Протезы: от Длинного Джона Сильвера до "Человека ценой в шесть миллионов долларов"

Возможно, многие из нас знакомы с протезами благодаря одному из героев романа "Остров сокровищ" - пирату, по прозвищу Длинный Джон Сильвер. Потеряв ногу в сражении, он заменил ее деревяшкой, для которой в настиле палубы возле штурвала было сделано специальное углубление, чтобы ему было удобнее стоять у руля. Помним мы и капитана Хука^* из пьесы "Питер Пэн": ему крокодил откусил руку, и вместо кисти у него был железный крючок - оружие, достойное пирата, но, разумеется, не подходящее для тонких манипуляций. А ведь именно деревянные ноги и крючки сотни лет служили людям протезами - заменителями недостающих конечностей.

^* (Хук (hook) - по-английски "крючок", Прим. ред.)

Но есть бионическое приспособление с гораздо более давней - хотя на первый взгляд и менее драматической историей - это искусственные зубы. Зубные протезы существовали в Древнем Египте 3000 лет назад: фараоны заменяли выпавшие зубы зубами из слоновой кости или просто из кости, прикрепленными тонкой золотой проволокой. Римские дантисты также умели весьма хитроумно вырезать и прикреплять фальшивые зубы из костей животных или человека. Если зубы были хорошо выпилены, то и служили они хорошо, но пристроить фальшивые зубы к деформирующейся поверхности чьей-то челюсти - дело мудреное. В XV в. зубные протезы представляли собой зубы, вырезанные из слоновой кости и прикрепленные к деревянной пластинке, прикрывающей челюсти: такой протез был столь неудобен, что пользовались им с чисто косметической целью, во время еды его вынимали. Позднее, в XIX столетии, протезисты позаимствовали у ювелиров технологический прием, называемый "штамповкой", и стали изготовлять зубные протезы, которыми можно было пользоваться и для пережевывания пищи. Применяя свинцовые и цинковые формы, полученные со слепков челюстей конкретного человека, дантисты "штамповали" золото по этому слепку, затем приклеивали к нему плотную резину, а к ней крепили фарфоровые зубы. И только в 30-х годах текущего столетия эти материалы уступили место акриловым пластмассам, которые используются и по сей день.

Однако даже самые сложные зубные протезы кажутся пустяком по сравнению с новыми хитроумными изобретениями в области протезирования.

Бионическое зрение

Если не считать очков, изобретенных китайцами в X в., мы не располагали никакими искусственными приспособлениями, которые могли бы вернуть человеку зрение. Но теперь бионика сделала реальностью восстановление зрения во многих случаях, прежде считавшихся совершенно безнадежными.

Помутнение роговицы обычно происходит в результате механического повреждения или не вполне понятных изменений в химическом составе глаза. Но эти изменения приводят к тому, что наружная прозрачная оболочка глаза, так называемая роговица, которая пропускает видимый глазом свет, становится мутной и постепенно человек слепнет. Это заболевание, чаще всего возникающее в пожилом возрасте, ранее умели лечить только одним способом - пересадкой роговицы от трупа.

Обычно достаточно пересадить лишь часть роговицы, но иногда повреждения так сильны, что приходится заменять ее полностью. Однако из четырех полных пересадок роговицы удается только одна: это объясняется тем, что жидкость внутри глаза находится под давлением, и трансплантат очень трудно удержать на месте в течение месяца - срока, необходимого для его приживления. Кроме того, стоит больному чихнуть или закашляться - и пересаженная роговица может сместиться.

Эта проблема вынудила Уильяма Стоуна, хирурга-офтальмолога Массачусетского приюта для глухих и слепых в Бостоне, заняться созданием бионического заменителя поврежденной роговицы из прозрачного акрила - точно такого, какой идет на изготовление зубных протезов и ветровых стекол в кабинах реактивных истребителей. Пластиковая роговица ввинчивается в гнездо, напоминающее крохотную кнопку, и эта кнопка прикрепляется швами на поверхности глаза прямо напротив зрачка. Ввинчивающаяся пластиковая роговица, которую можно вывинтить или заменить другой по рецепту врача, вживлена уже 400 больным.

Медицинская техника снабдила нас и бионическим хрусталиком. Хрусталик глаза, находящийся непосредственно за радужной оболочкой, часто мутнеет вследствие катаракты. От этого он темнеет и рассеивает или не пропускает падающий на глаз свет. Обычно от катаракты избавляются путем хирургического вмешательства. Хирург делает маленькое отверстие в оболочке глаза (так называемом белке), подводит к нему небольшой высасывающий прибор и извлекает хрусталик из глаза. После такой операции накладывается шов, и свет снова свободно проникает в глаз.

К сожалению, лишенный хрусталика глаз не способен фокусировать лучи света самостоятельно - больной нуждается в толстых очках или в контактных линзах. Пользование очками сопряжено с большими неудобствами, приходится менять очки, если нужно перевести взгляд с близкого объекта на отдаленный; при этом вести машину, например, очень трудно. Некоторый выход из положения сулит использование контактных линз, настроенных на средние расстояния, в сочетании с бифокальными очками, но не все могут спокойно носить контактные линзы.

Д-ру Норману Джаффу из Университета в Майами удалось решить эту проблему: он изобрел искусственный вживляемый хрусталик. Из полиметакрилата - вещества, близкого к акрилу, применяемому для создания искусственной роговицы, - вытачивается крохотный бионический хрусталик с точной, фиксированной фокусировкой: хрусталик помещается в мягкое кольцо из дакроновых волокон. Это кольцо, вшиваемое позади радужной оболочки, служит своеобразным якорем, который удерживает хрусталик против зрачка. Пластиковый хрусталик не способен менять фокус, но в сочетании с очками можно достигнуть почти стопроцентного зрения. Теперь такими искусственными хрусталиками заменяют помутневшие от катаракты хрусталики не менее сотни хирургов в США.

Но повреждение хрусталика или роговицы далеко не единственная причина слепоты. Большинство из 110 000 жителей США, полностью лишенных зрения, потеряли его из-за более серьезных повреждений глаз. Одна из форм слепоты, в настоящее время не поддающаяся лечению, - глаукома, при которой жидкость позади хрусталика, называемая aqueous humorx выделяется в избытке; при этом ее давление возрастает настолько, что разрывает нежные светочувствительные слои сетчатки. Также неизлечимы в настоящее время случаи слепоты от болезней, вызывающих дегенерацию глазного нерва, и врожденных болезней, при которых травмированы сетчатка или нервы, связывающие ее с мозгом. Однако и в этих случаях появилась некоторая надежда, которую сулит нам технология телевидения.

Телевизионная камера работает примерно по такому же принципу, что и глаз: в ней свет, пройдя через фокусирующее устройство, преобразуется в электрические импульсы. Природа и форма импульсов, посылаемых телекамерой, сильно отличаются от импульсов, посылаемых глазом к мозгу, но теоретически возможно применять электрические импульсы от телекамеры, для того чтобы вызвать зрительные ощущения в мозгу.

Офтальмолог Уильям Добелл, директор отделения нейропротезирования Института биомедицинской инженерии при Университете штата Юта, изучив импульсы, которые нормальный глаз посылает в мозг при раздражении светом, изобрел специальный компьютер, который мог бы преобразовывать импульсы от телекамеры в импульсы, подобные испускаемым сетчаткой глаза. Затем Добелл сделал квадратики из тефлона и платины и вживил их двум слепым добровольцам внутрь черепной коробки поблизости от тех участков головного мозга, где получаемая с помощью глаза информация преобразуется и превращается в видимый образ. Маленькие электрические датчики в головах добровольцев были подключены к телекамерере, которая была наведена на несколько предметов самой простой формы. Едва электрические раздражения достигли датчиков, как оба испытуемых заявили, что "видят" вспышки света (так называемые фосфены). По свидетельству Добелла, один из больных, потерявший зрение 28 лет назад, утверждал, что улавливает бесцветные, мерцающие фосфены размером примерно с монету, видимую на расстоянии вытянутой руки.

Ученый продолжал работать над своим изобретением и создал систему искусственного зрения, которая позволила 33-летнему мужчине, лишенному зрения на протяжении 10 лет, подключиться к компьютеру, дающему человеку возможность "видеть" электронные сигналы в своем мозгу. В зрительные участки мозга испытуемого было вживлено 64 электрода, и от каждого электрода через отверстие в черепе шла тоненькая проволочка к графитовому штеккеру, вшитому в кожу. При включении штеккера в компьютер, соединенный с телекамерой, слепой человек получает возможность читать буквы по Брайлю в виде точек света и различать вертикальные и горизонтальные линии. По мнению Добелла, его эксперимент делает реальными долгосрочные имплантации. Как он полагает, со временем в глазницу слепого будет помещаться телекамера, связанная через миниатюрный компьютер с вживленными в мозг электродами. И хотя потребуется еще немало экспериментов, чтобы от простых схематических рисунков перейти к более сложным черно-белым изображениям, Виллем Кольфф, пионер бионических исследований, уверен, что в конце концов искусственное зрение подобного типа позволит слепым видеть изображения, напоминающие "картины на световом табло Хьюстонского космодрома".

Добелл напоминает, что развитие любого искусственного органа происходит постепенно: "Вначале возникает предположение, затем появляется надежда и только потом открываются перспективы. Несомненно, что сенсорные протезы уже перешли от стадии задумок к той стадии, когда появляется надежда". Будем надеяться, что перспективы откроются в ближайшем будущем.

Бионический слух

Некогда единственным приспособлением для тугоухих был слуховой рожок. Похожий на воронку рожок приносил некоторую пользу тем, чей слух пострадал от окостенения, или оссификации, трех основных слуховых косточек среднего уха (молоточка, наковальни и стремечка); с увеличением жесткости косточки все хуже передают звуковые колебания через внутреннее ухо в мозг. Такой вид потери слуха носит скорее механический характер, в отличие от повреждений слухового нерва или внутреннего уха, поэтому приспособления, усиливающие звук, попросту увеличивают амплитуду звуковых колебаний и частично компенсируют потерю слуха, обусловленную окостенением косточек среднего уха. Но слуховой рожок усиливает звук очень незначительно, и нужны были другие усилители.

Когда Сэмюэл Морзе в 1837 г. изобрел телеграф и появилась целая сеть коммерческих телеграфных станций, электричество вошло в быт и стало широко применяться. Александер Грейам Белл, оценив колоссальные возможности, заключавшиеся в передаче сигналов посредством электричества, начал поиски способа преобразования звуковых колебаний в электрические и обратно. Он не ставил себе цель - изобрести телефон, а хотел помочь людям, потерявшим слух. В 1876 г. Белл сумел добиться превращения звуковых сигналов в электрические импульсы и обратно, в результате чего появился телефон, а не слуховой аппарат. Но это в высшей степени полезное изобретение Белла не могло усиливать звук. В 1885 г. был изобретен электрический трансформатор и стало возможным эффективное усиление звука. В 1902 г. Миллер Рис Хатчинсон сконструировал первый электрический слуховой аппарат. Со временем транзисторы и микроминиатюрные схемы позволили сделать аппарат настолько компактным, что он помещается в слуховом проходе или за ухом.

Но хотя множество случаев тугоухости может быть облегчено при помощи слуховых аппаратов, по подсчетам, 300 000 американцев страдают более серьезными формами глухоты, которые требуют совершенно иного подхода. Зачастую задача решается простой имплантацией бионического эквивалента поврежденных слуховых косточек. Такая операция разработана в 1952 г. д-ром Сэмюэлем Розеном в Нью-Йорке. Тефлоновый заменитель, напоминающий короткий штифтик с круглой головкой, вводится а среднее ухо через крохотное отверстие в барабанной перепонке, а поврежденные слуховые косточки удаляются. Один конец имплантированного "штифта" касается "окошечка" улитки, находящейся во внутреннем ухе, а другой - барабанной перепонки. Достигая барабанной перепонки, звуковые колебания преобразуются в механические и передаются к отверстию ("окошечку") внутреннего уха через новую искусственную деталь. Жидкость, находящаяся внутри улитки, передает колебания дальше, и они раздражают мельчайшие нервные окончания, которые преобразуют механические звуковые колебания а электрические импульсы, посылаемые в мозг. Во многих случаях имплантат Розена восстанавливает слух почти до нормального. В одних только США ежегодно проводится около 5000 таких операций.

Но во многих случаях глухота появляется из-за неспособности нерва воспринимать звуковые колебания из внутреннего уха и превращать их в электрические импульсы. Тефлоновый имплантат в таких случаях не поможет - нужно искать другие способы восстановления слуха. Группа исследователей под руководством д-ра Уильяма Хауза из Института исследования слуха в Лос-Анджелесе проводит эксперименты с бионическим электронным имплантатом, который преобразует звук в электрические колебания, непосредственно поступающие в слуховые участки коры головного мозга.

Электронное "ухо" состоит из миниатюрного микрофона и усилителя, который превращает звук в очень слабый электрический ток. Это электронное устройство вживляется прямо в ухо, заменяя собой и барабанную перепонку, и косточки среднего уха. Слуховые нервы передают информацию в мозг посредством сложного процесса преобразования химической энергии в электрическую. Бионический имплантат, выполняющий функции искусственной барабанной перепонки, среднего уха и слухового нерва, располагается во внутреннем ухе возле поврежденного слухового нерва и путем электрического раздражения заставляет его нести звуковую информацию в мозг. В предварительных экспериментах изобретение Хауза позволило совершенно глухим людям различать звуки телефонного или квартирного звонка. Пока исследователям не удалось добиться того, чтобы глухие различали звуки обычной речи, но надо надеяться, что по мере совершенствования аппаратов результаты будут улучшаться.

Все недостатки обычных слуховых аппаратов - невысокая точность воспроизведения звука, плохая обратная связь, необходимость точной пригонки по форме уха и видимый снаружи прибор - будут устранены при создании полностью вживляемого устройства. Уже сейчас такой слуховой аппарат вполне осуществим, не хватает только миниатюрного перезаряжающегося аккумулятора в качестве источника питания этого "внутреннего уха". Современные батарейки требуемого размера недостаточно долговечны и "садятся" через несколько недель, а заменять батарейку хирургическим путем каждые две недели нецелесообразно.

Но совсем недавно была создана батарейка для искусственного кардиостимулятора, которую можно заряжать, не извлекая из тела больного. И хотя она слишком громоздка для вживления в ухо, д-р Ричард Гуд из Станфордского медицинского центра, изобретатель слухового имплантируемого аппарата, надеется, что скоро удастся сконструировать батарейки размером с небольшую монету или даже меньше. В 1976 г. Гуд заявил, что появления в продаже готовой к употреблению модели вживляемого слухового аппарата следует ожидать в ближайшие пять лет.

Бионические конечности

За последнюю четверть века деревянная нога Длинного Джона Сильвера превратилась в нечто более близкое к бионическим конечностям Стива Остина, героя "Человека стоимостью в шесть миллионов долларов". Большинство усовершенствований бионических рук обязано своим появлением исследованиям Комиссии по атомной энергии (КАЭ), начатым в 50-х годах.

С развитием ядерной техники приходилось изобретать способы, которые позволяли бы технику на расстоянии достаточно точно и эффективно манипулировать с радиоактивными веществами. Например, для формирования капсул с плутонием заданного веса требуется высокая точность, а для того, чтобы поднимать свинцовый контейнер, нужна огромная сила. Первое бионическое приспособление для этой цели представляло собой металлическую "перчатку", точно пригнанную по руке техника, который находился в экранированном помещении и следил за результатами своих действий через толстенные стекла. Перчатка была связана сложными электронными устройствами с мощными гидравлическими манипуляторами во внутреннем помещении. Чувствительные датчики в перчатке измеряли каждое движение техника и посылали электрические импульсы к гидравлическим насосам, двигавшим манипуляторы.

Манипуляторы могли вращаться, захватывать, наливать жидкость и повторять почти любое движение человеческой руки. Необходимо было, чтобы они очень точно чувствовали давление, иначе легкое движение руки техника могло раздавить какой-нибудь ценный ядерный компонент. Для таких тонких работ были созданы чувствительные к давлению сенсоры из пьезоэлектрических кристаллов - тех самых, которые давно используются в звукоснимателях проигрывателей для преобразования вибраций иглы в электрические сигналы.

Примерно в то же время в Англии производились исследования в области миоэлектричества ("миос" по-гречески "мышца"), т. е. электрических токов, возникающих на поверхности мышцы, когда она получает через нерв импульс, вызывающий сокращение. Это привело к созданию электрических сенсоров, которые точно измеряли электрический заряд, возникающий на поверхности мышцы во время сокращения, и усиливали его до величины, достаточной, чтобы двигать искусственную бионическую конечность.

Появление пьезоэлектрических сенсоров для измерения давления и миоэлектрических сенсоров, способных ощущать сокращения мышц, в сочетании с электронными схемами, позволяющими превратить движения руки в движения манипуляторов, дало возможность сконструировать бионическую руку, способную чувствовать давление на "пальцах" и точно реагировать на электрические импульсы, возникающие в культе человека. Такую руку вполне можно было бы сконструировать, если бы электронное оборудование манипуляторов в 50-х годах не занимало несколько комнат, а движения не производились бы за счет мощных гидравлических насосов весом в несколько тонн.

В 1952 г. восьмилетняя Карен Мак-Киббен заболела очень тяжелой формой полиомиелита, после чего у нее были парализованы руки и ноги. Ее отец, Джозеф Мак-Киббен, физик-ядерщик, работавший на государственной службе в Лос-Анджелесе, решил попробовать некоторые методы, разработанные КАЭ, пытаясь вернуть дочери способность двигать руками. В сотрудничестве с д-ром Верноном Никкелем, хирургом-ортопедом из Протезного института Ранчо де Лос Амигос в Лос-Анджелесе, где велась большая работа по созданию искусственных конечностей, Мак-Киббен сконструировал пневматическую мышцу. Она представляла собой трубку, сплетенную из лески наподобие китайской объемной головоломки, что позволяло ей сжиматься и растягиваться, как настоящей мышце. В трубку Мак-Киббен поместил узкий, не пропускающий воздуха баллон. Когда баллон наполнялся углекислым газом, трубка становилась толще и короче, совсем как сократившаяся мышца.

Это чрезвычайно простое и легко изготовляемое приспособление легло в основу двигателя бионических конечностей в 50-х годах. Баллоны, заключенные в сетку из тонкой проволоки, наполнялись углекислым газом, хранившимся в небольшом цилиндре. Когда требовалось сократить мышцу, газ быстро заполнял баллон; для ее расслабления открывался специальный клапан, и газ выходил наружу. К сожалению, это был слишком шумный и громоздкий протез, к тому же годился он только для тех, кто не мог двигать руками, а не для тех, у кого руки были ампутированы.

Но с тех пор появились новые достижения. Исследования космоса потребовали такой миниатюризации электронных приборов, что все электронное оборудование, во время первых опытов КАЭ занимавшее несколько комнат, теперь легко размещалось внутри легкой пластиковой бионической руки. Появились и крохотные электромоторы, развивающие значительную мощность при потреблении очень малых количеств электроэнергии. Все эти приборы в сочетании с электрическими и пьезоэлектрическими сенсорами позволили ученым сконструировать настоящую бионическую руку.

Рейд Хилтон, 24-летний мастер каратэ из Санта-Ана (Калифорния), потерял правую руку ниже локтя в автомобильной катастрофе. На его счастье, группа ученых в госпитале Ранчо де Лос Амигос, возглавляемая Вертом Муни, только что закончила конструировать образец бионической руки весом в 3,2 кг, которая приводилась в движение перезаряжаемым электрическим аккумулятором и крохотными моторами, помещенными внутри руки. Рука, которую Хилтону прикрепили в 1975 г., показывала на динамометре силу захвата 16 кг при средней цифре для мужчин 10 кг. Связанная электрическими контактами с мышцами предплечья, эта рука действует почти как настоящая, выполняя практически все движения, вплоть до таких тонких, как собирание мелких предметов с пола или завязывание шнурков на ботинках, - не говоря уже о более широких движениях, принятых в каратэ. В кончиках пальцев имеются пульсирующие сенсоры, которые посылают сигналы обратной связи, предотвращая слишком сильное давление на предметы. В 1976 г. Муни сказал, что в ближайшие пять лет может быть налажено промышленное производство таких рук для всех, кто в них нуждается.