Введение
Даже с учетом развития и государственного финансирования, тема протезирования все равно мало освещается и немногие люди знакомы с реальной обстановкой в протезировании. На мой взгляд в этом безбожно виноваты банальные фантазии о возможностях будущего, научная фантастика и другие источники, породившие всевозможные мифы и наделив протезы верхних и нижних конечностей теми функциями, которыми они не обладают и обладать будут еще не скоро. Смотря кино, читая книги и комиксы, многие люди начинают восхищаться возможностями персонажей с ампутацией, ведь кажется, будто протезы добавляют им силы, наделяют тем, чем не обладает человек без них. Но, возвращаясь в реальность, изучая данную тему, понимаешь, что протезы не так мощны, а их функционал скорее ограничен, чем огромен. Поэтому мне бы хотелось своим исследованием попытаться дать ответы на вопросы «насколько реальна эта иллюзия, создаваемая искусством?», «возможны ли такие протезы с точки зрения физики?»Глава 1.
Моя гипотеза состоит в том, что протезы, представленные в аниме, кинофильмах, комиксах и манге, которые становятся сейчас очень популярными, не имеют ничего общего с реальностью, а представление об их функционале складывается неверное. Нет, правда! Сколько раз Вы лично видели, когда фандом дружно визжит от восхищения, глядя на Баки Барнса? Как он останавливает своей титановой рукой щит Стива (который, на минуточку, из вибраниума (читать как «один из самых крепкий металлов Земли во вселенной Марвел»))? Ни у кого из ваших знакомых или у Вас самих не появлялся ли вопрос «Божечки! Да почему эта штука не сломалась?» или «Да что же там за амортизаторы в этой руке, что Баки даже не застонал, не скрючился, и не потерял свою руку опять?!». И Вы можете справедливо мне сказать: «Мария, это же просто фантастический фильм! Мы же не ругаемся на наличие там инопланетян». И Вы будете абсолютно правы. Но давайте проведем небольшую, так скажем, викторину. Небольшое расследование. Идет? Отвечайте на мои вопросы честно, не слишком долго думая, как на загадки от Фака Фреско.1. Как думаете, каким образом «крепятся» протезы верхних конечностей?
Подумайте-подумайте, не торопитесь. Опустите взгляд в пол, вспомните образ Баки Барнса. А может лучше вспомнить вселенную киберпанк? Как же там эти протезы крепились… А может, Вы знаете ответ на этот вопрос? Или Вы когда-нибудь встречались с людьми с ампутацией верхних конечностей? Не буду Вас долго мучить. Если посмотреть на Баки — ответ очевиден. Протез, грубо говоря, хирургически итегрирован в его плечо. А в реальности же подобные конструкции разработчикам только снятся.2. А с какой скоростью и как точно эти красивые бионические протезы могут выполнять различные движения (согнуть пальцы, показать определенный жест и так далее)?
Моментально, прям как в фильмах? Нет, конечно. Безусловно, это работает не так, но мы все, насытившись продуктами киноиндустрии, забыли об этом. Забыли о том, какая это молодая отрасль. И у протезирования еще все эти невероятные картины из кинематографических лент впереди.Глава 1.
Подглава 1. «Протез Баки Барнса
(«Зимний солдат» (Кинематографическая вселенная Марвел)): анализ материалов и конструкции, сравнение с реальным технологиями».
Персонаж Баки Барнс — порождение человеческой фантазии о будущем, а точнее о способности человечества вживлять в свое тело электрические модернизированные органы и конечности. Но случай Баки абсолютно не получится воплотить в жизнь не только сейчас, но и в ближайшем будущем. Разберемся, почему: Изначально кажется, что его рука — протез (полностью интегрированный протез верхней конечности для замены всей руки до плеча. Имеющий, скорее всего, моторизованный плечевой сустав, который и обеспечивает невероятно естественный диапазон движений). Но на деле оказывается, что это имплант, вживленный в его левое плечо. И для установки этого импланта проводится хирургическая операция, о факте которой мы узнаем из серии фильмов. На данный момент же любая имплантация протезов конечности пока является лишь разработкой (в области биомеханики и протезирования произошли изменения, которые позволили создать постоянные и полностью интегрированные системы протезирования. Эти системы могут предложить множество преимуществ по сравнению с обычными протезами, включая улучшенную подвижность, эстетичный внешний вид и долговечность. Однако разработка постоянного протезирования все еще остается сложной задачей и еще недостаточно хорошо зарекомендовала себя в клинической области из-за таких факторов, как высокая стоимость, необходимость хирургической имплантации и тд). Мы можем видеть как крепится этот и новый имплант (в отдельном сериале киновселенной «Сокол и Зимний солдат»). Он представляет собой протезную систему из импланта и самого протеза руки, который можно снять. За всю историю кинематографической вселенной Марвел у Баки было два протеза. Один, изначальный, — титановый, второй, представленный в сериале и сделанный из вибраниума (вымышленного металла, появляющийся в комиксах издательства Marvel Comics и в киновселенной Марвел. Наиболее известен как один из самых прочных материалов). Стоит отметить, что вымышленный вибраниум является еще и достаточно тяжелым металлом (исходя из фактов, представленных в комиксах. Другой персонаж вселенной Марвел — Росомаха — имеет скелет, выполненный из данного металла, что делает его очень и очень тяжелым, намного тяжелее среднестатистического крупного мужчины), что в реальной жизни сыграло бы очень большую роль, усложнив эксплуатацию, а может даже, сделав ее невозможной. Ведь протезы верхних конечностей не должны быть слишком тяжелыми, потому что это может привести к чрезмерной нагрузке на остальные мышцы, кости и суставы. Если протез верхней конечности слишком тяжелый или несбалансированный, это, скорее всего, вызовет дискомфорт и боль, а также может затруднить правильное перемещение и использование конечности. Существуют различные подходы к проектированию протезов верхних конечностей, включая использование легких материалов, корректировку баланса и распределения веса в соответствии с остальными частями тела, а также учет таких факторов, как место ампутации, потребности и виды деятельности человека. Поэтому возможность существования второго (из вибраниума) протеза руки можно считать практически непосильной, ведь, как мы видим в сериале, протез внутри не полый, что значительно утяжеляет конструкцию, чей корпус и так имеет большую массу. Если же рассматривать титановую «руку», то в протезировании как раз таки и применяются такие металлические материалы, которые, как правило, являются сочетанием металлических элементов (железо, титана, золота, алюминия) в силу их высокой механической прочности. В ортопедии, ортодонтии, во внутренних электрических устройствах и искусственных органах выбор сплавов для медицины проводят, исходя из следующих характеристик: 1) биосовместимость, 2) физические и механические свойства, 3) старение материала. Наибольшее распространение получили нержавеющие стали, титан и его сплавы, сплавы кобальта. Так как эти материалы имеют высокую прочность и высокий модуль Юнга (коэффициент сопротивления материала при упругой деформации), то есть, если действия приложенной силы, деформирующие материал, снимается, то материал мгновенно возвращается к своим исходным размерам — такое обратимое поведение называется упругой деформацией. В идеале используемый материал должен обладать модулем упругости аналогичным модулю упругости костей. (С точки зрения конструкции протеза, модуль упругости материала должен быть аналогичен модулю упругости биологической конечности, которую он заменяет, чтобы лучше воспроизводить естественные движения и поведение конечности. Например, если модуль упругости протезной конечности слишком высок или слишком низок по сравнению с модулем упругости естественной конечности, это может привести к ненормальным движениям или повышенному напряжению и усталости организма).Модуль Юнга у костной ткани приблизительно равен 10^10 Па.
У титана же модуль Юнга приблизительно 120^9 Па.
Хочу указать еще и на сложность реализации подобной конструкции (имплант + протез) еще и по такой причине, как коррозия. Коррозия имплантированного металлического изделия под воздействием агрессивных биологических жидкостей может привести к выходу его из строя, а также к накоплению в организме токсичных продуктов. Поэтому используются металлы, которые подвержены коррозии меньше всего (а это титан, алюминий и прочие). Поэтому делаем выводы, что Г.И.Д.Р.А. (организация, установившая Баки Барнсу руку) также могла использовать титан для имплантата в силу его свойств. Подведем итоги подглавы: первый протез Баки Барнса, представленный в киновселенной, удовлетворяет потребности реконструктивной медицины в функциональных материалах, а второй же протез — нет. Грубо говоря, это еще не значит, что можно радоваться, думая о том, что киберпанк пришел и по наши души хотя бы в первом случае. Совсем нет. Использование нужных материалов еще не означает использование нужной конструкции и прочего. Если выбрать очень вкусную вишню, самую лучшую муку, дорогущие (то есть уже обычные, ха) яйца и прочие ингредиенты для пирога, то это все равно не гарант удачного пирога.
Глава 1.
Подглава 2. « Протез Джета Блэка (аниме «Ковбой Бибоп»):
анализ конструкции протеза и материалов».
Я уже говорила о том, что ситуация Баки — продукт мечтаний. Он ничем не хуже летающей машины или андроида (нет, не вашего телефона, а робота, прям как из игры «Детройт»). Потому что из раза в раз мы будем замечать, что человечество стремится мечтать именно о подобных конструкциях. Вашему вниманию еще один персонаж с протезом руки. И, вы не поверите, но этот персонаж тоже предстал перед нами с полностью интегрированной в плечо железякой. Джет Блек, являясь полицейским, получил сильные повреждения в одной из перестрелок, в результате чего лишился руки и оказался в предсмертном состоянии. Взамен отстреленной руки в медицинском центре получил кибернетический протез, что мы узнаем при просмотре 16 серии мультсериала. То есть, наблюдается тенденция фантастических кинофильмов или сериалов представлять протезы определенным образом, формируя определенную картину мира, которую зритель впитывает, словно губка, завороженно следя за движениями навороченной, мощной руки, которая: 1. полностью интегрирована в человеческое тело с помощью хирургического вмешательства (часть проблем, связанные с внедрением подобной конструкции на сегодняшний момент я уже освещала выше в главе 1 подглаве 1 (коррозия и ее вред организму. также существуют определенные конструктивные ограничения. Потому что сейчас такие «электрические» протезы работают примерно так: на культю крепится гильза протеза, в этой самой гильзе размещаются электроды, чтобы перехватить сигналы, которые мозг посылает мышцам для выполнения движения, считывает мышечную активность и определенным образом реагирует, например сжимает ладонь. Чтобы осуществить подобную обратную связь у протеза, который будет, грубо говоря, встроен в тело, необходимо обеспечить надежное соединение между нервами и протезом, чтобы обеспечить эффективную передачу электрических сигналов и считывание команд от мозга.). 2. которая двигается так же легко, как и реальная рука. 3. которая чувствует все, как реальная рука. Запомните эти моменты. У Джета так же как и у Баки отсутствует вся левая рука от плеча, но конструкция его протеза целостная, снять протез нельзя. Протез оснащен аналогом металлического плечевого сустава. Мы с пригодными материалами уже разобрались, правда ведь? Помните? Титан и его сплавы, нержавеющие стали и несколько других. Спешу огорчить или обрадовать, но протез Джета сделан не из этих металлов (что уже наталкивает на мысли о невозможности того). Точный материал в аниме не указан, зато протез имеет характерный металлический блеск, а также в 16 серии аниме присутствует сцена, в которой пуля пистолета пробивает протез, оставляя глухое отверстие. Поэтому, можно сделать вывод, что конструкция протеза сделана не из титана, не из стали высокой прочности и подобных материалов (титан, сталь высокой прочности, керамика — это некоторые из лучших материалов, которые могут быть использованы для создания защитных от пуль устройств, а также которые могут использоваться сейчас в протезировании). Зато можно сказать, что протез сделан максимально похоже на его настоящую конечность, повторяя масштаб и объем, поэтому не должно возникать дисбаланса и дискомфорта из-за перевеса конструкции (см. объяснение, почему это важно в главе 1 подглаве 1). Но, глядя на движение персонажа, хочется отметить, что даже с учетом технологий будущего (действие Ковбоя Бибопа происходит в недалеком будущем) «очувствление протезов» также не представляется возможным. Ведь Джет не реагирует, когда сигарета прожигает его перчатки, надетые на кисть протеза. Он не чувствует изменение температуры. И это является проблемой и на сегодняшний день. Протез, отделенный от самоощущения, воспринимается как искусственный инструмент, независимый от тела. Пользователи протезов часто испытывают трудности с определением положения протеза в пространстве, поскольку предполагаемое положение протеза и фактическое не совпадают. Как бы красивы и функциональны разрабатываемые протезы ни были, им все равно не хватает тактильной сенсорной обратной связи (пациент не ощущает прикосновение к протезу, изменение температуры и т. д.). Как мы видим из эпизода аниме, Джет это также не ощущает. Также известно, что восстановление чувствительности помогает и для уменьшения такого клинического эффекта, как фантомная боль. В той же серии у Джета спрашивают «не болит ли рука?» и не ясно, имеются в виду фантомные боли или просто желание задеть за живое. Но отмечают, что уровень ампутации так же влияет на возможность появления фантомно-болевого синдрома (далее — ФБС). А ФБС редко возникает при малых (кисть, стопа) и высоких (экзартикуляция бедра, плеча) ампутациях. Наиболее подвержены ФБС больные, перенёсшие ампутации на уровне средней трети конечности. («Фантомная боль возникает, когда мозг отправляет в несуществующую конечность сигнал и не получает сенсорный ответ. Тогда пациенты испытывают различные неприятные ощущения — например, им может казаться, что они подставляют пальцы под горячую воду или сжимают кулаки».Среди взрослых людей в первые несколько дней фантомные боли возникают у более, чем у 70% больных, через 6 месяцев — у 65%, через 2 года — у 60% больных. Среди детей с врождёнными патологиями фантомная боль встречается редко. Гораздо шире она распространена среди тех, кто утратил конечности при травмирующих обстоятельствах. В этих случаях 65–70% пациентов испытывают психосоматический дискомфорт. Так что ФБС является актуальной проблемой на данный момент, решение которой еще не найдено. Существует электростимуляция, метод, который используется для уменьшения симптомов ФБС. Электростимуляция при хронических фантомных болях обычно включает использование импульсного стимулятора для генерации электрических сигналов, которые доставляются к периферическим нервам непосредственно или через кожу. С точки зрения физики, электростимуляция работает путем подачи альтернативных электрических сигналов, которые нарушают естественные нейронные сигналы, ответственные за ощущение боли в фантомных конечностях. Электрические стимулы, по сути, посылают в мозг «альтернативный» болевой сигнал, который может помочь уменьшить боль или заглушить ощущение боли в фантомной конечности. Разобрались. Возвращаемся снова к протезу Джета. Стоит отметить две вещи: 1. Даже не чувствуя протез, Джет контролирует силу сжатия: он с легкостью держит маленькие вещи, нажимает на маленькие кнопки, может драться и хватать противника. (В естественных конечностях сила давления и хвата регулируется нервной обратной связью от кистей и запястий через спинной мозг. Протезы конечностей обычно не включают такого рода сенсорную обратную связь или естественный нейронный контроль, хотя были разработаны некоторые более совершенные модели, в которых используются датчики и исполнительные механизмы, помогающие контролировать силу давления и хвата. Но обычно функция протезирования больше ориентирована на движение и диапазон движений, и меньше на силу давления или хвата). 2. Протез Джета ведет себя максимально естественно при ходьбе. Обычно люди качают руками в стороны при ходьбе и беге, вы замечали? Спешу вас заверить, что, если посмотреть на движение человека с протезами рук, то подобной картины наблюдаться не будет. И я не говорю, что это хорошо или плохо. Я говорю лишь о конструкции протеза Джета. Протезная рука, настоящая реальная протезная рука, просто не может так неосознанно двигаться при ходьбе из-за конструктивных ограничений. Эти ограничения могут быть обусловлены материалами, которые используются при изготовлении, размерами, конструкцией суставов, механизмами креплений и другими факторами, в зависимости от конкретной модели или типа протеза руки. Проще показать, чем рассказывать, верно? Посмотрите на видео, где люди с протезами бегают. Можно заметить, что протез практически статичен по сравнению с реальной рукой. Если мы посмотрим на движение Джета, то его протез, подобно реальной руке движется из стороны в сторону при ходьбе и, особенно, при беге (как и у остальных двоих персонажей). Подводя итог подглавы 2: протез Джета Блека, фактически, может отражать то, к чему можно прийти сейчас — интегрированный протез, который не подарит пользователю или пользовательнице тактильных ощущений; не ясно, из чего сделан этот протез, но ясно лишь одно — авторы аниме вряд ли знакомы с механизмом работы протезов, предоставляя полную свободу действий фантазии.Глава 1.
Подглава 3. «Протез Адама Дженсена
(видеоигра «Deus Ex: Human Revolution»)».
Мой выбор пал на этого персонажа потому, что сама игра Dues Ex: Human Revolution выполнена в стилистике киберпанк. Миры киберпанк-произведений часто представляют собой антиутопии с высоким уровнем технологий и низким уровнем жизни. Популярность вселенных-киберпанк по типу Dues Ex и Cyberpunk 2077 популяризировала определенный образ внедрения имплантатов в тело человека, протезирования и технологий будущего. К слову, в обсуждении с журналистами данной игры и фантастического будущего Илья Чех, генеральный директор стартапа «Моторика» (российская компания, производящая протезно-ортопедические изделия) говорил, что в фантастических видеоиграх и других произведениях, по его мнению, достаточно правдоподобную картину показали создатели серии Deus Ex. Однако разработчики сильно опередили события: да, показанный ими мир имеет все шансы наступить, но не так уж скоро. По мнению Чеха, люди смогут без ограничений модифицировать своё тело через 80–100 лет. «Они зашли очень далеко, но сделали всё правдоподобно. И если мы говорим о концепции Deus Ex, то есть глобальных модификациях человеческого тела, то это, на наш взгляд, неизбежное будущее. И мы — сторонники этого будущего, мы пропагандируем его», — говорит он. Главный герой игры Dues Ex: Human Revolution мне кажется интересной интерпретацией определенных вопросах в сфере протезирования (которые, к слову, не были рассмотрены при анализе других персонажей): 1. Отторжение имплантов. Раз уж мы мечтаем об интегрированных протезных системах, давайте разберемся с тем, а мечтает ли наше тело об этом? На самом деле, авторы игры Dues Ex хитрые люди! В самой игре существует определенное лекарство, Нейропозин, которое полностью развязывает руки создателям. Они законно творят, что хотят. Потому что в жизни все было бы не так (что, в целом, логично. Помните об этом, когда играете в эту игру). Я упоминала о биосовместимости материалов, которые используются при изготовлении протезов и протезных модулей, говорила об использовании материалов, не подверженных коррозии во избежании интоксикации организма продуктами коррозии. Но я ещё не рассматривала тему отторжения имплантов. Отторжение импланта или биологическая несовместимость является серьезной проблемой для имплантируемых протезных систем. Когда инородный предмет, такой как протезный имплант, вводится в живой организм, это может вызвать естественную иммунную реакцию организма, которая может привести к воспалению и отторжению. Отторжение инородного тела (протезной системы, да-да) может привести к серьезным побочным эффектам, включая инфекцию, образование рубцов, повреждение окружающих тканей и даже смерть в некоторых крайних случаях. По этой причине имплантируемые протезные системы и материалы должны быть тщательно оптимизированы, чтобы свести к минимуму риск биологической несовместимости и отторжения. А отторжение имплантата схоже с отторжением трансплантата с точки зрения иммунного ответа организма, определяющего инородный объект как угрозу и заставляющего иммунную систему отреагировать и попытаться отторгнуть его. В случае имплантируемого протезирования и трансплантационной хирургии могут быть некоторые специфические различия в симптомах и реакции организма, но в целом биологическая несовместимость и отторжение могут произойти в обоих случаях. А согласно статистике динамики отторжения трансплантатов, отторжение происходит достаточно часто. Поэтому взгляд разработчиков фантастических видеоигр и создателей фильмов либо рисует картину очень и очень далекого будущего, либо пытается отобразить абсолютно нереальную концепцию. Но это нельзя сказать об авторах Хьюман Революшн, а все потому что у них есть Адам! Итак, персонаж Адам Дженсен имеет мутацию, которая блокирует этот иммунный ответ на инородный объект. 2. Создатели Dues Ex, вероятно, основывались на реальных достижениях науки и техники и вдохновлены ими, но детали и возможности, описанные в игре, в работе протеза верхней конечности в частности, определенно сильно преувеличены и не совсем реалистичны.«Вместо мускулов в этих конечностях используются электроактивные полимеры, которые сокращаются под воздействием электрических полей, давая постоянный прирост в силе на 10 000%» (данные взяты из оригинальной игры версии 1.19.801.0).
И это очень интересный и новый концепт, над которым кумекают учёные. Электроактивные полимеры — это синтетические полимеры, которые могут изменять свою форму или механические свойства под воздействием электрического поля. Точный механизм действия этого вида материала очень сложен и до конца не изучен, но в целом он включает взаимодействие электрических или магнитных полей с полимерами и их электрическую поляризацию, которая вызывает физическую реакцию, такую как сжатие или расширение. Это свойство электроактивных полимеров, теоритически, может быть использовано для разработки протезов конечностей, которые используют электрические сигналы для воспроизведения движений и управления ими способами, более похожими на естественные движения конечностей. И! Знаете что? Ученая из Торонто Элейн Биддисс в своем исследовании «электроактивные полимерные датчики в протезах кисти: реакция ионного полимер-металлокомпозита на изгиб» отмечает, что потенциальная роль электроактивных полимеров в протезировании еще более возрастает благодаря их гибкой и формуемой структуре, а также способности действовать как сенсоры, так и исполнительные механизмы, эти полимеры предлагают многообещающую альтернативу более традиционным сенсорным подходам. Также хочется обратить внимание на то, насколько естественно двигаются протезы рук Адама. Возможно это происходит из-за наличия обратной связи или же электростимуляции. Таким образом, мы снова видим, что фантастические видеоигры, фильмы и комиксы с большим восторгом показывают идею несъемных постоянных протезов, дополняя эту идею какими-либо, казалось бы реальными задумками, но. Но игра Deus Ex: Human Revolution представила наиболее интересный и захватывающий концепт, используя некоторые теории и концепции, которые могли бы появиться в дальнейшем.Заключение.
Таким образом, из всего исследования можно сделать вывод, что протезы, представленные в видеоиграх, фильмах и комиксах являются не более, чем фантазией. Протезы, изображенные в кино и видеоиграх, не могут существовать в реальности из-за особенностей конструкции, невозможности реализации некоторых идей протезирования и ограничений в имплантации. Но даже с учетом иллюзорного образа функционала протезов, ситуация каждого персонажа заставляет нас задуматься о действительных вещах, которые смогут упростить воплощение идей протезирования, а также поменять отношение к людям с ампутацией и/или врожденной особенностью, заставляя по-человечески взглянуть на их ситуацию. Заставляя реакцию непонимания и отторжения сменить на интерес. Ведь чем больше человек наблюдает подобную картину в фильмах и различных видеоиграх, тем более лояльно относится к протезированию. На мой взгляд, само наличие подобных персонажей двигает науку вперед и мы не можем знать сколько ещё будет таких людей, которые заинтересовались темой протезирования благодаря массовой культуре, но стоит напоминать, что данные протезы не являются прямым отражением реальности. Авторство — М. Павленко.