3D-печать и мечта о доступном протезировании
Каким бы удивительным ни было человеческое тело, оно, к сожалению, не так удивительно, как, например, тела аксолотлей, в том смысле, что у них могут отрастать целые конечности и даже больше. Это поставило нас, людей, перед необходимостью создавать искусственные конечности-заменители, чтобы восстановить некоторое подобие первоначальной функциональности, по крайней мере, до тех пор, пока регенеративная медицина не достигнет зрелости. Несмотря на это ограничение, люди стали очень искусны в изготовлении протезов конечностей, начиная с довольно простых протезов и заканчивая полностью сочлененными и красиво вылепленными конечностями, вплоть до современного функционального протезирования. Тем не менее, как и сто лет назад, сегодня протезирование зубов стоит недешево. В основном это связано с необходимостью индивидуального подхода, поскольку травмы у разных людей разные.
Когда в начале этого столетия наступила эра 3D-печати, постоянно утверждалось, что это сделает дешевое протезирование по индивидуальному заказу реальностью. К сожалению, этого не произошло по целому ряду причин. В связи с этим возникает вопрос о том, может ли 3D-печать вообще сыграть значительную роль в том, чтобы сделать протезирование более доступным, удобным и функциональным.
Что представляет собой протез ноги в Шэнцзиндяне, 300-200 гг. до н. э. (Фото: ХазииДозен, Викимедиа)
Требования к протезу зависят от пораженной части тела и от того, насколько она была утрачена. В археологических источниках мы можем найти примеры протезирования, датируемого примерно 3000 годом до нашей эры в Древнем Египте, в виде протезов пальцев ног, которые, вероятно, были в основном косметическими. Когда дело доходило до протезирования ног, их обычно изготавливали из дерева, что, по понятным причинам, делает археологические находки здесь несколько противоречивыми. Искусственная железная рука, которая, как полагают, когда-то принадлежала Гоцу фон Берлихингену (1480-1562). (Автор: Джон Каммингс, Викимедиа)
В то время как Плиний Старший упоминал о протезировании, таком как железная рука для генерала, первые физические свидетельства протезирования утраченной конечности были найдены в виде таких предметов, как нога из римской Капуи, сделанная из металла, и деревянная нога, найденная вместе со скелетом на кладбище Шэнцзиндянь эпохи железного века, датировалась примерно 300 годом до нашей эры. Все эти протезы были по сути статичными, обеспечивая способность стоять, ходить и хвататься за предметы, но по-настоящему функциональные протезы начали разрабатываться только в 16 веке. В наши дни у нас есть доступ к значительно более совершенным методам производства и материалам, 3D-сканерам и возможности измерять электрические токи, вырабатываемые мышцами для приведения в действие двигателей в протезе конечности, что называется миоэлектрическим управлением. Этот последний метод управления может быть значительным улучшением по сравнению со старым методом, при котором здоровая противоположная конечность частично управляет протезом, работающим от тела, с помощью какой-либо механической системы. Все это означает, что современное протезирование значительно сложнее, чем изготовление куска дерева или металла в форме конечности, и дает некоторое представление о том, почему 3D-печать может не дать ожидаемой экономии. Даже исторически конструкция функциональных протезов конечностей включала сложные, хрупкие механизмы, и независимо от того, был ли протез просто неподвижным или нет, он должен был включать в себя какую-то амортизацию, соответствующую функциям стопы и лодыжки, чтобы предотвратить передачу удара при каждом шаге прямо на культю. В конце концов, биологическая конечность — это гораздо больше, чем просто несколько костей, к которым прикреплены мышцы.
Подгонка по размеру
Инструкции по установке и уходу за амортизирующими и фиксирующими вкладышами для протезов. (Автор: Össur)
Возможно, наиболее важной частью протеза является его взаимодействие с телом. Этот элемент определяет уровень комфорта, особенно при использовании ножных протезов, и, следовательно, то, как долго пользователь может носить его без дискомфорта или негативных последствий для здоровья. Большие изменения здесь произошли в основном с точки зрения доступных материалов: пластик и аналогичные синтетические материалы пришли на смену дереву и коже прошлых лет.
Как правило, первая часть установки протеза на конечность включает в себя надевание силиконовой прокладки, подобно тому, как надевают носок перед надеванием обуви. Эта прокладка обеспечивает амортизацию и создает контакт с протезом. Например, вот инструкция по эксплуатации именно такой подкладки от Össur.
Эти подкладки подобраны по размеру и подгоняются под конечность, как изготовленные на заказ удобные носки. После надевания вкладыша и добавления дополнительной накладки для дистального конца следующим шагом является надевание гнезда, к которому крепится сам протез конечности. Крепление между гнездом и вкладышем может быть выполнено с помощью стопорного штифта, как показано на рисунке справа, или, в случае вкладыша-подушки, с помощью плотного уплотнения между вкладышем и гнездом. В любом случае вкладыш и гнездо не должны двигаться независимо друг от друга при натягивании — это движение называется «поршневанием».
При протезировании голени ниже колена остальная часть устройства находится под гнездом. в комплект входят опора и подножка, которые являются довольно стандартными. Детали, которые наиболее привлекательны для 3D-печати, — это вкладыш и насадка, поскольку они должны быть максимально адаптированы для конкретного пациента. Такие компании, как американская Quorum Prosthetics, действительно печатают эти розетки в 3D-формате и утверждают, что это действительно снижает трудозатраты по сравнению с традиционными методами, но использование ими дорогостоящего коммерческого 3D-принтера означает, что конечная стоимость одной розетки примерно такая же, как при использовании традиционные методы, даже если они подходят несколько лучше.
Переносная система Limbkit, включающая в себя 3D-принтер и мастерскую. (Фото: Operation Namaste)
Это подчеркивает, пожалуй, самый важный момент в использовании 3D-печати для протезирования: чтобы сделать его по-настоящему дешевым, вы также должны использовать более высокотехнологичные решения, доступные даже любителям по всему миру. Это то, что делает, например, компания Operation Namaste, используя 3D-печатные формы из медицинского силикона для создания вкладышей, а также автономную систему Limbkit для сканирования и печати разъемов на месте в PETG. Затем это гнездо можно укрепить стекловолокном и дополнить опорой и ножкой, создав индивидуальный протез ноги за долю времени, которое обычно на это уходит.
Основатель Operation Namaste Джефф Эренстоун в 2023 году написал статью о рекламе и реальности 3D-печати. протезирование, а также о том, как он начал заниматься этой темой. Следует отметить, что недорогие методы, которые его компания Operation Namaste предлагает, в частности, странам с ограниченными ресурсами, не совсем соответствуют протезам, которые вы могли бы получить в других местах, но они предлагают решение, которого раньше не существовало, по приемлемой цене.
До слияния этого мира с западными медицинскими системами и страховыми компаниями, безусловно, еще далеко. Аддитивное производство все еще находится в стадии тестирования и только постепенно интегрируется в западные медицинские системы. На определенном уровне это вполне объяснимо, поскольку оно сопровождается множеством звездочек, которых нет в традиционных методах производства.
Вероятно, не стоит напоминать, что протез, напечатанный на FDM-принтере, с защелкой или переломом — это далеко не то же самое, что виджет, напечатанный на 3D-принтере. Вы же не хотите, чтобы ваши кости внезапно сломались, а на Западе дефектное протезирование является желанным источником дорогостоящих судебных исков для юристов.
Как заставить его работать
Как упоминалось ранее, протезы конечностей — это не только вкладыши и гнезда. Миоэлектрическое управление, в частности, является довольно недавней инновацией, которая распознает электрические сигналы от активации скелетных мышц, которые затем используются для активации определенных двигательных функций протеза конечности, а также протеза кисти. Использование мышечной и нервной активности является предметом многих современных исследований, касающихся протезирования, причем не только для движения, но и для обратной связи. В идеале те же нервы, которые когда-то контролировали утраченную конечность, кисть или палец, можно использовать снова, а также нервы, которые раньше обеспечивали осязание, температуру и многое другое. Будет ли это связано с хирургическим вмешательством в упомянутые нервы или с каким-то интерфейсом мозг-компьютер, пока неизвестно. Еще предстоит выяснить, как это исследование повлияет на будущее протезирование, но вполне возможно, что по мере совершенствования искусственных конечностей в этой области будет применяться аддитивное производство, что станет следующим этапом после внедрения пластмасс и других синтетических материалов. материалы.
Другие статьи: