CC BY
293
УДК 369.223.256
М.Г. БИЛЬГИЛЬДЕЕВ1, И.Ж. ОСМОНАЛИЕВ2- 3, Р.Ф. БАЙКЕЕВ2
1Казанская государственная медицинская академия — филиал ФГБОУ ДПО РМАНПО МЗ РФ 2Казанский государственный медицинский университет МЗ РФ 3Городская клиническая больница № 7 МЗ РТ
Протезирование конечности
Контактная информация:
Бильгильдеев Мурат Гусманович — врач-ординатор кафедры травматологии и ортопедии Адрес: 420012, г. Казань, ул. Муштари, д. 11, e-mail: listik99@list.ru
Проблема потери конечности является нарастающей медико-социальной проблемой. К 2050 г. ожидается удвоение числа людей, страдающих от данной нозологии (МКБ 10 Z89.3-6). В дополнение к развитию протезов развитие микрохирургии создало возможность хирургической пересадки конечности, однако в 17% случаев приходится осуществлять реампутацию. Протезирование конечностей является высокотехнологическим процессом, который в своем развитии следует за достижениями физики, химии и математики. На сегодня наиболее перспективным типом протезов являются бионические миоэлектрические протезы. Будущее протезирования конечностей выглядит так: инвазивные электроды для управления, очувствление протеза, появление новых степеней свободы, нейроинтерфейсы. Из медицинских проблем, которые ожидают решения не как случаи искусства конкретного врача-хирурга, а развитой технологии, следует выделить целевую реиннервацию поврежденного контакта афферентного нерва, мотонейрона, мышцы, фиксацию протеза на культи конечности, установку электродов на конечности, тренировочный процесс адаптации человека к протезу конечности, восстановление проприоцептивной чувствительности, ликвидацию ощущения фантомной боли. Изложенные в данном обзоре детали процесса протезирования выглядят обнадеживающими и создают ощущение появления еще более совершенных протезных изделий.
Ключевые слова: ампутация конечности, бионический протез, установка на культе, адаптация к протезу.
(Для цитирования: Бильгильдеев М.Г., Осмоналиев И.Ж., Байкеев Р.Ф. Протезирование конечности. Практическая медицина. 2021. Т. 19 , № 4, С. 146-152)
DOI: 10.32000/2072-1757-2021-4-146-152
M.G. BILGILDEEV1,1.Zh. OSMONALIEV2- 3, R.F. BAIKEEV2
1KSMA — Branch Campus of the FSBEIFPE RMACPE MOH Russia, Kazan 2Kazan State Medical University, Kazan 3City Clinical Hospital No. 7, Kazan
Limb prosthetics
Contact details:
Bilgildeev M.G. — resident physician of the Department of Traumatology and Orthopedics Address: 11 Mushtari St., Kazan, Russian Federation, 420012, e-mail: listik99@list.ru
Limb loss is a growing medical-social problem. By 2050, the number of people suffering from this nosology (IDC 10 Z89.3-6) is expected to double. In addition to prostheses, microsurgery development has created a possibility of the limb surgical transplantation, however in 17% of cases it is necessary to carry out recurrent amputation. Limb prosthetics is highly-technological process which follows the achievements of physics, chemistry and mathematics. Today, the most perspective types of limbs prostheses are bionic myoelectric ones. The future of prosthetics looks as follows: invasive electrodes for control, sensitization of limb prosthesis, occurrence of new degrees of freedom, neuronal interfaces. Among the medical problems which expect resolution not as the cases of art of a particular doctor-surgeon, but as a developed technology, one should mention target reversal reinnervation of the injured contact of the afferent nerve, motoric neuron and muscles, fixing of prosthesis to the limb stump, installation of electrodes into the limb, training
process of the patients adapting to the limb prosthesis, restoration of proprioceptive sensitivity, elucidation of phantom pain. The details of prosthetics process stated in the present review are encouraging and promise occurrence of even more perfect orthopedic products. Key words: limb amputation, bionic prosthesis, installation on a stump, adaptation to prosthesis.
(For citation: Bilgildeev M.G., Osmonaliev I.Zh., Baikeev R.F. Limb prosthetics. Practical medicine. 2021. Vol. 19, № 4, P. 146-152)
Проблема потери конечности является нарастающей медико-социальной проблемой. К 2050 г. ожидается удвоение числа людей, страдающих от данной нозологии (МКБ 10 Z89.3-6) [1]. При отсутствии части тела ее часто рекомендуют заменить протезом. Протез представляет собой искусственное устройство, которое заменяет отсутствующую часть тела. В дополнение к развитию производства протезов развитие микрохирургии в сочетании с применением иммунносупрессоров предметом выбора стала возможность хирургической пересадки конечности [2].
На сегодня в мире выполнено 107 трансплантаций верхней конечности, однако, в 17% случаев пришлось осуществить реампутацию [3].
Настоящий обзор посвящен разделам промышленного протезирования, в соответствии с тенденциями развития современной научной мысли.
Протезирование конечности
Классическое целеполагание при протезировании — чтобы протез как минимум должен позволить пользователю самостоятельно и комфортно выполнять повседневную деятельность (например, ходьбу, прием пищи, одевание). На долю не миоэлек-трических протезов приходится до 1/3 от общего их числа. Касательно достижения предельного восстановления функции конечности наиболее перспективным является использование миоэлектрических протезов. Такие протезы в клинике применяются с 1960 гг.
Стандартный миоэлектрический протез состоит из стержня с разъемом, c соединением между электронным блоком и пациентом, называемым интерфейс человек-машина и роботизированной рукой. С инженерной точки зрения интерфейс включает все элементы, такие как электроды, провода и процессоры, которые необходимы для соединения машины и человека, транслируя при этом биологическую активность в электрические контролирующие сигналы.
Совокупность действий, включающих оперативное вмешательство, установку протеза и послеоперационную реабилитацию называют алгоритм бионической реконструкции конечности.
Будущее протезирования конечностей выглядит так: инвазивные электроды для управления, очувствление протеза, появление новых степеней свободы, нейроинтерфейсы [4]. Медико-технические, независимо от конструкции, протезы решают следующие задачи:
1. Целевая реиннервация мышцы. На практике травма конечности, предполагающая ее ампутацию и последующее протезирование, сопровождается нарушением анатомического единства нерва и мышцы. С целью ликвидации данного эффекта хирургически осуществляется реиннервация остаточных мышц. Целевая иннервация обеспечивает так называемое нативное функционирование протеза.
2. Фиксация протеза на культи конечности. Эксплуатация накладного протеза сопровождает-
ся чрезмерным нагревом культи, ее потливостью, неравномерным распределением давления, раздражением на коже, образованием язв, вплоть до инфицирования, что уменьшает степень удовлетворенности пациента протезом и приводит к отторжению его [5]. Остеоинтеграция протеза позволяет избежать этих последствий, которая осуществляется одновременно с целевой реиннервацией. Изначально остеоинтеграция использовалась в стоматологической и челюстно-лицевой хирургии, а в реконструкции конечностей начиная с 1990 г. Дополнительным преимуществом остеоинтеграции является то, что она в какой-то степени обеспечивает обратную сенсорную связь за счет феномена остео-чувствительности, при которой тактильная чувствительность передается на кость через крепление протеза. Сложность существующих технологий остеоинтеграции заключается в том, что среднее время жизни титановых имплантов — 5 лет, после чего требуется повторная операция по замене им-планта.
3. Установка электродов на культе конечности. В случае наличия в культе нескольких остаточных мышц возникает возможность контролировать несколько функциональных степеней свободы конечности [6]. В случае отсутствия таковых возникает необходимость контролировать множество степеней свободы, для чего используют последовательные или мультистатусные контроллеры, которые позволяют создавать циклы функционирования совместно сокращающихся мышц, которые, однако, неестественны и громоздки. Однако данные сигналы искажаются из-за смещения электродов, при их креплении и снятии, изменении электрической проводимости кожи из-за пота и артефактов движения культи. Кроме этого, имеет место занижение амплитуды или появление кросс-сигнала от нескольких мышц. Ключевой проблемой является то, что поверхностная электромиография регистрирует не столько активность мотонейронов, сколько мышечную активность. С развитием как физики, так и технологии изготовления электронного оборудования имело место и усовершенствование интерфейсов при протезировании. В 1974 г. был применен одиночный чехол-подобный электрод, прикрепленный на остаток п. тваапиэ, который создает ограниченную чувствительность в фантомной руке через электрическую составляющую [7]. Дальнейшее развитие технологий привело к появлению подхода, использующего многоканальные электромиографические электроды, имплантируемые электроды или их сочетание.
Продольные интрафасциальные электроды (LIFEs) были имплантированы в периферический нерв кисти, что обеспечивало линейный, то есть в пределах одной степени свободы, контроль протеза, что включало возможность ограниченного ощущения через такие электроды. Позднее такие электроды были использованы с целью достижения 3DOF (3 степени свободы) контроля протезной
руки, включая координированный хват, а ощущение объекта усиливалось путем использования двух сенсоров ощущения, происходящих от стимуляции периферического нерва электродами LIFE [8]. Электроды-чехлы (плоский интерфейс электрода нерва, FINEs), имплантированные вокруг трех главных остаточных нервов кисти, были использованы для возбуждения 19 сенсорных устройств, которые оставались исправными на сроках до 2 лет [9].
Иная конструкция — электрод Utah Slanted Electrode Array (USEA), будучи имплантирован в единичный остаточный периферический нерв кисти, был использован для создания 81 точки иллюзии ощущения кожной чувствительности на про-
тезной руке и осуществления моторного контроля с 2 степенями свободы [10].
При использовании двух электродов USEA, один из которых был прикреплен к п. тваапиэ, а другой к п. иПапэ был достигнут контроль с 12 степенями свободы, тогда как число точек чувствительности достигло 131 [11].
Тонкость приведенной технологии безусловна. Epineurium был предварительно отпрепарирован от поверхности нерва перед пневматическим введением USEA [12] (рис. 1).
Электроды USEA с проводами были подшиты с помощью швов с применением нитей нейлона и защитной коллагеновой оболочкой вокруг всех со-
Рисунок 1. Электроды USEA, внедренные в периферийные нервы руки, использовались, чтобы предоставить человеку действительный контроль многих степеней свободы движения протеза руки и восстановление многих ощущений кисти; а — изображение USEA, полученного с помощью растрового электронного микроскопа; b — два электрода USEA внедрены в нервы руки: n. medianus и n. ulnaris, видна органическая обертка нерва, закрепленная сосудистыми зажимами, покрывающая каждый электрод USEA; c —регистрация сигналов от USEA использовалась для поступления сигналов пациенту c целью контроля виртуальной протезной руки; e — стимуляция USEA была использована для поступления сигналов множественных ощущений фантомной руки. Пациенты дифференцировали природу каждого ощущения (топологию, качество, интенсивность / размер), используя коммерческое программное обеспечение; d — провода от USEA подведены к внешним контактам через кожный надрез [12]
Figure 1. USEA electrodes implanted into the peripheral nerves of an arm were used to provide a person with actual control over many degrees of freedom in moving the arm prosthesis and restore many sensation in the hand; а — USEA image obtained with a raster electronic microscope; b — two USEA electrodes implanted into the nerves of an arm: n. medianus and n. ulnaris, an organic cover of the nerve is seen, fixed by vessel clamps and covering each USEA electrode; c — registering signals from USEA was used to transmit the signals to the patient in order to control the virtual arm prosthesis; e — USEA stimulation was used for transmitting signals of multiple sensations of the phantom hand. The patients differentiated between the sensations (topology, quality, intensity/ volume), using commercial software; d — wires from USEA were connected to external contacts through a skin incision [12]
ставляющих контакта USEA с нервом. Сама кол-лагеновая оболочка была закреплена с помощью сосудистого клипса и подшита кертеипит. После удаления жгута пациенту ввели внутривенно 0,1 мг/кг дексаметазона с целью смягчить реакцию организма на инородное тело и улучшить передачу сигнала от нерва на протез. Дополнительно была проведена обработка антибиотиком.
4. Контроль состояния электродов. Контроль состояния электродов можно рассмотреть на примере протеза кисти [13]. Он проводился на частоте 1 кГц, критерием нормальности явилось сопротивление 500 кОм. Надежным контролем состояния электродов является статистический подход анализа сопротивления на длительных интервалах, в частности с применением теста Friedman, который является обобщением post-hoc критерия Wilcoxon's между первым и последним измерением сопротивления системы, по причине отсутствия нормального распределения данных. Сбор нейро-нальной информации осуществлялся с помощью 128-канальной нейропортальной системы. Непрерывные нейрональные сигналы пропускались через полосовой фильтр с частотой среза 0,3 Гц (фильтр верхних частот Butterworth 1-го порядка) и 7500 Гц (фильтр низких частот Butterworth 3-го порядка) и оцифровывалось с частотой 30 кГц. Цифровой фильтр верхних частот был применен к выборочным записям (250 Гц, фильтр 4-го порядка), вычленялась множественно-единичная активность путем регистрации порогового пересечения адаптивного, автоматизированного порога, установленного приблизительно в 6 раз меньше средне-квадратического значения сигнала (RMS).
Временные параметры, связанные с пиком, от каждого электрода были включены в окна 33,3 мс и превращены в запускающую частоту, которые потом были использованы для тренировки и для тестирования модифицированного фильтра Kaiman, алгоритма декодирования. В данном применении фильтра Kaiman декодер был модифицирован так, чтобы наложить ограничение от -1 до 1, в результате декодер не превысил пределы роботизированной или виртуальной руки (которая была нормализована от -1 до 1). Выходные данные тренированного алгоритма декодера были использованы для обеспечения пациента контролем online-позиции стимулированной руки в виртуальном окружении. Автоматизированный выбор электронных единиц (каналов) USEAs проводился offline на основе корреляционной зависимости между генерацией импульса и откликом протеза путем декодирования, c использованием стандартного алгоритма фильтра Kalman, или алгоритма фильтра ReFIT (Recalibrated Feedback Intention-Trained) Kalman [14].
Ключевым критерием оптимального функционирования протеза была статистическая оценка импульсов на выходе из декодера. Условием было, чтобы данный параметр при движении превышал состояние покоя на величину 6RSM. Для всех возбуждений USEA, использовались двухфазные, катодные первые импульсы (как правило, шириной 200 ^s для каждой фазы, 100 ^s межфазный интервал).
5. Адаптация человека к протезу конечности (тренировка). Для адаптации к протезу, обеспечивающей длительную его эксплуатацию, пациент должен пройти специальную тренировочную процедуру. Желательно применить такие методы, как дополненная реальность или видеоигры, c целью
повышения мотивации пациента, что последовательно повышает восприимчивость к протезу [15]. Когда объект перцепции был вызван возбуждением USEA, пациенты определяли воспринятое местоположение, качество и интенсивность или размер объекта перцепции на изображении руки, используя коммерческое программное обеспечение (рис. 1e). Пациенты были проинструктированы выбрать термины для описания перцепции объекта из списка (например, «покалывание», «вибрация», «давление», «движение», «горячее», «холодное») или создавали и использовали их собственные описания ощущения. Пороговое значение было определено как минимальное, при котором неоднократно происходило восприятие объекта, вызванное возбуждением объекта перцепции. В заключение осуществляли картирование расположения объектов перцепции таким образом, чтобы это соответствовало распределению мышечных и кожных нервов на неповрежденной руке и кисти [16]. При тренировке определения положения предмета «ближе-дальше» обучение происходит без визуализации на экране компьютера, пациенту расположение предмета сообщается вербально. Важно, что форма пика и его временные параметры указывают на его нейронное, а не мускульное происхождение.
При тренировке алгоритма декодера пациенты были инструктированы имитировать фантомной кистью серии движений с 1 степенью свободы, свизуализацией этого на экране компьютера, при этом данные записи с USEA собирались и сохранялись. Тренировочные установки включали 5-10 попыток на каждое движение, которое длится 1-2 сек (вся тренировка длится 5-10 мин). Одновременно экспериментатор вручную выбирает электрическую единицу электродного канала и движений путем обозрения карты пиковой активности и выбирает электрическую единицу электродного канала с наибольшей корреляцией и специфичностью единичного движения. Именно эти единицы используются как входные для тренировки online декодеров. В настоящее время это уже автоматизировано.
6. Оценка временного интервала нормального функционирования протеза. Следует отметить, при всех сходствах применяемой технологии реакции тканей со временем у пациентов различны. В частности, в части импеданса электродов. Например, доля функционирования кожных сенсоров через электроды USEA составляет 51-68% [13]. Что касается перцепции n. medianus, n. ulnaris, то доля функционирующих перцептов составила 63 и 75% [13]. Причем их локализация, по ощущению пациентов, менялась в течение нескольких недель [13]. Возрастает и величина порога, необходимая для возбуждения электрода [13].
На этом этапе выявляются и эксплуатационные характеристики протеза в целом. В отличие от плоских электродов, электроды USEAs позволяют активизировать ответвления единичных аксонов путем независимого контроля возбуждения через различные электроды, потенциально предлагая беспрецедентный натурализм и разнообразие в природе вызванных ощущений от объектов перцепции. Данная технология решила вопрос и о воспроизводстве проприоцептивной чувствительности [13].
7. Восстановление проприоцептивной чувствительности. Восстановление проприоцептивной чувствительности, наряду с моторной активностью конечности, является целевой на всех этапах протезирования. Проприоцептивная чувствитель-
ность определяет состояния, связанные с перемещением в непредсказуемой окружающей среде — удивительно сложный процесс. В дополнение к необходимому вычислению со стороны эфферентных структур, чтобы произвести движение, важным аспектом функционирования сенсорно-моторного контроля является поступление афферентной информации от конечностей, что обеспечивает обратную связь и возможность планирования движения. Если говорить о проксимальной части кисти, областью мозга, обеспечивающей ее проприоцептив-ную чувствительность, являются группы нейронов в области 2-го основного соматосенсорного слоя коры мозга (S1) [17]. Эта зона получает комбинированные сигналы от мышци кожи [18]. Интересно, что человек оценивает положение руки лучше, чем угол сустава, так же как наше сознание, ставя целью достичь предмета, концентрируется на руке. В то же время компьютерные исследования показали, хотя активность нейронов настроена на окончание конечности, характер этой настройки является следствием биомеханики конечности [19]. Различные подходы по улучшению проприоцептив-ной чувствительности описаны в литературе. Не-инвазивные методы включают сенсорную замену, такие как вибротактильная или электротактильная стимуляция и модельносоответствующая обратная связь, примененная к коже пациента [20].
Пример такого подхода — передача давления измеряемого на протезе руки через пневматический механизм или маленькие моторчики [21]. Данные подходы, даже увеличивая в целом функциональность протеза, остаются неинтуитивными, ненатуральными [22].
В первую очередь это касается такого вида чувствительности, как проприоцептивная.
Различные типы неврологических интерфейсов были имплантированы в пациентов с целью стимуляции периферического нерва дифференцировать различные ощущения, такие как давление, нажатие, вибрация, покалывание, парестезия, включая проприоцептивную обратную связь [23]. Все эти подходы остаются экспериментальными, испытаны на небольшом количестве пациентов и не проанализированы на длительных временных интервалах. На сегодня ни одно коммерческое протезное изделие не обладает необходимой формой сенсорной чувствительности с обратной связью [24].
8. Фантомная боль. Фантомная боль — предмет пристального внимания специалистов, так как это строго индивидуальная реакция пациента на ампутацию конечности. Отражением сложности оценки данного состояния пациента является множественное число опросников с целью выявления [25]: а) состояния пациента — Houghton Score Questionnaire (HSQ); б) характеристики фантома и боли, включая шкалирование степени, — интервью, шкалы физической функции версии German Version of the West Haven-Yale Multidimensional Pain Inventory, MPI-D, the German Version of the Pain Catastrophizing Scale, шкалы эмоциональной функции — German Version of the Becks Depression Inventory, BDI-II and the German version of the Health Survey (SF-36). Оценивается функция мозга методом МРТ и магнитоэнцефалографии.
Уменьшение доли фантомных болей и повышение функциональности протеза при ампутации нижней конечности достигнуто путем применения технического устройства, обеспечивающего сома-тосенсорную передачу от ступни в мозг через сти-
мулирующие электроды [25]. Однако результаты по уменьшению интенсивности негативных ощущений не превышают 20%.
Наряду c этим используется метод анальгезирую-щей соматосенсорной дискриминантной тренировки [26], умственное воображение [27], градуированное моторное воображение [28], или фантомное моторное отсечение, посредством узнавания мио-электрической составляющей и виртуальной реальности [29].
9. Математические подходы по оптимизации функции протеза конечности. Адекватный математический анализ функционирования уже готового протеза позволяет осуществить его оптимизацию касательно конкретного пользователя.
На рис. 2 представлена система управления протезом нижней конечности. К нему было применено моделирование передвижения, что позволяет в процессе программно-аппаратной реализации биоэлектрических протезов с учетом физических особенностей пользователей создавать алгоритмическое обеспечение протеза, исследовать его электрические и динамические характеристики [31]. Особенность предлагаемой модели заключается в наличии функции, характеризующей передачу сигналов от центральной нервной системы человека к исполнительному механизму.
Золотые стандарты протеза конечности
LUKE Arm, она же «Рука Люка» (названная в честь Luke Skywalker) — одного из главных персонажей вселенной киноэпопеи «Звездные войны», — это высокотехнологичный протез, который позволяет владельцу осязать [32]. В конструкции использовали^ электроды USEA, присоединенные к n. medianus и n. ulnaris, а также 8 электромиографических регистрирующих пластин (iEMG) к мышцам предплечья культи на середине предплечья между запястьем и кистью. Контрольные сигналы были получены путем фильтра с iEMG и использовались как входные данные на модифицированный фильтр [33]. Вес данного протеза веготрансра-диальной конфигурации составляет 1,27 кг [34]. Электронные датчики получают сигналы от мышц пользователя, которые затем переводят в физическое движение. Носитель может одновременно манипулировать несколькими суставами при помощи переключателей. Специальный мотор обеспечивает обратную связь, имитируя сопротивление, которое оказывают различные физические объекты — пользователь может почувствовать, что подушка обладает меньшим сопротивлением, чем кирпич. Причем имеет место строгое соответствие ощущения с моментом времени контакта протеза с объектом. Общее число сенсорных датчиков, распределенных на кисти, составляет 119, большая доля которых на пальцах и особенно на их кончиках. Качество их различно: «вибрация» (36%), «давление» (29%), «нажатие» (3%), которые были ассоциированы с активацией нервных волокон кожного тактильного нерва; остальные описывались как боль (16%), отражая преимущественно активацию ноцицептивных волокон. Ноцицепция — нейрональные процессы кодирования и передачи повреждающих стимулов. Здесь необходимо отметить, что боль и ноцицеп-ция — понятия неидентичные. Термин «боль» обозначает субъективное переживание, которое может возникать и без всяких стимулов, в то время как ноцицепция — это физиологический механизм передачи боли, который не затрагивает описание ее эмоциональной составляющей [35]. Имеется не-
Рисунок 2. Система управления биоэлектрическим протезом бедра человека: МЭМ — микроэлектродный массив; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ФЭС — фильтр электрических сигналов; БПИ — блок первичной информации; УОИ — устройство обработки информации; УУИМ — устройство управления исполнительным механизмом; ИМ — исполнительный механизм; Дос I, Дос II — датчики обратной связи; = y(t) — сигнал нервной системы человека; u...(t) — опорный сигнал БПИ; u...(t) — сигнал с УОИ; u...(t) — управляющий сигнал; q(t),...Q(t) — кинематические и динамические переменные перемещения ИМ; u...(t) — сигналы с совокупности датчиков обратной связи Дос I, Дос II [30]
Figure 2. Control system of bioelectric prosthesis of a human hip: МЭМ — microelectrode massive; АЦП — analog-digital converter; ФЭС — filter of electric signals; БПИ — block of primary information; УОИ — information processor; УУИМ — executive mechanism control; ИМ — executive mechanism; Дос I, Дос II — feedback sensors; = y(t) — human nervous system signal; u...(t) — БПИ reference signal; u...(t) — УОИ signal; u...(t) — managing signal; q(t),...Q(t) — cinematic and dynamic variable of ИМ movement; u...(t) — signals from Дос I, Дос II feedback sensors [30]
сколько сенсорных датчиков как «сжимание» (12%) и «движение сустава» (3%), преимущественно отражая активацию проприоцептивных афферентных нервов мышц. В результате всех этих технических достижений и их реализации пациент становится приспособленным к жизни. Однако при создании протеза верхней конечности целиком ограничение движения в плечевом суставе сохраняется [36]. DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) MPL (Modular Prosthetic Limb) на сегодняшний день является в своем роде единственным биоэлектрическим протезом для протезирования вычленения плеча. Он обладает 26 степенями свободы, 17 из которых моторизованы, то есть. должны управляться пользователем. Система управления таким протезом построена на реконструктивной хирургии и/или вживляемых в грудные мышцы датчиках. Методика реконструктивной хирургии заключается в выделении в грудных группах мышц отдельных пучков, отвечающих за движение суставов руки (от плеча до фаланг пальцев). Затем выделенные группы «подшиваются» к определенным участкам кожи на груди, чтобы можно было считать сокращения мышц поверхностными датчиками. Либо датчики вживляются в выделенные группы мышц, тогда «подшивание» не требуется. Для протеза предплечья и плеча разработчики остановились на поверхностных ЭМГ-электродах, но увеличили их количество, по сравнению со стандартными коммерческими протезами. В протезе предплечья используются 4 электрода, в плече — 8.
Электроды выполнены в виде браслета, который также содержит сборку инерциальных датчиков (гироскопы, акселерометры), что позволяет зада-
вать режимы протезу в зависимости от движения руки в пространстве. Использование большего числа датчиков позволяет вычислять некоторые паттерны фантомных жестов, что существенно увеличивает количество программируемых хватов на 1 режим до 5-6 (вместо 1-2 у прочих коммерческих протезов). Однако же большее число датчиков требует более тонкой настройки и вероятность сбоев и ложных распознаваний увеличивается. Кроме того, стоит проблема жесткой фиксации датчиков, что делает использование браслета крайне неудобным (браслет сильно сдавливает руку). Рука DARPA MPL является единственным коммерчески доступным протезом плечевого сустава, позволяющим заводить протез за голову, в область затылка. Цена устройства составляет около 100 тыс. долл. Однако очевидно, что, не отдав должное клинической команде (врач, протезист, терапевт, консультант по реабилитации), достижение успеха при установке самого совершенного протеза конечности не представляется возможным.
Бильгильдеев М.Г.
https://orcid.org/0000-0002-6563-5192
Осмоналиев И.Ж.
https://orcid.org/0000-0003-1432-6135
Байкеев Р.Ф.
https://orcid.org/0000-0003-4306-3805
ЛИТЕРАТУРА
1. Ziegler-Graham K., MacKenzie E.J.,.Ephraim P.L., Travison T.G., Brookmeyer R. Estimating the prevalence of limb loss in the United States: 2005 to 2050 // Arch Phys Med Rehabil. — 2008. — Vol. 89 (3). — P. 422-429.
2. Salminger S., Roche A.D., Sturma A., Mayer J.A., Aszmann O.C.
Hand transplantation versus hand prosthetics: pros and cons // Curr Surg Rep. — 2016. — Vol. 4. DOI: 10.1007/s40137-016-0128-3
3. Shores J.T., Brandacher G., Lee W.P. Hand and upper extremity transplantation: an update of outcomes in the worldwide experience // Plast Reconstr Surg. — 2015. — Vol. 135 (2). — P. 351e-360e.
4. Предвосхищая будущее: последние разработки в протезировании [Электронный ресурс]: сайт производителя бионических протезов ООО «Моторика» / г. Москва, территория инновационного центра «Сколково». — 2017. — URL: https://motorica.org/ predvosxishhaya-budushhee-poslednie-razrabotki-v-protezirovanii
5. Biddiss E., Chau T. Upper-limb prosthetics: critical factorsin device abandonment // Am J Phys Med Rehabil. — 2007, Dec. — Vol. 86 (12). — P. 977-987.
6. Farina D., Jiang N., Rehbaum H., Holobar A., Graimann B., Dietl H., et al. The extraction of neural information from the surface EMG for the control of upper-limb prostheses: emerging avenues and challenges // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. — 2014. — Vol. 22
(4). — P. 797-809.
7. Clippinger F.W., Avery R., Titus B.R. A sensory feedback system for an upper limb amputation prosthesis // Bull Prosthet Res. — 1974. — Fall. — P. 247-258.
8. Horch K., Meek S., Taylor T.G., Hutchinson D.T. Object discrimination with an artificial hand using electrical stimulation of peripheral tactile and proprioceptive pathways with intrafascicular electrodes // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. — 2011. — Vol. 19
(5). — P. 483-489.
9. Tan D.W., Schiefer M.A., Keith M.W., Anderson J.R., Tyler J., Tyler D.J. A neural interface provides long-term stable natural touch perception // Sci. Trans Med. — 2014. — Vol. 6 (257). — P. 257ra138.
10. Davis T.S., et al. Restoring motor control and sensory feedback in people with upper extremity amputations using arrays of 96 microelectrodes implanted in the median and ulnar nerves // J Neural Eng. — 2016. — Vol. 13 (3). — P. 036001.
11. Wendelken et al. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (uSEAs) implanted in residual peripheral arm nerves // J. Neuro Engineering and Rehabilitation. — 2017. — Vol. 14. — P. 121. DOI: 10.1186/ s12984-017-0320-4
12. Rousche P.J., Normann R.A. A method for pneumatically inserting an array of penetrating electrodes into cortical tissue // Ann Biomed Eng. — 1992. — Vol. 20 (4). — P. 413-422.
13. Wendelken S., Page D.M., Davis T., Heather Wark A.C., David Kluger T., Duncan C., Warren D.J., Hutchinson D.T., Clark G.A. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (USEAs) implanted in residual peripheral arm nerves // Journal of Neuro Engineering and Rehabilitation. — 2017. DOI: 10.1186/s12984-017-0320-4
14. Kalman R.E. Research Institute for Advanced Study, 2 Baltimore, Md. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems // Transactions of the ASME — Journal of Basic Engineering. — 1960. — Vol. 82 (Series D). — P. 35-45.
15. Prahm C., Vujaklija I., Kayali F., Purgathofer P., Aszmann O.C. Game-based rehabilitation for Myoelectric prosthesis control // J MIR Serious Games. — 2017. — Vol. 5 (1). DOI: 10. 2196/ games.6026
16. Kagan Z.B. et al. Linear methods for reducing noise in peripheral nerve motor decodes. In: 2016 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC); Orlando. — 2016.
17. London B.M., Miller L.E. Responses of somatosensory area 2 neurons to actively and passively generated limb movements // Journal of Neurophysiology. — 2013. — Vol. 109. — P. 1505-1513. DOI: 10.1152/jn.00372.2012, PMID: 23274308
18. Padberg J., Cooke D.F., Cerkevich C.M., Kaas J.H., Krubitzer L. Cortical connections of area 2 and posterior parietal area 5 in macaque monkeys // Journal of Comparative Neurology. — 2019. — Vol. 527. — P. 718-737. DOI: 10. 1002/cne.24453, PMID: 29663384
19. Chowdhury R.H., Glaser J.I., Miller L.E. Area 2 of primary
somatosensory cortex encodes kinematics of the whole arm // Life. — 2020. — Vol. 9. — P. e 48198. DOI: 10.7554/eLife.48198
20. Antfolk C., D'Alonzo M., Rosen B., Lundborg G., Sebelius F., Cipriani C. Sensory feedback in upper limb prosthetics // Expert Rev Med Devices. — 2013. — Vol. 10 (1). — P. 45-54.
21. Antfolk C., Cipriani C., Carrozza M.C., Balkenius C., Bjorkman A., Lundborg G. et al. Transfer of tactile input from an artificial hand to the forearm: experiments in amputees andable-bodied volunteers // Disabil Rehabil Assist Technol. — 2013. — Vol. 8 (3). — P. 249-254.
22. Antfolk C., D'Alonzo M., Rosen B., Lundborg G., Sebelius F., Cipriani C. Sensory feedback in upper limb prosthetics // Expert Rev Med Devices. — 2013. — Vol. 10 (1). — P. 45-54.
23. Schiefer M., Tan D., Sidek S.M., Tyler D.J. Sensory feedback by peripheral nerve stimulation improves task performance in individuals with upper limb loss using a myoelectric prosthesis // J Neural Eng. —
2016. — Vol. 13 (1). — P. 16001.
24. Antfolk C., D'Alonzo M., Rosen B., Lundborg G., Sebelius F., Cipriani C. Sensory feedback in upper limb prosthetics // Expert Rev Med Devices. — 2013. — Vol. 10 (1). — P. 45-54.
25. Dietrich C., Nehrdich S., Seifert S., Blume K.R., Miltner W.H.R., Hofmann G.O., W.T. Leg Prosthesis With Somatosensory Feedback Reduces Phantom Limb Pain and Increases Functionality // Front. Neurol. — 26 April 2018. DOI: 10.3389/fneur.2018.00270
26. Flor H., Denke C., Schaefer M., Grusser S. Effect of sensory discrimination training on cortical reorganization and phantom limb pain // Lancet. — 2001. — Vol. 357. — P. 1763-1764. DOI: 10.1016/ S0140-6736(00)04890-X
27. MacIver K., Lloyd D.M., Kelly S., Roberts N., Nurmikko T. Phantom limb pain, cortical reorganization and the therapeutic effect of mental imagery // Brain. — 2008. — Vol. 131. — P. 2181-2191. DOI: 10.1093/brain/awn124
28. Finn S.B., Perry B.N., Clasing J.E., Walters L.S., Jarzombek S.L., Curran S. et al. A randomized, controlled trial of mirror therapy for upper extremity phantom limb pain in male amputees // Front Neurol. —
2017. — Vol. 8. — P. 267. DOI: 10.3389/ fneur.2017.00267
29. Lendaro E., Mastinu E., Hakansson B., Ortiz-Catalan M. Realtime classification of non-weight bearing lower — limb movement so using // EMG to facilitate phantom motor execution: engineering and case study application non phantom limb pain // Front Neurol. — 2017. — Vol. 8. — P. 470. DOI: 10.3389/fneur.2017.004709
30. Большаков А.А., Кулик А.А., Глазков В.П. Разработка биоэлектрической системы управления протезом бедра человека // Изв. Санкт-Петербург. Технолог. ин-та (техн. ун-та). — 2015. — № 29 (55). — С. 89-93.
31. Кулик А.А. Математическое моделирование движения биоэлектрического протеза бедра // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. — 2017. — № 2. — C. 7-12.
32. George J.A., Kluger D.T., Davis T. S., Wendelken S.M., Okorokova E.V., He Q., Duncan C.C., Hutchinson D.T., Thumser Z.C., Beckler D.T., Marasco P.D., Bensmaia S.J., Clark G.A. Biomimetic sensory feedback through peripheral nerve stimulation improves dexterous use of a bionic hand // Science Robotics. — 24 Jul 2019. — Vol. 4, Issue 32, eaax 2352. DOI: 10.1126/scirobotics.aax2352
33. Kalman D.M., George, D.T., Kluger C., Duncan S., Wendelken T., Davis D.T. Hutchinson G.A. Motor control and sensory feedback enhance prosthesis embodiment and reduce phantom pain after long-term hand amputation // Front. Hum. Neurosci. — 2018. — Vol. 12. — P. 352.
34. Resnik L., Klinger S.L., Etter K. The DEKA Arm: Its features, functionality, and evolution during the Veterans Affairs Study to optimize the DEKA Arm // Prosthetics Orthot. Int. — 2014. — Vol. 38. — P. 492-504.
35. Loeser J.D., Treede R.D. The Kyoto protocol of IASP basic pain terminology // Pain. — 2008. — Vol. 137 (3). — P. 473-477.
36. Aman M., Festin C., Sporer M.E., Gstoettner C., Prahm C., Bergmeister K.D., Aszmann O.C..Bionic reconstruction restoration of extremity function with osso integrated and mind-controlled prostheses // Wien Klin Wochenschr. — 2019. — Vol. 131. — P. 599-607. DOI: 10.1007/s00508-019-1518-1
