Эволюция и современная наука протезных конечностей

---

История

Искусственные руки и ноги, известные как протезы, проектируются для восстановления функциональных возможностей лиц, перенесших ампутацию. Механические вспомогательные устройства, позволяющие ходить или использовать обе руки, датируются древностью, самым узнаваемым ранним примером является простая деревянная нога. Успешные хирургические техники ампутации появились только около 600 г. до н.э., после чего средневековые оружейники изготавливали ранние протезы из жесткого железа. Несмотря на введение подвижных суставов Амбруазом Паре в 1500-х, эти ранние устройства давали ограниченное волюнтарное управление. Последующие достижения в XVIII и XIX веках — такие как нижелоктевой дизайн Питера Бэлиффа (1812) и вышелоктевая модель Вана Питерсена (1844) — улучшили функциональность, но все еще не достигали современных стандартов.

XIX век ознаменовал поворотный сдвиг, движимый самими ампутированными. Инженер Гражданской войны Дж. Э. Хэнгер потерял ногу, спроектировал собственный протез и основал процветающую компанию J.E. Hanger Company в 1861 году. Подобно этому, А. А. Уинкли разработал нижеколенный протез со скользящим гнездом и с Лоуэлл Джепсоном запустил компанию Winkley Company в 1888 году. Их продукты демонстрировали на Национальном собрании ветеранов Гражданской войны, закрепляя коммерческое присутствие.

Д. У. Дорранс, потерявший правую руку в аварии, ввел терминальный крюк в 1909 году, значительно улучшив способность к захвату. До его изобретения протезы рук опирались на кожаные гнезда, тяжелые стальные рамы и пассивные крюки или рудиментарные механические руки. Расколотый крюк Дорранса — закрепленный на противоположном плече и приводящийся ремнем и резинками — восстановил функциональную прехенсию и остается краеугольным камнем современных крюковых конструкций, часто скрытых под реалистичной кожей.

XX век принес трансформационный прогресс, когда новые материалы — пластики — вытеснили железо и дерево, давая более легкие, прочные и косметически привлекательные устройства. Переломной инновацией стало появление миоэлектрических протезов в конце 1940-х, позволяющих движению конечности через собственные мышечно-генерированные электрические сигналы пациента. К 1960-м миоэлектрические устройства стали доступны для взрослых, а последнее десятилетие увидело широкое принятие в педиатрической практике.

В последние годы компьютерно-помощенное проектирование и производство (CAD/CAM) стали стандартом в частных протезных практиках. Восемьдесят пять процентов клиник теперь используют CAD/CAM для моделирования руки или ноги пациента, производя точные формы для индивидуальных гнезд. Техники вакуумного формования и лазерно-гидированных измерений еще больше уточняют посадку и комфорт.

Сырье

Типичный протез состоит из индивидуально подобранного гнезда, внутренней структуры (пайлона), коленных манжет или ремней, протезных носков и, в некоторых случаях, реалистичной кожи. Выбор материалов приоритезирует легкость и долговечность: полипропилен часто для гнезд, тогда как титан и алюминиевые сплавы заменяют сталь в пайлонах. Недавние инновации отдают предпочтение углеродному волокну за его исключительное отношение прочности к весу.

Ступни исторически использовали твердые породы — клен, икорица, липа, ива, тополя и липа — в комбинации с резиной. Современные ступни обычно — уретановые пенообразные ядра с деревянными килями, дополненные полиэтиленом, полипропиленом, акрилами и полиуретаном для других компонентов. Протезные носки изготавливают из мягких, но эластичных тканей — от шерсти и хлопка до передовых синтетиков.

Визуальная эстетика критична. Большинство эндоскелетных протезов имеют полиуретановый пенообразный чехол, отлитый для совпадения с противоположной конечностью, затем накрытый индивидуально покрашенной искусственной кожей, воспроизводящей натуральный оттенок пациента.

Производственный процесс

Протезные конечности не являются серийными розничными товарами; это индивидуальные решения. После медицинского назначения — обычно следующего за multidisciplinarной оценкой — пациенты посещают протезиста для подгонки. Хотя определенные компоненты (например, гнезда) изготавливаются индивидуально, другие, такие как ступни и пайлоны, предпроизводятся и собираются на месте. Некоторые передовые центры производят всю конечность инхаусе.

Измерение и гипсирование

• 1. Точные измерения необходимы для создания комфортной, функциональной конечности. Протезист сначала оценивает остов конечности, делая отпечаток или цифровое сканирование.
• 2. Используя эти данные, протезист фиксирует длины сегментов и позиции оставшихся костей и сухожилий. Затем производят гипсовую модель, улавливающую детальную положительную модель остова.

Изготовление гнезда

• 3. Прозрачный термопластичный лист нагревают в печи и вакуумно формируют над положительной формой. Этот процесс дает прозрачное тестовое гнездо, позволяющее протезисту визуально оценить посадку.
• 4. Тестовое гнездо примеряют к пациенту. Для ампутированных ниже колена пациент ходит, пока протезист наблюдает за походкой и комфортом. Корректировки вносят повторным нагревом термопластика; более толстые носки могут добавляться для амортизации.
• 5. После финализации постоянное гнездо — обычно полипропилен — вакуумно формируют тем же способом. Остовы могут усаживаться после операции, стабилизируясь через около года; гнезда поэтому часто заменяют в это время или когда анатомические изменения требуют новой посадки.

Фабрикация протеза

• 6. Компоненты производят стандартными методами обработки пластиков: вакуумное формование, литье под давлением, экструзия, литье под давлением для металлических пайлонов и столярное дело для деревянных частей. Сборка использует болты, клеи и ламинаты.
• 7. Техник собирает конечность, часто с инструментами вроде динамометрических ключей. Протезное устройство — показанное на изображении ниже — затем примеряют к пациенту. Финальные корректировки обеспечивают оптимальное выравнивание и комфорт.

Физиотерапия

Успешная адаптация к протезной конечности требует комплексной тренировки. Пациенты должны научиться управлять устройством, укреплять остаточную мускулатуру и выполнять повседневные задачи. В миоэлектрических случаях мышечный кондиционинг особенно важен для генерации достаточных электрических сигналов. Регулярная очистка и практика надевания/снятия также подчеркиваются.

Лицам с протезами рук обучают управлению конечностью, ее блокирующими механизмами и терминальным устройством. Кривая обучения отличается у травматических ампутированных — которые могут адаптироваться быстро — и тех, у кого врожденное отсутствие, которые могут сталкиваться с большими трудностями. Структурированные обучающие системы позволяют однорукое манипулирование повседневными предметами.

Для ампутированных ног физиотерапия обычно занимает 18–20 недель для восстановления ходьбы. Пациенты также практикуют пересадки между кроватями и машинами, преодоление склонов и безопасные техники восстановления после падений.

Контроль качества

Хотя США лишены единого регуляторного фреймворка для протезных конечностей, многие производители принимают европейские стандарты ISO, особенно при экспорте в Европу. Критики утверждают, что эти руководства могут быть излишне строгими; сторонники считают, что гармонизированные стандарты обеспечивают безопасность и производительность.

Независимое тестирование оценивает механическую прочность и долговечность. Статические нагрузочные тесты включают приложение силы в течение 30-секундного периода, удержание 20 секунд, затем освобождение за 30 секунд, верифицируя отсутствие деформации. Тесты на разрушение доводят конечность до точки ломания для определения пределов прочности. Циклические нагрузочные тесты моделируют долгосрочное использование — два миллиона циклов по одному в секунду приближают пять лет ежедневной активности. Успешные прототипы обычно выдерживают минимум 250 000 циклов.

Будущее

Эксперты видят протезную конечность, которая одновременно технологически изощрена и удобна для пользователя. Идеальное устройство было бы интуитивным, низкообслуживаемым, комфортным, легким, адаптивным, естественно выглядящим и легким для очистки. Недавние достижения приближают нас к этой цели.

Углеродное волокно, прославленное своей высокой прочностью и легкостью, все чаще применяется как основной материал для эндоскелетных пайлонов, потенциально заменяя металлы полностью.

Инновационное программное обеспечение накладает сетку давления на КТ-скан пациента, позволяя протезисту проектировать гнезда, минимизирующие сдавление тканей и боль. Экспериментальные датчики давления в стопах передают данные о реакции опоры на электроды, вмонтированные в остов, обеспечивая проприоцептивную обратную связь и более естественные шаблоны походки.

Более того, программируемые вышеколенные протезы включают бортовой компьютер, адаптирующийся к походке носителя, доставляя более плавные, автоматические динамики ходьбы.