно претендовать на компенсацию от государства. Вопрос бесплатных протезов инвалидам регулирует постановление Правительства РФ от 7 апреля 2008 г. № 240 «О порядке обеспечения инвалидов средствами реабилитации…».

Финансирование осуществляется фондом РФ, банком-партнером, самим нуждающимся

Чтобы вернуть деньги, человек подает определённые документы в Фонд социального страхования. Сумма, которую человек может получить достигает размера двухсот тысяч

Практическая часть

Протез « Michelangelo» от немецкой компании «Otto bock» был выбран в качестве примера для практической части

Немецкая компания Otto bock предоставила на рынок передовой протез Michelangelo, разработанный с применением технологии AxonRotation, что позволяет при помощи миоэлектрических сигналов совершать повороты запястьем. В протезе имеется лучезапястный подвижный шарнир, с помощью которого пациент может сгибать и разгибать кисть в вертикальной плоскости. Протез имеет семь различных положений кисти.

Данный протез стоит около 2 миллионов рублей, а срок службы – 3 года

Технические характеристики

Рабочее напряжение, В;

11.1

Ширина раскрытия, мм;

Около 120

Скорость раскрытия, мм/с;

Около 325

Усилие захвата (встречный захват), Н;

Около 70

Усилие захвата (боковой захват), Н;

Около 60

Усилие захвата (нейтральное положение), Н;

Около 15

Супинация (вращение вовнутрь), град

160

Пронация (вращение наружу), град;

160

Емкость аккумулятора, мА/ч;

Прим. 1500

Составляющие

Кисть Michelangelo с AxonWrist

1 670 790 (руб.)

AxonRotation (вращение),

41 000 (руб.)

AxonSkin Natural (перчатка)

40 560 (руб.)

AxonArm Hybrid( гильза)

119 090 (руб.)

AxonEnergy Integral(аккамулятор)

50 000 (руб.)

AxonCharge Integral(зарядное устойство)

40 560 (руб.)

AxonMaster(ЭМГ датчик)

38 000(руб.)

Итого

2 000 000 (руб.)

Изготовление протеза с помощью 3D печати

Прежде чем протез напечатают, изготавливается его 3D модель. 3D модель создается на основе антропометрических данных.Обычно клиенту предлагается около 3 вариантов дизайна, после его выбора макет отправляется в производство.

Для печати используется SLS технология. SLS технология. SLS технология-технология печати, при которой используется мощный лазер для спекания мелких частиц полимерного порошка в прочную структуру на основе 3D-модели. Для печати используют порошок – полиамид, сыпучий мелкодисперсный пластик. Лазер принтера проходит по площадке с порошком и он спекается в нужный местах. После нескольких часов печати продукт достается и остывает со 170 до 60 градусов по Цельсию. После детали отчищаются от остатков порошка.

Далее детали проходят обработку абразивными гранулами для того, чтобы снять все неровности с поверхности перед покраской. Детали окрашиваются

Затем собираются воедино и проверяется целостность покраски, наличие царапин, соответствие макету.

Концепция

Из за высокой стоимости деталей и протеза в целом людям нуждающимся довольно трудно получить протез, поэтому решение, которое появилось – удешевление производства.

Удешевить производство можно с помощью 3D печати. Такие детали как культеприемная гильза, кисть руки, включающая ладонь и пальца можно изготовить на 3D принтере

Мной был проведен расчет той же модели протеза Michelangelo, но с учетом печати культеприемной гильзы и кисти руки на 3D принтере.

Перерасчет для 3D печати

Кисть Michelangelo с AxonWrist

1 500 000 (руб.)

AxonRotation (вращение),

41 000 (руб.)

AxonSkin Natural (перчатка)

40 560 (руб.)

AxonArm Hybrid( гильза)

70 000 (руб.)

AxonEnergy Integral(аккамулятор)

50 000 (руб.)

AxonCharge Integral(зарядное устойство)

40 560 (руб.)

AxonMaster(Эмг датчик)

38 000 (руб.)

Итого

1 730 120 (руб.)

2 000 000-1 730 120= 1 730 120 (руб.)

Разница между литейным производством и производством с помощью 3D печати составила 1 730 120 рублей.

Печать протезов на 3D принтере экономически выгоднее литейного производства, по причине более дешёвой стоимости материала и самого процесса производства.