Научный проект на тему "Бионические протезы"

Министерство образования и науки РК

средняя общеобразовательная школа № 30

Научный проект

Тема « Бионические протезы»

Автор проекта: научный руководитель – Садвакасова Л.А.

                                                            (учитель нач. классов ГУ СОШ  № 30)

Выполнил: Седов Никита

                                                                     (ученик 3 класса ГУ СОШ № 30)

г. Павлодар, 2015

Аннотация

Цель: изучить историю появления протезов и как они помогают людям с ограниченными возможностями.

задачи:

1.     Проанализировать литературу по теме исследования;

2.     Изучить историю появления протезов;

3.     Доказать, что люди с ограниченными возможностями могут вести

      полноценный образ жизни;

Гипотеза:   если расширить возможности технологии, то  людям с ограниченными возможностями можно вести полноценный образ жизни

Этапы исследования:

        1.Изучить литературу по теме работы;

        2. Проанализировать собранную информацию;

        3. Определить возможности технологии для полноценной жизни людей с  

            ограниченными возможностями;

        4. Беседа с человеком с ограниченными возможностями.

Новизна: заключается в том, что в работе раскрывается новизна современных технологии превосходящие возможности обычного человека.

Практическое значение: результаты исследования могут быть применены в проведении классных часов и мероприятий по формированию ЗОЖ.

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………..3

І.Основная часть.

1. 1. Экскурс в историю «деревянной ноги»……………………………….…4-6

1.2.  Научная фантастика или реальность?........................................................6-7

1.3.  Протезы ног………………………………………………………………..7-9

1.4.  Протезы рук………………………………………………………………9-11

ІІ. Практическая часть.

2.1.  Киборги среди нас………………………………………………………11-14

2.2. Беседа с другом ……………………………………………………………..15

Заключение………………………………………………….……......................16

Литература…………………………………………………………..…………..17

Введение

         Я выбрал эту тему, потому что   меня есть друг, который в детстве попал под поезд. Однажды, когда я был у него в гостях, он попросил принести «2-ю ногу» из другой комнаты. Изначально я не понял, тогда он показал, что у него нет второй ноги, и  объяснил, что «2-я нога» -это протез.  Мне было страшно трогать протез руками, но я набрался смелости и не только подал другу протез, но и смотрел, как он цепляет его за ногу.

    С тех пор  меня очень заинтересовали протезы. Я считаю, что выбранная мною тема актуальна, т.к.  протезирование позволяет людям с ограниченными возможностями вести полноценный образ жизни: работать, заниматься спортом, участвовать в параолимпийских играх и т.д.

    Поговорив с моим учителем,  тему для своей исследовательской работы мы выбрали «Бионические протезы». Исходя из актуальности темы, мы определили цель: изучить историю появления протезов, узнать как они помогают людям с ограниченными возможностями.

задачи:

1.Проанализировать литературу по теме исследования;

2.Изучить историю появления протезов;

     3.Доказать, что люди с ограниченными возможностями могут вести  

      полноценный образ жизни;

Гипотеза:   если расширить возможности технологии, то  людям с ограниченными возможностями можно вести полноценный образ жизни

Этапы исследования:

        1.Изучить литературу по теме работы;

        2. Проанализировать собранную информацию;

        3. Определить возможности технологии для полноценной жизни людей с 

            ограниченными возможностями;

        4. Беседа с человеком с ограниченными возможностями.

Новизна: заключается в том, что в работе раскрывается новизна современных технологии превосходящие возможности людей с ограниченными возможностями .

Практическое значение: результаты исследования могут быть применены в проведении классных часов и мероприятий по формированию ЗОЖ.

Основная часть

     С давних времен предметом черной зависти человека является способность некоторых земноводных отращивать утраченные конечности. К сожалению, мечта остается мечтой и пострадавшие на поле боя или в результате несчастных случаев люди вынуждены довольствоваться протезами, эволюционирующими одновременно с развитием используемых человеком технологий. Протезы для человека, потерявшего руку или ногу, когда-то были всего лишь немного лучше, чем ничего. В нынешнем веке они превратились в высокотехнологичные устройства, которые дают своему обладателю способности, превосходящие возможности обычного человека.

1.1 Экскурс в историю «деревянной ноги»

    Самый древний из известных протезов – это протез большого пальца ноги (рис.1), изготовленный из кожи и дерева между 1000 и 600 годами до н. э. Он принадлежал одной из мумий, обнаруженных во время раскопок древнеегипетских усыпальниц [1].

    Вплоть до XIX века протезирование практически не прогрессировало, а протезы представляли собой лишь вариации на «пиратскую тему». В разные эпохи искусственные конечности изготавливали из различных материалов: дерева, гипса, бронзовых, металлических или серебряных пластин. При этом протезы ног неизменно доставляли массу неудобств своим владельцам, которым при каждом шаге приходилось описывать негнущейся ногой полукруг. Искусственные руки, как правило, представляли собой закрепляемую на культе гильзу, к которой прикрепляли инструмент, соответствующий роду деятельности человека: клещи, молот, боевой меч, неподвижную кисть в лайковой перчатке, или пресловутый пиратский крюк.

Рис. 1.Протез большого пальца ноги. Этому протезу почти 3000 лет.

      В XIX веке врачи научились формировать культи, позволяющие прикреплять к ним более функциональные протезы. Сами протезы также усложнились, благодаря используемым при их изготовлении блокам, пружинам и различным механизмам они научились немного сгибаться. В результате деревянная нога уже не являлась абсолютным противопоказанием посещения балов.

        Протезы рук (рис.2), форма которых варьировалась в зависимости от рода деятельности человека, позволяли не только зарабатывать себе на жизнь неквалифицированным трудом, но и писать, и даже тасовать карты. Особые сложности были связаны с изготовлением протезов для пациентов, руки которых ампутировали выше локтя. Работа с помощью такого протеза была возможна лишь при условии использования сложных, массивных и требующих больших физических усилий устройств[2].

Рис. 2. К искусственной руке можно приделать что-нибудь полезное.

     Большинство изготавливаемых в настоящее время протезов также являются не имеющими связи с организмом механическими устройствами, действующими за счет силы самого пациента. По гибкости и функциональности они намного превосходят свои прототипы (рис.3), но по-прежнему даже не приближаются к живым конечностям. Более того, некоторые пациенты ограничиваются абсолютно нефункциональными косметическими протезами, основной задачей которых является восстановление естественного внешнего вида[7].

Рис. 3. Деревянная нога американского производства.

       Однако техническая революция ХХ века, совершившая переворот во многих сферах жизни человека, не обошла стороной и протезирование. В результате, при наличии желания и определенных финансовых возможностей, человек может подобрать себе протез, не только заменяющий утраченную конечность, но и предоставляющий ему определенные преимущества перед простыми смертными, одновременно выступая в роли ульра-экстравагантного аксессуара[2].

1.2 Научная фантастика или реальность?

       В настоящее время среди новых технологий, сулящих огромные изменения нашему обществу, важное место занимает биомехатроника. Это − новая наука, целью которой является изучение взаимодействия биологических организмов со встроенными мехатронными системами[3].
  История появления термина «биомехатроника» обычно связывается с исследованиями по разработке протезов нижних конечностей группой биомехатроники Массачусетсского технологического института в США. Созданный этой группой, так называемый магнитореологический протез обеспечивает требуемую походку пациента благодаря использованию информации о силах и моментах, возникающих между протезом и примыкающей к нему оставшейся частью ампутированной конечности[4].
  Сейчас разрабатываются (в частности, в Институте механики МГУ) системы так называемых тактильных роботов. Принципиальное отличие порожденных им протезов нового поколения, или «бионических» («биоэлектрических») протезов, от обычных заключается в их способности регистрировать электрические сигналы, вырабатываемые при сокращении мышц конечностей, к которым они крепятся, и совершать необходимые человеку движения. Благодаря последним достижениям робототехники функциональность таких протезов может даже превосходить возможности живых рук и ног. Некоторые из них можно дистанционно программировать на выполнение определенных манипуляций[5]. Более того, подбираемый по желанию пациента дизайн искусственной руки или ноги может, благодаря имитирующему человеческую кожу силиконовому покрытию, обеспечивать практически полную маскировку увечья (рис.4), либо привлекать всеобщее внимание к «человеку-киборгу» (рис.6)[7].

                                    

Рис. 4. Искусственную руку                                 Рис. 5. Некоторым нравится быть 

не отличить  от настоящей.                                        киборгами.

        Самым последним достижением в области протезирования является разработка технологии остеоинтеграции – вживления протезов в кость. Основными преимуществами данной технологии является отсутствие риска натирания и травмирования культи, а также практически полный контроль над искусственной конечностью. В месте выхода наружу имплантируемые в кости фрагменты таких протезов покрывают специальным пористым материалом, не только имитирующим ткань, обеспечивающую соединение кости и мягких тканей, но и защищающим организм от проникновения инфекций. Однако, несмотря на все ухищрения, остеоинтеграция протезов на сегодняшний день все еще связана с высоким риском инфицирования и имеет статус экспериментальной. Пожалуй, самым знаменитым пациентом, быстро бегающим на остеоинтегрированных протезах, является кот Оскар (рис.6), который, попав под комбайн, потерял обе задние лапы. Единственно удовольствие, которого Оскар лишился навсегда, – это способность лазить по деревьям[7].

                              Рис. 6. Кот Оскар  бегает на протезах.

1.3 Протезы ног

           Самыми популярными на сегодняшний день являются коленные модули C-Leg немецкой фирмы OttoBock и RheoKnee исландской компании Ossur (рис.7). Основой обоих модулей является гидравлический привод с электромоторами, управляемый микропроцессором с помощью специального программного обеспечения. Питание всего устройства обеспечивает аккумуляторная батарея[5].

                                                             

Рис. 7. Концептуальный протез «Immaculate»             Рис. 8 Протез C-Leg  появился                        

дизайнера Ганса Александра Хусклеппа.                       на рынке в 1997 году                                            

        Появившийся на рынке в 1997 году и уже ставший классикой модуль C-Leg (от «ComputerLeg») гораздо более функционален, чем традиционные механические протезы. Он имеет три режима работы, переключаемые с помощью пульта дистанционного управления. Управляющий модулем микропроцессор обрабатывает поступающую с датчика давления информацию и корректирует работу гидравлической системы с частотой 50 раз в минуту. В результате человек может не только забыть об искусственной природе своей ноги во время пеших прогулок, но и без проблем подниматься по ступенькам и даже кататься на велосипеде.

         Обладающий искусственным интеллектом электронный модуль RheoKnee появился на рынке несколько позже – в 2006 году. Благодаря работе сложной сети датчиков и микропроцессора он самостоятельно изучает особенности походки и, регулируя уровень намагниченной жидкости в искусственном суставе, подстраивается под нее, обеспечивая своему владельцу дополнительный комфорт при ходьбе. Описанные коленные модули удовлетворяют потребности большинства пациентов, однако нельзя забывать и о существовании спортсменов-экстремалов (рис.9), для которых даже ампутация ног не является убедительным доводом в пользу отказа от опасного хобби. Специально для таких индивидуумов американская копания Symbiotechs разработала свой единственный продукт – коленный модуль XT-9. Это устройство неудобно для ходьбы, но позволяет заниматься серфингом, альпинизмом, кататься на скейтборде, сноуборде, лыжах, ледовых и роликовых коньках, а также многое другое. Искусственное колено XT-9 выполняет функцию четырехглавой мышцы бедра, оно сгибается под создаваемым конечностью давлением, резервируя в специальной цилиндрической пружине и пневматическом амортизаторе большое количество энергии, которая расходуется при разгибании[6].

 

Рис. 9. XT-9 — протез для экстремалов.

       Наиболее сложной задачей при разработке искусственной ноги оказалось создание полноценной с точки зрения функциональности ступни Современные протезы ступней функционируют за счет сложных гидравлических систем, имитирующих положение ступни при стоянии, ходьбе, беге и т.п.

      Первым появившимся на рынке интеллектуальным протезом ступни является модель ProprioFoot компании Ossur (рис.10).. ProprioFoot также самостоятельно изучает походку хозяина и всего лишь за 15 шагов подстраивается к ней[7].

Рис. 10. ProprioFoot — первая появившаяся на рынке

модель интеллектуального протеза ступни.

1.4 Протезы рук

        Бионические протезы рук появились на рынке гораздо позже описанных выше искусственных нижних конечностей. Основной причиной этого является сложность воссоздания мелкой моторики кистей. Судя по всему, прорыв в этой области стал возможен благодаря новому поколению разработчиков, выросших на научно-фантастической саге Джорджа Лукаса «Звездные войны», одному из главных героев которой – Люку Скайуокеру, – несмотря на утраченную кисть руки, удалось стать величайшим воином. Доказательством этого является предлагаемый компанией DekaResearch сверхсовременный протез LukeArm  «Рука Люка» (рис.11). Это удивительное устройство не нуждается ни в аккумуляторах, ни в электромоторе, так как работает за счет миниатюрного ракетного двигателя, топливом для которого служит перекись водорода, при нагревании которой выделяется пар, открывающий и закрывающий клапаны, соединенные с суставами протеза.

Рис. 11. LukeArm — разработка поколения  «Звездных войн».

      Еще одним чудом биомехатроники является искусственная рука SmartHand, разработанная международной группой ученых и впервые протестированная в 2009 году в университете Тель-Авива. Особенность данного протеза заключается в том, что, благодаря работе четырех электродвигателей и 40 датчиков, он не только имитирует движения руки человека, но и воспроизводит ощущения от прикосновения к объектам.

         Еще одна из самых последний разработок – протез компании BeBionic – не только способна выполнять все посылаемые нервной системой команды, но и оснащена пультом дистанционного управления, с помощью которого пользователь может самостоятельно настраивать функции руки, регулировать силу сжатия пальцев и т.п. (рис.13)

Рис. 12. Протез BeBionic управляется также

и с пульта управления.

      Однако единственным бионическим протезом руки, производство которого поставлено «на поток», является появившаяся на рынке в 2007 году искусственная рука i-LIMB Hand шотландской компании TouchBionics и разработанный на год позже ее вариант ProDigits, применяемый для протезирования пальцев. Благодаря регистрирующему посылаемые мышцами нервные импульсы сенсору и миниатюрным электромоторам такие протезы имитируют множество функций человеческой руки (рис.13).

Рис. 13. i-LIMB Hand – единственный бионический

протез руки, поставленный на поток.

      Появившаяся летом 2010 года последняя модификация протеза i-LimbPulse, кроме усиленной конструкции, способной удерживать груз весом до 90 кг, и большей подвижности, отличается от более ранних моделей наличием Bluetooth, посредством которого движения протеза и параметры реакции на мышечные импульсы можно настраивать в зависимости от потребностей пациента[7].

Практическая работа

2.1 Киборги среди нас

      Моей практической работой было узнать, как бионические протезы помогают людям с ограниченными возможностями.

     Одним из наиболее ярких персонажей, олицетворяющих современный этап протезирования, является родившаяся в 1976 году американка Айми Маллинс (Aimee Mullins). Айми Маллинс  - американская спортсменка, актриса, и модель, известная, в основном, своими необычными достижениями, сделанныминесмотря на болезнь, которая привела к ампутации обеих ног и инвалидности.Айми Маллинс родилась с врождёнными повреждениями малоберцовых костей, и врачи были вынужденыампутировать ей ноги ниже колен, когда ей был всего лишь один год. В студенческие годы девушка добилась выдающих результатов в соревнованиях по легкой атлетике, где она принимала участие наравне со здоровыми спортсменами (рис.14). Она также выходила на подиум в качестве модели (рис.15) и снялась в нескольких фильмах. Однако ее известность обусловлена преимущественно тем, что всех своих достижений она добивалась на красивых ножках-протезах(рис.16)[7].

                    

Рис. 14-16.  Протезы легкоатлета и модели АймиМаллинс.

      Культовой личностью для пользователей протезов является американский альпинист, инженер-биофизик, доцент Массачусетского технологического института Хью Герр (HughHerr), которому в 1982 году в возрасте 17 лет ампутировали обе голени, отмороженные во время альпинистского восхождения. С тех пор он одержим созданием протезов нижних конечностей, по всем параметрам превосходящих настоящие ноги (он является одним из создателей упомянутого выше коленного модуля RheoKnee). Герр является владельцем целого арсенала «ног» собственной разработки. В обычной жизни он пользуется протезами со спрятанными в туфлях пружинами из углеродного волокна, которые для утренних пробежек заменяет на длинные карбоновые дуги. Верный юношескому хобби Герр, изобрел множество специальных альпинистских протезов (рис.17), в том числе длинные алюминиевые протезы с небольшой резиновой стопой (рис.18), превращающие его в гиганта ростом 2,1 м, протезы со стопой в виде алюминиевых когтей и клиновидные протезы-ледорубы из полиэтилена[7].

                     

Рис. 17. Протез для альпиниста.                   Рис. 18. Протез помог Хью Герру заниматься   

                                                                                             скалолазанием.

           Нельзя не упомянуть и южно-африканского бегуна Оскара Писториуса (OskarPistorius) (рис.19), также в раннем детстве лишившегося обеих ног ниже колена В январе 2008 года Писториусу было запрещено принимать участие в обычных соревнованиях, так как проведенная специалистами экспертиза показала, что протезы дают ему определенное преимущество перед обычными спортсменами. Однако 22-летний бегун не сдался, подал апелляцию и уже в мае 2008 года выиграл дело, после чего ему разрешили проходить отбор на Олимпийские игры 2008 года. К сожалению, Писториусу не удалось выполнить нормативы, однако он надеется принять участие в Олимпийских играх 2012 года в Лондоне. Протезы которые раньше скрывали внешние дефекты заменились биомеханическими, которые реально помогают людям с ограниченными возможностями не только  вести обычный образ жизни, но и заниматься спортом (рис.20). Благодаря фиброкарбоновым протезам особой конструкции он стал победителем многочисленных параолимпийских забегов[7].

Рис.19 Оскара Писториус

     Паралимпи́йские игры — это международные спортивные соревнования для людей с ограниченными возможностями (кроме инвалидов по слуху.) Название первоначально было связано с термином paraplegia паралич нижних конечностей, поскольку эти соревнования проводились среди людей с заболеваниями позвоночника, однако с началом участия в играх спортсменов и с другими заболеваниями было переосмыслено как «рядом, вне (греч.παρά) Олимпиады»; имеется в виду параллелизм и равноправие паралимпийских соревнований с олимпийскими. Последние  паралимпийские игры прошли в Сочи в 2014 году. В соревнованиях на зимних Паралимпийских играх 2014 года приняли участие 555 спортсменов из 45 стран. Из Казахстана приняли 7 спортсменов с ограниченными возможностями. Спортсменами-инвалидами Казахстана было завоевано рекордное количество лицензий. Лучшее место на этой Паралимпиаде показала Кабира Аскарова – в соревнованиях по пауэрлифтингу она заняла 7-е место[7].

Рис. 20. Люди с ограниченными возможностями , занимающиеся спортом

     Ранее знаменитый французский пловец Филипп Круазон (рис.21) стал первым человеком, который сумел переплыть Ла-Манш, используя вместо обеих рук и обеих ног протезы. Теперь он ставит новые рекорды и уже покоряет водные просторы Индонезии. Там он проплыл 20 километров.

Рис.21. французский пловец Филипп Круазон

      В возрасте 27-ми лет Филипп лишился обеих ног, а также обеих рук ниже локтя в результате несчастного случая на производстве. Современная медицина предоставляет возможность использования протезов, которые во многом, облегчают нормальное существование человеку с таким уровнем физических ограничений. Но Филиппу этого показалось мало. Проходя физиотерапию в бассейне, Филипп Круазон обнаружил, что получает настоящее удовольствие от повышения нагрузок и так, незаметно для себя, перешёл из статуса гражданина с ограничением возможностей в категорию спортсменов-рекордсменов[7].

2.2. Беседа с другом.

      Как я уже говорил,  тему моего проекта я выбрал, потому что   меня есть друг, который в детстве, когда ему было 7 лет, попал под поезд и потерял одну ногу . Моего друга зовут Финк Александр, он ученик 8б класса СОШ № 30. Приглашая его на беседу, я ему честно признался, что работать над этой темой я решился после случая с ногой. Он  конечно же не обиделся, а даже был рад, что я эту тему могу затронуть на классном часе. Ведь игры на железной дороге для него были уроком. Он хотел затронуть тему об опасности железной дороги и поездов. Мы живём на Лесозаводе и железная дорога находится рядом. Некоторые  дети нашего микрорайона переходят эту железную дорогу, чтоб дойти до СОШ № 16 или на конечную остановку на берегу.

      В данное время Саша носит протез. По его словам, протез он меняет каждый год. Как и все дети, он хочет бегать, прыгать. Конечно же он не спортсмен, но ходит на плавание. У него много друзей, которые в любой момент готовый оказать ему помощь.   

Заключение.

    Гипотеза моей работы подтвердилась, если расширить возможности технологии, то  людям с ограниченными возможностями можно вести полноценный образ жизни

       С давних времен предметом черной зависти человека является способность некоторых земноводных отращивать утраченные конечности. К сожалению, мечта остается мечтой и пострадавшие на поле боя или в результате несчастных случаев люди вынуждены довольствоваться протезами, эволюционирующими одновременно с развитием используемых человеком технологий. Протезы для человека, потерявшего руку или ногу, когда-то были всего лишь немного лучше, чем ничего. В нынешнем веке они превратились в высокотехнологичные устройства, которые дают своему обладателю способности, превосходящие возможности обычного человека.

     В XIX веке врачи научились формировать культи, позволяющие прикреплять к ним более функциональные протезы. Сами протезы также усложнились, благодаря используемым при их изготовлении блокам, пружинам и различным механизмам они научились немного сгибаться. Однако техническая революция ХХ века, совершившая переворот во многих сферах жизни человека, не обошла стороной и протезирование. В результате, при наличии желания и определенных финансовых возможностей, человек может подобрать себе протез, не только заменяющий утраченную конечность, но и предоставляющий ему определенные преимущества перед простыми смертными, одновременно выступая в роли ультра-экстравагантного аксессуара. Самым последним достижением в области протезирования является разработка новой технологии – вживления протезов в кость. Основными преимуществами данной технологии является отсутствие риска натирания и травмирования культи, а также практически полный контроль над искусственной конечностью.

     В ходе своей работы, я пришёл к выводу что данная область науки стремительно развивается. Проанализировать собранную информацию, я узнал и убедился, что протезы которые раньше скрывали внешние дефекты заменились биомеханическими, которые реально помогают людям с ограниченными возможностями не только  вести обычный образ жизни, но и заниматься спортом.

     В заключении хочу сказать: Здоровье для человека—это главная жизненная ценность, а людей с ограниченными возможностями не бывает, ограниченными могут быть лишь возможности технологий.

Литература:

1.  . «Театральная биомеханика», статья из энциклопедии «Кругосвет»

2. Александер Р. — Биомеханика. Перевод с англ. И-во: МИР, М., 1970, с.

 3.Левин. Человек, разгадавший тайну живого движения. «Наука и жизнь» № 10, 2005

4. Клиническая биомеханика/Под ред. В. И. Филатова. — Л.: Медицина, 1980.— 200 с.

5. Угнивенко В. И., Никитин С. Е. Применение оптической компьютерной топографии для повышения эффективности назначения протезно-ортопедических изделий. Вестник гильдии протезистов-ортопедов, 2001. -№ 5, -C.35-39.

6. Донской Д. Д. Н. А. БЕРНШТЕИН И РАЗВИТИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ БИОМЕХАНИКИ Теория и практика физической культуры,  

7. Интернет ресурсы

http://www.geneticsafety.orgwww.nkj.ru/archive/articles/2099/

http://rosnanoworld.ru/category/nanotechnologii-v-medicine/

http://flogiston.ru/library/bernstein

http://lib.sportedu.ru/press/tpfk/1996n11/p4-9.htm