Protezy kończyn

3000 p.n.e. Najstarsza znaleziona i zidentyfikowana proteza należy do egipskiej mumii. Jest to duży palec u nogi (1) i liczy sobie ponad 5 tys. lat. Starożytni Egipcjanie byli pionierami w tej dziedzinie i jako pierwsi tworzyli protezy kończyn na większą skalę. Ta, znana dziś jako najstarsza, nie tylko pełniła funkcję estetyczną, ale wg naukowców poprawiała także balans ciała i pomagała okaleczonej osobie chodzić.

1. Egipska proteza

300 p.n.e. Pierwsza proteza nogi, która przetrwała do naszych czasów, znajduje się w muzeum w Londynie. Została znaleziona w grobie w Kapui i pochodzi przypuszczalnie z okresu ostatniej wojny samnickiej. Jest wykonana z drewna, skóry, brązu i żelaza.

II w. p.n.e. W Imperium Rzymskim także stosowano protezy. Pliniusz Starszy wspomina o rzymskim generale Marku Sergiuszu, który utraciwszy lewą rękę podczas bitwy, zdecydował się na dorobienie metalowej protezy przytwierdzonej do zbroi. Jej zadaniem było trzymanie tarczy, podczas gdy prawa ręka zajmowała się mieczem. Warto zwrócić uwagę, że ranga generała od tego czasu znacznie wzrosła, ponieważ sztuczna kończyna budziła postrach wśród wrogów i szacunek wśród przyjaciół.

1505 Gottfried "Götz" von Berlichingen, niemiecki rycerz, został ranny w oblężeniu Landshut. Kula trafi a w miecz, który z kolei odcina trzymającą go rękę i pozostawia rycerza okaleczonego. Ten, niepogodzony z losem, zamawia u rzemieślników mechaniczną dłoń (2). Nowa kończyna była prawdziwym cudem techniki. Mogła utrzymać miecz oraz pióro. Ze swej protezy Berlichingen uczynił znak rozpoznawczy, co widać na większości jego wizerunków.

2. Replika protezy "Götza" von Berlichingena

XVI w. Ambroise Paré (1530-1590) (3) najpierw odkrył prostszy niż stosowane dotąd sposób na tamowanie upływu krwi (związywanie żył i tętnic na supeł), a potem opracował projekt mechanicznej dłoni. Uczynił to pod wpływem fali samobójstw okaleczonych żołnierzy, którzy nie wyobrażali sobie dalszego życia bez utraconych kończyn. Nie tylko opracował anatomicznie odwzorowaną mechaniczną dłoń, ale także zajmował się nogami.

W jednym z jego projektów pojawia się pierwszy przykład blokowanego kolana (blokada stawu przy pozycji stojącej). Według jego wzorów protezy wykonywali z metalu najlepsi płatnerze. Stosował też u swoich pacjentów charakterystyczne drewniane szczudła. Wynalazł zawiasy mechaniczne i uprzęże specjalistyczne. Zaprojektował m.in. sztuczną rękę o nazwie le petit Lorrain. Miała stały kciuk i ruchome, sprężynowe palce.

3. Namalowany Ambroise Paré

1696 Holender Pieter Verduyn opracowuje pierwszą ruchomą protezę poniżej kolana, która później stała się wzorcem dla obecnego sztucznego stawu skokowego.

1800 James Pott konstruuje protezę mającą przegubowe połączenie stopy z podudziem, kontrolowaną przez ścięgna kikuta (pomiędzy kolanem a kostką). Znana była później jako "noga Anglesey" (od markiza Anglesey, który stracił nogę w bitwie pod Waterloo i używał tej właśnie protezy). Następnie w USA, w 1839 r., proteza otrzymała miano "nogi Selpho" (4) - od Williama Selpho, który przywiózł ją zza oceanu.

4. Szkice "nogi Selpho"

ok. 1812 Milowy krok w unowocześnianiu protez uczyniła medycyna podczas wojen napoleońskich. Jeden z francuskich chirurgów, Dominique-Jean Larrey, na tyłach frontu amputował kończyny (legenda mówi, że w ciągu kilku minut) znoszonym z pola walki ciężko rannym żołnierzom. Następnie mocowano im rzemieniami do kikuta drewnianą protezę, wsadzano na konia i samych odsyłano z linii frontu. Brzmi to dziś okrutnie, ale w praktyce okazywało się, że te błyskawiczne amputacje i protezowania ocaliły życie wielu żołnierzom. W innych przypadkach umieraliby z powodu zakażeń i martwic. W 1812 r. został opracowany prototyp protezy ręki, która mogła być kontrolowana przez przeciwny bark za pomocą podłączonej taśmy - podobnie jak hamulce rowerowe.

1818 Peter Ballif, niemiecki dentysta, zaprojektował protezy kończyn górnych i ramion, umożliwiające zgięcia i wyprosty palców.

1846 Benjamin Palmer poprawia "nogę Selpho", dodając przednią sprężynę i sztuczne ścięgna, aby lepiej symulować naturalny ruch.

1863 Dubois Parmlee konstruuje protezę z gniazdem ssącym oraz zamocowanie protez obydwu rąk i nóg. Kikut umieszczany w gnieździe wypychał teraz powietrze jednostronnym zaworem, dzięki czemu tworzyło się podciśnienie, które trzymało protezę na właściwym miejscu.

1865 Dużym krokiem w rozwoju szeroko rozumianego przemysłu protetycznego była decyzja, jaką podjął rząd amerykański po wojnie domowej (1861-1865). Ogromna liczba osób wymagających zaprotezowania wymusiła wówczas obietnicę pokrycia kosztów zaopatrzenia ich w taki sprzęt przez państwo. Spora ilość funduszy, jakie zostały przeznaczone na ten cel, umożliwiła otwarcie wielu placówek zajmujących się protezowaniem.

1868 Gustav Hermann proponuje wykorzystanie aluminium zamiast stali, aby uczynić sztuczne kończyny lżejszymi i bardziej funkcjonalnymi. Dopiero jednak w 1912 r. Marcel Desoutter wykonał pierwszą aluminiową protezę dla siebie, po tym, jak stracił nogę w wypadku lotniczym. W tym samym roku Dorrance skonstruował hak - protezę ręki, która z modyfikacjami stosowana jest po dziś dzień.

1898 Giuliano Vanghetti odkrywa możliwość przeniesienia do zasilania protezy skurczów zdrowych mięśni. Proteza ręki wyposażona w źródło energii, sterowana potencjałami bioelektrycznymi, została jednak skonstruowana dopiero w 1955 r., w Guy’s Hospital w Londynie.

5. Nowoczesna, sterowana mikroprocesorami, proteza kończyny dolnej

1946 Badacze na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opracowują gniazdo ssące dla protez kończyn dolnych. Tego rodzaju rozwiązania są stosowane do dzisiaj.

1970 Ysidro M. Martinez konstruuje przełomową protezę dolnej kończyny, która zamiast skupiać się na odtwarzaniu naturalnych ruchów ludzkich członków ogranicza tarcie i usprawnia chód. Martinez, który sam był po amputacji, znacznie poprawił wielu pacjentom komfort użytkowania protez.

1973 W Bioelektrycznym Instytucie Naukowym w Moskwie skonstruowano prototyp dłoni prawie tak sprawnej, jak żywa dłoń ludzka. Stało się to w ramach kontynuacji badań przeprowadzanych w Centralnym Instytucie Protez, w czasie których już w 1958 r. zbudowano prototyp ludzkiej dłoni sterowanej bioprądami.

Lata 90. Pojawiają się pierwsze konstrukcje protez kontrolowanych przez układy mikroprocesorowe (5).

1993 Firma Chas. A. Blatchford & Sons z Wielkiej Brytanii wprowadza tzw. protezy adaptywne, ze sterowaniem hydraulicznym i pneumatycznym. Mikroprocesor dostosowywał reakcje protezy do szybkości chodu (zobacz także: Egzoszkielety - skromniej znaczy skuteczniej).

2007 Na rynek wchodzi i-limb (6) - system, w którym kończyna odbiera sygnały mioelektryczne z kikuta i na ich podstawie porusza nadgarstkiem oraz palcami.

6. Proteza dłoni typu i-limb

7. Oscar Pistorius

15 lipa 2007 Na mitingu IAAF Oscar Pistorius (7) jako pierwszy niepełnosprawny biegacz wystąpił razem ze sprawnymi zawodnikami - poruszając się na specjalnych protezach z włókna węglowego. Wcześniej był wielokrotnym medalistą zawodów paraolimpijskich. Gdy zaczął konkurować z profesjonalnymi, w pełni zdrowymi zawodnikami, wiele osób uważało, że protezy dają mu nad nimi przewagę.

grudzień 2012 52-letnia Jan Scheuermann, od dziesięciu lat sparaliżowana od szyi w dół, dzięki naukowcom z Uniwersytetu w Pittsburghu, znów może poruszać ramieniem. Nie swoim co prawda, lecz mechanicznym. Początkowo lekarze przeprowadzili czterogodzinną operację, w czasie której do mózgu Jan wszczepiono setki maleńkich elektrod - umieszczono je w tym obszarze, który odpowiada za kontrolę prawej ręki. Następnie część czaszki zastąpiono sztucznym tworzywem - tak, by można było poprowadzić kable do specjalnych wtyków w głowie pacjentki.

Następnie lekarze zarejestrowali aktywność mózgu Jan w czasie, gdy wyobrażała sobie, jak rusza ramieniem. Jednocześnie, by wszystko było bardziej sugestywne, patrzyła, jak te same czynności wykonywane są przez mechaniczne ramię. Zaledwie dwa dni od rozpoczęcia treningu Jan była w stanie poruszać sztucznym ramieniem do przodu, do tyłu, na boki, do góry i w dół. W ciągu tygodnia nauczyła się kontrolować rękę na tyle, by móc podnosić przedmioty i bezpiecznie odkładać je w inne miejsce. Udało jej się nawet samodzielnie zjeść tabliczkę czekolady (8).

8. Sparaliżowana Jan Scheuermann je czekoladę

maj 2012 32-letnia Brytyka Claire Lomas, sparaliżowana od kilku lat od pasa w dół, wzięła udział w maratonie na protezach bionicznych (9). Pokonała trasę w szesnaście dni. Dziennie maszerowała 3 km.

9. Claire Lomas na trasie maratonu londyńskiego

2013 Zac Vawter z amerykańskiego Seattle testuje protezę nogi, którą da się kontrolować za pomocą myśli (10). Otrzymał ją w instytucie rehabilitacji w Chicago. Proteza jest połączona przewodami ze ścięgnem udowym, gdzie znajdują się łącza z nerwami. Impulsy przekazywane są do pokładowego komputera protezy, który zarządza mechaniką prostującą lub też zginającą kończynę.

10. Zac Vawter idzie z protezą nogi

luty 2014 Inżynierowie-bionicy zwracają Dennisowi Aabo Sørensenowi nie tylko rękę, ale również "czucie" w niej. Tak można by w skrócie opisać protezę opracowaną przez specjalistów z Politechniki w Lozannie i Włoskiej Szkoły Wyższej św. Anny w Pizie. Przetestował ją Duńczyk, który stracił rękę poniżej łokcia.

Odczucia dotyczące siły nacisku, kształtu i konsystencji dotykanych przedmiotów przekazywane są w tej konstrukcji z sensorów w dłoni przez nadajnik do elektrod wszczepionych do ramienia noszącego protezę. Te łączą się z końcówkami nerwów. Impulsy elektryczne transmitowane są więc do układu nerwowego i dalej do mózgu. To sprawia, że człowiek "czuje", co ma pod palcami i jak mocno nimi to coś dotyka. Po wstępnych testach przeprowadzono testy kliniczne, podłączając pacjenta do protezy codziennie, przez siedem dni, dając mu do wykonania różne zadania. Wypadły zadowalająco. Pacjent był w stanie wypełnić większość poleceń i widać było, że w czasie testów robił postępy.

październik 2014 Zbudowana na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers w USA neuroproteza ręki to, jak twierdzą branżowe media, pierwsza tego typu, "sterowana myślami", konstrukcja testowana klinicznie. Sterowanie możliwe jest dzięki nerwowo-mięśniowemu interfejsowi pozwalającemu na komunikację z urządzeniem za pomocą impulsów neuronowych.

Proteza po raz pierwszy została zintegrowana z ciałem pacjenta po amputacji kończyny jeszcze w styczniu 2013 r. Do wykonania tego połączenia naukowcy wykorzystali technikę nazywaną "osseointegracją" (zakotwiczoną na kości). Ciało pacjenta, mężczyzny ze Szwecji, zostało w pełni zintegrowane z protezą za pomocą wewnętrznych nerwowych połączeń z sensorami w protezie. Kontrola sztucznej kończyny przebiegała za pomocą zewnętrznych elektrod. Zastosowano komunikację dwustronną - proteza może przesyłać sygnały i bodźce do mózgu.

2015 Leslie Baugh (11), były elektryk, który czterdzieści lat wcześniej stracił obie ręce w wypadku, staje się pierwszym człowiekiem w historii, sterującym za pomocą myśli dwiema protezami swoich utraconych kończyn. System, który mu na to pozwala, jest dziełem fizyków i inżynierów z Uniwersytetu Johns Hopkins w Stanach Zjednoczonych. Protezy są połączone z nerwami ramion i górnej klatki piersiowej pacjenta. Twórcy systemu wykorzystali nerwy, które kiedyś poruszały rękami, ale przez lata były nieczynne. Zanim stworzono protezy, pacjent ćwiczył w systemie wirtualnej rzeczywistości, dzięki czemu oprogramowanie "nauczyło" się wzorów poruszania kończynami. Na tej podstawie stworzono cały system.

11. Leslie Baugh z protezami obu rąk

Rodzaje i typy protez kończyn

Protezy kończyn górnych

Stanowią skomplikowany problem konstrukcyjny - ze względu na różnorodność, złożoność oraz precyzję wykonywanych rękami czynności, którym powinny sprostać. Trudności ze stworzeniem sprawnych modeli wynikały przez lata z tego, że ludzka ręka składa się z 18 członów oraz 17 połączeń ruchomych, ma 22 stopnie swobody i 23 stopnie ruchliwości.

Od dawnej protezy, stanowiącej jedynie wypełnienie pustego rękawa, rozwój techniki w medycynie XX wieku doprowadził do zaprojektowania pomysłowych i precyzyjnych konstrukcji, łatwych w stosowaniu oraz umożliwiających wykonywanie podstawowych czynności. Dopiero w ostatnich 35 latach powstały w pełni funkcjonalne sztuczne ręce z napędem elektrycznym, pneumatycznym lub hydraulicznym.

Wymagania stawiane protezom kończyn górnych:

• konstrukcja sztucznej ręki powinna być dopasowana do ciężaru i wymiarów ręki naturalnej;
• powinny być łatwo sterowalne, przy małym zużyciu baterii;
• nie mogą emitować nadmiernego hałasu;
• system sterowania protezy musi umożliwiać chwytanie dowolnego przedmiotu z dużą dokładnością, dynamiką i odpowiednią siłą, w sposób zsynchronizowany, przez niezależny ruch palców i kciuka.

W zależności od wysokości amputacji wyróżnia się protezy:

• ręki i poszczególnych palców;
• przedramienia;
• przy wyłuszczeniu w stawie łokciowym;
• ramienia ze stawem łokciowym;
• przy wyłuszczeniu w stawie barkowym.

Sterowanie protezami można podzielić na czynne oraz bierne.

To drugie stosowane jest zazwyczaj u małych dzieci lub ludzi starszych, którzy nie mogą wykorzystywać zawieszenia sterującego. Poruszanie ręki jest uzyskiwane dzięki pomocy drugiej zdrowej kończyny. Ten typ sterowania wykorzystuje się głównie w celu maskowania kalectwa.

Sterowanie czynne obejmuje następujące metody:

1. sterowanie siłą mięśni;
2. sterowanie mechaniczne grupą mięśni;
3. sterowanie elektromechaniczne, w którym ruch palców zasilany jest za pomocą baterii;
4. sterowanie bioelektryczne - odbywa się ono poprzez mioelektryczne sygnały, powstające w mięśniach w miejscu przerwania ręki; jest ono jednym z najpowszechniej stosowanych rodzajów sterowań;
5. sterowanie za pomocą fal mózgowych - w ostatnich latach prowadzone są nad nim intensywne badania.

Protezy kończyn dolnych

Można je podzielić na dwie grupy:

• zewnętrzne,
• wewnętrzne.

Protezą zewnętrzną kończyny dolnej nazywamy sztuczną kończynę, zastępującą brakującą część kończyny naturalnej, zarówno pod względem podstawowych jej funkcji mechanicznych, jak i pod względem zewnętrznego jej kształtu.

Proteza wewnętrzna, inaczej endoproteza, jest implantatem czynno-biernym, czyli wszczepem zastępującym pod względem funkcji staw kolanowy lub biodrowy i współpracującym z tkankami biorcy. Zarówno protezy zewnętrzne, jak i wewnętrzne są elementami mechanicznymi, mającymi różnego rodzaju przeguby będące węzłami tarcia, zastępującymi naturalne stawy. Inny podział protez to:

• z jednym węzłem tarcia,
• z wieloma węzłami tarcia

Do pierwszej grupy można zaliczyć zarówno protezy z jednym, jak z dwoma i trzema stopniami swobody. Do drugiej nie należą te z jednym tylko stopniem swobody.

Mirosław Usidus