Донорский глаз или бионический? Плюсы и минусы

Обновлено: 18.05.2024

МОСКВА, 21 июля. /ТАСС/. Первый в России пациент успешно перенес операцию по новой бионической технологии восстановления зрения и сейчас проходит реабилитацию в одном из центров ФМБА. Об этом сообщила в пятницу журналистам министр здравоохранения РФ Вероника Скворцова.

"Этот прибор дает возможность глазу увидеть информацию не так, как мы привыкли ее видеть. Это черно-белое зрение, геометрическое. Дверь мы видим как черную букву "П", - рассказала министр.

Ретинальный имплант, установленный пациенту, представляет собой высокотехнологичный комплекс, состоящий из очков с миниатюрной видеокамерой, блока обработки видеосигнала и электростимулятора - ретинального импланта с 60 электродами. "Наши пока подходы позволяют на поверхностный слой сетчатки положить примитивное достаточно устройство, состоящее из 60 пикселей. При том, что мир многообразен", - сказала министр.

Ульянов стал 41-м пациентом в мире с аналогичной установленной системой. Еще около 300 человек в мире имеют более простую бионическую систему, которая способна составлять изображение из 30 пикселей.

По словам Скворцовой, развитие бионического направления наряду с регенеративной медициной и тканевыми, клеточными технологиями является одним из самых перспективных направлений российского здравоохранения. "Создан механизм ускоренного внедрения в практику самых инновационных технологий", - добавила она. Министр также отметила, что этот механизм полностью оплачивается государством - это называется клинической апробацией.

Этот материал также опубликован в разделе "Добрости" - совместной рубрике с общероссийским социальным проектом "Жить", призванным поддержать людей, оказавшихся в сложной жизненной ситуации.

Человечество со времен средневековья и по сегодняшний день стремится создать протезы, наиболее похожие на утраченную конечность как внешне, так и функционально. Будущее — за бионическими протезами, которые механически наиболее приближены к функционалу тела здорового человека, однако проблема качественного управления такими устройствами на сегодняшний день до сих пор не имеет готового решения.

За последние 5 лет появилось много компаний, занимающихся разработкой бионических протезов. В основном фокус делается на дешёвые бионические устройства из пластиковых деталей, выполненных в том числе при помощи технологий 3D печати. Есть уже готовые продукты, например, от OpenBionics, которые сейчас находятся на стадии одобрения в FDA. Механическая часть у таких игроков на рынке, как OttoBock или iLimb, тоже развивается, но это развитие направлено не на удешевление протезов, а скорее на механику движений (плавность, естественность, точность). При подобном подходе функциональная часть протеза развивается, но управляемость остается прежней.

От Крюка до бионики

История протезов начинается еще в давние времена — наиболее древним считается протез глаза, который относят к III тысячелетию до н. э. В средние века стали появляться хорошо известные «пиратские» деревянные опоры вместо утраченных ног или крюки вместо кисти. Такие протезы выполняли ограниченный ряд функций, в которых нуждался конкретный человек, исходя из его рода деятельности. Подобный подход можно встретить в протезировании и сегодня.

Когда речь идет о реабилитации после ампутации руки, наиболее простым решением является косметический протез. Помимо эстетического назначения, такие протезы не выполняют практически никаких функций и не имеют преимуществ по сравнению со средневековыми протезами-крюками.

Другое решение — это тяговые протезы. Их кисти уже могут сжиматься и разжиматься за счет, например, движений лучезапястного или локтевого сустава оставшейся части руки. Эти движения руководят механическим натяжением нитей, приводящих «пальцы» в действие. Такая кисть «умеет» только сжимать кулак и разжимать его. Она отличается быстродействием и неплохой надежностью. Тяговые протезы разрабатываются отечественными инновационными компаниями, также их можно сделать самостоятельно по инструкции (что практикуется и в странах третьего мира).

Третий класс — механические протезы, управляемые мышечной активностью. Такие устройства, как правило, выполнены из металла, имеют большую прочность, но обладают только двумя степенями свободы — сжатие и разжатие. Управлять механическим протезом не очень удобно: для того, чтобы разжать кулак, нужно напрячь внешнюю сторону предплечья, а для того, чтобы сжать — наоборот, напрячь внутреннюю сторону предплечья. Это так называемый триггерный способ управления: либо мышечная активность есть — тогда движение активируется, либо мышечной активности нет. К сожалению, такая система управления может приводить к ложным срабатываниям. Механические протезы обладают «внешностью» косметических и функциональностью тяговых, питаются от аккумулятора, который размещается на протезе. Металлический каркас и мотор, приводящий в движение кисть, позволяют называть конструкцию надежной: например, если требуется держать какой-то предмет, механическая рука сможет сжать его сильно и надолго, и это практически не потребует усилий со стороны человека. Неудобное управление и ограниченная функциональность — основные недостатки механических протезов.

Последний, четвертый класс — бионические протезы, в которых каждый палец управляется отдельным мотором — это дает большее преимущество в плане манипуляций с предметами. Система управления бионической кистью такая же, как и у механической, на основе сжатия и разжатия — поэтому этими протезами сложно пользоваться. Для облегчения использования добавляют какие-либо внешние переключатели — рычажки на протезе или приложения на смартфоне.

Дороговизна и малофункциональность

«Бионичность» подразумевает помимо восполнения механических функций потерянной руки, естественность её использования. Разработчики сфокусированы на оптимизации строения протезов — нужны максимально прочные, эргономичные, функциональные с точки зрения механики решения. Тем не менее, задача обеспечения максимальной функциональностью управления, не имеет готового решения на рынке. А неудобные и ограниченно функционирующие протезы стоят от $30 000 до $70 000.

Все сегодняшние R&D проекты сфокусированы на двух направлениях: удешевление самого протеза и улучшение системы управления. Если для первой проблемы существуют более-менее подходящие решения, то в области разработки систем управления все только начинается.

В идеале человек, пользующийся протезом, не должен замечать системы управления. То есть интерфейс между человеком и протезом использует естественные механизмы управления, которым человек обучался ещё в детстве. Таким образом, остро стоит вопрос, какой интерфейс взаимодействия между человеком и протезом стоит использовать и как подстроить это взаимодействие под индивидуальные особенности каждого?

Совершенное взаимодействие с человеком

Для удешевления производства используются технологии 3D печати. Стоимость таких протезов невысока за счет использования пластиковых деталей, а компаний, которые занимаются 3D печатью протезов, достаточно много по всему миру, в том числе и в России. Зарубежные компании создают модели бионических протезов и выкладывают их в открытый доступ, способствуя развитию и доступности протезирования. Другие компании-разработчики оптимизируют и дорабатывают дизайн и механику свободно доступных 3D моделей.

А вот решить задачу по улучшению взаимодействия человека с протезом намного сложнее. Наиболее «естественный» подход — это полноценная трансплантация руки. Мышцы и нервы при этом работают точь-в-точь как в здоровой руке, но процедура весьма дорогостоящая, требующая донорский материал, дополнительную терапию и риски отторжения. Безусловно, за таким методом, в том или ином виде будущее, которое наступит только после революций в смежных областях — лет через 100. Пока актуально создание устройств реабилитации, в достаточной мере восполняющих функции утраченной кисти и позволяющих управлять собой естественным образом.

Можно выделить четыре основных типа взаимодействия человека с протезом:

Первый, наиболее радикальный — разного рода импланты в моторную и сенсорную зоны коры головного мозга. Такой интерфейс обладает теми же недостатками, что и трансплантированная рука. Особенно уместны импланты в мозг в случае, когда по каким-либо причинам нарушена связь головного мозга и руки. В остальных случаях стоит дополнительно оценивать пользу/риск от использования такого интерфейса.

Второй способ управления — использование электроэнцефалографии (ЭЭГ). Метод ЭЭГ основан на регистрации биоэлектрической активности головного мозга, возникающей вследствие распространения потенциала действия по нейронам. Метод считается перспективным, но имеет ряд технических сложностей, которые мешают появлению в продаже интерфейса на его основе. Во-первых, из-за особенностей регистрации карты мозговой активности систему нужно «обучать» заново при перемещении электродов. А во-вторых, сам сигнал очень неустойчив к различного рода электрическим наводкам и помехам.

Третий: имплантация электродов к периферическим нейронам в оставшейся части руки. Такой способ имеет все те же проблемы, что трансплантация и мозговые импланты, к тому же требует длительной и индивидуальной работы врачей.

И последний тип интерфейса — электромиография (ЭМГ). Простейшая его реализация — триггерная — используется в механических протезах, руководя сжатием или разжатием кисти. В бионические протезы внедрена точно такая же система управления. Но, как уже было сказано, ЭМГ в них используется только для двух степеней свободы — сгибание и разгибание пальцев. Также к ним может быть добавлена и третья степень свободы — одновременное напряжение обеих мышц, на которых измеряется ЭМГ активность.

Электромиография — это метод анализа мышечной активности, основанный на измерении разности потенциалов в двух точках, между которыми под кожей по мембранам мышечных волокон распространяется потенциал действия (именно этот потенциал представляет собой распространение волны мышечной активности от зоны, куда поступает потенциал действия моторного нейрона, заставляющей «работать» наши мышцы). Такой способ позволяет записывать сигнал мышечной активности с минимальным уровнем шума. Большая часть движения пальцев и кисти тесно связана с мышцами предплечья. Это легко проверить, положив одну руку на предплечье (чуть ниже локтя) и пошевелив пальцами другой руки — можно почувствовать, как при этом сокращаются различные мышцы предплечья. Использование системы управления, индивидуально настроенной на паттерны движений кисти конкретного человека, приближает нас к созданию естественного интерфейса между человеком и протезом. С одной стороны, он не инвазивен и обладает большой функциональностью, с другой - быстро настраивается и устойчив к внешним воздействиям. Проблемой может стать атрофия оставшихся мышц, однако метод позволяет извлечь максимум сохранившихся естественных паттернов мышечной активности.

Текущий статус разработок в мире

Системы управления протезом также развивается, но компаний, сфокусированных на этой задаче значительно меньше. В основном, разработчики используют уже готовые электромиографические усилители и, получив сигнал, примитивно его обрабатывают. (так или иначе всё сводится к «триггерной» системе, вопрос только в количестве порогов и в количестве каналов записи ЭМГ). В некоторых случаях, прибегают к кластерному анализу, но такое в основном встречается в научных статьях, где также утверждается, что такие методы не приспособлены для использования в реальной жизни за счет изменчивости мышечной активности. В триггерных системах используются смартфоны или иные устройства, переключающих режимы схватов, по аналогии с существующими протезами. Тем не менее, в сочетании с дешевизной 3D печати и схожей системой управления «дорогих» протезов, данные компании займут свою долю на рынке. Существует и другой подход к решению задачи управляемости — более детальная обработка ЭМГ сигнала и выделение паттернов конкретных движений, чтобы впоследствии воспроизводить их на протезе после обучения с помощью machine learning. То есть нужно обучить систему управления каждому индивидуальному движению для конкретного пациента, которое будет воспроизводиться при повторном напряжении мышц, соответствующих конкретному движению. Данное обучение системы управления может происходить в течение 1-2 минут, при этом точность распознавания движений будет зависеть от качества алгоритмов обработки ЭМГ и алгоритмов machine learning и будет составлять не менее 99% в зависимости от многообразия распознаваемых движений. Такая система управления может быть встроена практически в любой бионический протез, что выделит его на рынке среди конкурентов. Компаний, ведущих разработку в этой области, во всем мире не так уж и много. В нашей стране этим тоже занимается ряд компаний (компания «Мионикс», которую представляет автор, — одна из них — Forbes)

Также ведутся разработки систем обратной связи — от вибрационной тактильной обратной связи до искусственной кожи, интегрированной с нервной системой человека. Это отдельный пласт разработок, который безусловно необходим для тонких манипуляций со сложными объектами, например, хрупкими или мягкими. Без обратной связи протез, как реабилитационное устройство, не будет полноценной заменой утраченной конечности. Примечателен факт, что, как правило, разработка обратной связи не пересекается с разработкой улучшенной механики протеза и тем более системой управления бионическими протезами.

Направление бионических протезов развивается во всём мире. Главная цель этого развития — создание готового удобного в управлении протеза, который можно купить, надеть и пользоваться без сложного процесса обучения. К сожалению, в настоящий момент такой продукт не создан, а спрос на него каждый год растёт. Мы верим, что в ближайшем будущем сможем увидеть дешевый протез с удобной, простой и персонализированной системой управления и обратной связью. Такие системы управления также дадут толчок к развитию экзоскелетов, управляемых небольшими мышечными усилиями.

Это хирургическое вмешательство, производимое при помощи высокоточной медицинской аппаратуры.

Во время ее проведения роговица глаза заменяется донорским органом или кератопротезом. При помощи такой операции можно заменить все клетки роговицы глаза, или же только поврежденные и частично восстановить зрение.

Кератопластика относится к разряду микрохирургических операций в области офтальмологии.

Кератопластика (операция по пересадке роговицы глаза) — это хирургическое вмешательство, производимое при помощи высокоточной медицинской аппаратуры.

Во время ее проведения измененная из-за болезни или образования рубцов роговица заменяется донорским органом или кератопротезом.

При помощи такой операции можно заменить все клетки роговицы глаза, или же только поврежденные и частично восстановить зрение.

Роговица представляет собой прозрачную клеточную ткань, расположенную перед радужной оболочкой и зрачком. Этот орган отвечает за проникновение в него лучей света. Роговая оболочка состоит из нескольких слоев:

эпителиального слоя,
боуменовой мембраны, которая отделяет эпителий от стромы.

Последняя — средний слой, обеспечивающий оптические преломляющие свойства роговицы. Десцеметова мембрана служит разделяющей полосой между стромой и эндотелиальным слоем.
Роговая оболочка подвержена различным воздействиям. На нее оказывают влияние внешние факторы: химикаты, травмы и многое другое.

Травмы, имеющие разный характер. Неглубокие повреждения не наносят серьезного вреда роговице, она способна к скорому самостоятельному восстановлению. Однако, если травмированы области, находящиеся глубоко в ее тканях, образовываются рубцы, которые не исчезают самостоятельно. В этом случае требуется кератопластика;
Аллергические реакции. Роговица особенно сильно восприимчива к действию цветочной пыльцы и других аллергенов — пыли, шерсти животных и т. д.;
Кератиты — инфекционные и неинфекционные. Первая группа заболеваний может возникнуть из-за постоянного ношения контактных линз, вторая — из-за попадания в глазное яблоко вирусов или бактерий;
Синдром сухого глаза, вызванный недостатком слезной жидкости. Болезнь проявляет себя сильным жжением, а также покраснением глаз;
Дистрофические изменения, к которым относят решетчатую и эпителиально-эндотелиальную дистрофию, а также синдромы Стивена-Джонсона и Фукса.

Перед назначением операции врач в обязательном порядке устанавливает точные причины изменений в роговой оболочке. Если она не сможет восстановиться естественным путем, назначается процедура кератопластики.

Кератопластику назначают в следующих случаях:

кератоконус: форма оболочки меняется, представляя собой образование в виде конуса;
кератоглобус — значительное выпячивание роговицы;
помутнение роговой оболочки, возникающее из-за травмы, ожога или воспаления;
образование рубцов вследствие утолщения тканей;
буллезные образования, вызванные отеком и поражением слоя эпителия;
дистрофия тканей роговицы — развивается по разным причинам.

Нередко кератопластику рекомендуют провести в косметических целях. Помутневшая роговица не украшает человека. Глаз выглядит бесцветным и не живым.

Противопоказания к офтальмологическому вмешательству тоже есть. Обычно его не проводят, если высока вероятность отторжения органа донора или протеза.

Также к противопоказаниям относится образование васкуляризованных бельм — сросшихся кровеносных сосудов.

В этом случае роговица удаляется полностью, а на ее место пришивается новый донорский орган. Эта методика считается наиболее подходящей при многих заболеваниях роговой оболочки. Для пересадки подходит ткань, толщина которой составляет 500-600 микрон. Офтальмолог работает со столь тонким материалом вручную, при помощи тонкой нити, сделанной из нейлона. Рекомендуется прошивать два раза.
После того как ткань станет новой роговицей, швы снимают. Достоинства этого метода в том, что не применяются материалы, которые должны разлагаться длительный период времени, затрудняя заживление и вызывая воспалительные процессы.

Выполняющаяся по технологии Dalk

Пересаживают часть органа, оставляя десцеметовую мембрану и эндотелий. Этот тип операционного вмешательства назначается после травм и ДТП, если эндотелий не поврежден. Эти манипуляции относятся к разряду наиболее сложных и трудоемких.

Выполняющаяся по технологии Dmek

Пересадке подлежит мембрана, а также эндотелий. Обычно Dmek применяют при генетических нарушениях, различных дистрофиях, например, дистрофии Фукса.

Другая классификация определяет кератопластику как сквозную, послойную и кератопротезирование. Послойная обычно выполняется двумя способами: передним ламеллярным и задним, эндотелиальным. Кератопротезирование предполагает применение донорских клеток и искусственного протеза, который выполнен из ригидного пластикового сырья. Эта методика часто применяется при отторжении донорского органа.

В последнее время широкое применение нашла лазерная методика. В профессиональном кругу окулистов она считается прорывной, так как лазер относится к высокоточным инструментам. Он со стопроцентной точностью делает разрез и также точно пришивает новые клеточные ткани. Лазер практически не оставляет шрамов, что служит еще одним плюсом.

Главный врач «Клиники доктора Шиловой»
Руководитель группы "Клиник доктора Шиловой", клинический эксперт компании "Carl Zeiss" по хирургии катаракты.

Иллюстрация хода операции по кератопластике

Обследование перед операцией: анализы и подготовка

Перед проведением медицинских манипуляций пациенту проводят полное офтальмологическое обследование. Для этого применяются новейшие методы, кроме общего осмотра в кабинете окулиста. Врач отправляет больного на биопсию, чтобы сделать соскоб с участков, где образовались наросты. Больной предварительно направляется на кератоскопию, которая проводится при помощи современного видеооборудования, а также пахиметрию, чтобы оценить роговичный слой глаза.

Исследования на совместимость донорского материала и организма человека не проводятся. Это обусловлено строением самой роговицы.

Во время операции

Кератопластика проводится под местной анестезией. Пациент находится в горизонтальном положении, его голова прочно фиксируется. Глаза предварительно обрабатываются специальным раствором, а затем накладывается и пришивается трансплантат.

Параллельно с основной задачей трансплантации часто выполняют другие функции. К примеру, удаляют катаракту, чтобы заменить ее на специальную линзу, одновременно проводят другие манипуляции. Таким образом, кератопластика позволяет решить сразу несколько проблем со зрением. Главное, чтобы был поставлен точный диагноз и вмешательство проводил опытный хирург.

После окончания операции пациент не видит прооперированным глазом в течение 5—10 дней. Затем зрение постепенно восстанавливается. Сначала глаз реагирует на уровень освещения, а затем начинает различать предметы и их оттенки. Первый день после операции обязательно нужно носить повязку.

Послеоперационный период: реабилитация

Пациенту рекомендуется следовать определенным правилам поведения, чтобы донорский орган прижился. После трансплантации больной находится в стационаре почти две недели. При подозрении на осложнения врач продлевает срок пребывания.

Швы снимают через год после вмешательства. В течение этого времени следует аккуратно относиться к своим глазам.

Врач назначает капли, снимающие воспаление. Их нужно применять согласно инструкции. В течение 60 дней после операции запрещено посещать бани. В период реабилитации необходимо носить корригирующие очки, которые прописывают при проблемах со зрением для его корректировки.

Окулисты советуют стараться оберегать глаза от травм и других воздействий. Рекомендуют спать на том боку, со стороны которого не находится прооперированный глаз. Дополнительно следует избегать активных физических нагрузок, поднятия тяжестей, занятий в спортивном зале. Темные очки помогут избежать влияния яркого света, который оказывает негативное воздействие на прооперированную роговицу.

Следует избегать мест большого скопления людей во избежание попадания в глаза инфекции. Дома поддерживают постоянную чистоту и порядок, так как пыль, попавшая в глаза, негативно сказывается на заживлении швов.

Обычно адаптация новой роговицы к организму человека происходит быстро, хотя процесс зависит от его индивидуальных особенностей. При малейших недомоганиях, которые выражаются болью, жжением или краснотой глаз, следует прийти к врачу.

Нередко пациенты жалуются на пелену перед глазами. Им четко не видны контуры предметов. Офтальмологи поясняют, что это нормальное явление. После операции глаз отекает, что в скором времени пройдет, и зрение восстановится.

Трансплантация призвана решить несколько важных проблем. В первую очередь улучшить зрение, предотвратив наступление слепоты. Операция проводится для того, чтобы остановить или полностью вылечить болезнь глаз. После трансплантации состояние роговицы значительно улучшается, она становится прозрачной, теряет мутность.

Проведение кератопластики, которая известна в мире как безопасная и эффективная операция, лучше доверить представителям профессионального медицинского сообщества. Специалисты «Клиники доктора Шиловой» работают согласно методикам известного медицинского объединения Германии Carl Zeiss. Оно славится инновационными подходами к офтальмологическим вмешательствам и новейшим оборудованием, которое применяется на этапах диагностики и операции.

Читайте также: