Сучасні технології протезування кінцівок на сьогодні є одним із найкритичніших напрямів української інженерії, де інноваційні розробки науковців безпосередньо впливають на якість життя ветеранів та їх інтегрування в суспільство.
Серед науковців Львівської політехніки, які успішно працюють над цією тематикою, — аспіранти Руслан Копоть та Олексій Дідковський. Вони успішно поєднали свої дослідження, адже працюють у тандемі, вдосконалюючи протези й сенсори до них.
Від капуанської ноги до біонічного протеза
Потреба протезування кінцівок з давніх-давен була спричинена війнами. Прикладом перших протезів є археологічна знахідка понад дві тисячі років тому — капуанська нога з бронзи, дерева та шкіри (на жаль, втрачена під час Другої світової війни), а також дерев’яний палець єгипетської шляхтянки. У часи Середньовіччя та Ренесансу лицарям, які втрачали кінцівки, ковалі й зброярі встановлювали залізні руки, що за допомогою складної механіки давали змогу тримати меч і щит.
Одним із піонерів сучасної хірургії та протезування був французький хірург Амбруаз Паре, який удосконалив механічні протези з рухомими шарнірами для ліктя й коліна.
Сучасна індустрія протезування ветеранів сформувалася в другій половині XIX століття у США. Причиною того стали масові ампутації після Громадянської війни (1861–1865), коли шалено зросла потреба у штучних кінцівках.
Перша та Друга світові війни дали потужний поштовх удосконаленню протезів: їх почали виготовляти серійно, використовуючи легші матеріали, а також розробляючи ефективні механічні системи керування штучною рукою.
У XXI столітті війни стимулюють розвиток біоніки. Завдяки досягненням робототехніки, електроніки та штучного інтелекту сучасні протези за своїми функційними можливостями дедалі більше наближаються до людських кінцівок.
У питанні розвитку протезування одним зі світових лідерів є Україна, що стала центром інновацій і практичного досвіду. Понад сто років тому в Харкові, Києві та Львові почали створювати перші великі майстерні та наукові інститути протезування. Зі здобуттям незалежності в Україну прийшли західні технології. А з початком російської агресії у 2014 році Україна зіткнулася з великою кількістю втрат кінцівок військовослужбовців. Після повномасштабного вторгнення ця проблема ще більше загострилася.
Відтак українські науковці взялися створювати власні технологічні продукти, інтегруючи робототехніку та штучний інтелект. Цей напрям стрімко розвивається, тож щиро віриться, що невдовзі український протез як за зовнішнім виглядом, так і за внутрішнім наповненням буде важко відрізнити від людської кінцівки.
Розробки нового покоління
Науковці кафедри інтелектуальної мехатроніки і роботики (ІМР) Інституту комп’ютерних технологій, автоматики та метрології активно розвивають напрям інтелектуалізованих біомеханічних засобів для протезування та реабілітації. Саме тут створюють технології, покликані повернути людям втрачені можливості. Над цими розробками працюють аспіранти кафедри: третьокурсник Руслан Копоть і другокурсник Олексій Дідковський. Об’єднавши знання з механіки, електроніки та інформаційних технологій, вони створюють нові рішення у сфері біонічного протезування. Сучасні електромеханічні моделі кінцівок дослідники поєднують із сенсорами, які «оживлюють» протези: формують і передають сигнали, забезпечують зворотний зв’язок і дають змогу керувати їхніми рухами.
Науковців об’єднує спільне бачення сучасного протеза, максимально наближеного до природної кінцівки. Досягти цього можна, поєднавши продуману конструкцію з інтелектуальним сенсором, який зчитуватиме сигнали людського тіла й передаватиме їх протезу. Саме завдяки цьому він рухатиметься майже так само природно, як справжня кінцівка.
Як війна змінила наміри молодого науковця
Руслан Копоть після завершення бакалаврату з комп’ютерних наук у Львівському національному університеті імені Івана Франка продовжив навчання в магістратурі, а згодом і в аспірантурі Львівської політехніки. Протезуванням цікавився ще з дитинства, однак у студентські роки обрав програмування й певний час був переконаний, що саме воно стане справою його життя. Для роботи у сфері протезування, вважав він, потрібно мати ще й медичну освіту.
Та війна змінила його плани: нині молодий науковець не лише досліджує сучасні технології протезування, а й працює з військовими, допомагаючи створювати для них протези втрачених кінцівок. Вважає, що кожен успішно підібраний протез — це не просто технічне рішення, а шанс для людини повернутися до активного життя.
— Свою аспірантську роботу я спрямовую на дослідження і вдосконалення протезів верхніх кінцівок. Саме вони потребують більшого вивчення, адже у світі ампутацій верхніх кінцівок менш як 15 % порівняно з нижніми. У нашій країні через війну їх кількість стрімко зростає. Тому хочу дослідити цю сферу, створити щось нове або вдосконалити вже наявні рішення, щоб люди, які постраждали від війни, насамперед військові, могли максимально відновити втрачені функції. На жаль, навіть сучасні протези, хоч би які були дороговартісні, у найкращому разі на 50 % відновлюють повноцінний рух.
На думку співрозмовника, попри те, що цей напрям в Україні до повномасштабного вторгнення майже не був популярним, цілком реально розвивати свій якісний продукт і таким чином надавати людям, які нас захищають, можливість знову жити повноцінно.
Молодий науковець взяв собі за мету створити власні рішення або модернізувати вже наявні технології. Практичний досвід роботи з такими протезами допомагає бачити, які саме технічні нюанси потребують доопрацювання. А певний досвід протезування верхніх кінцівок дає йому розуміння, як зробити їх більш функціональними.
Руслан пояснює цікаву закономірність: що меншу частину кінцівки втрачено, то складніше створити для неї ефективний протез. Саме тому під час ампутації лікарі намагаються сформувати куксу так, щоб у майбутньому протезування було максимально успішним.
Останніми роками в Україні активно розвивається напрям остеоінтеграції — технології вживлення протеза безпосередньо в кістку. Практика свідчить, що такий метод значно полегшує користування протезом і поліпшує якість життя пацієнтів.
— А як щодо вашого переконання про те, що інженери з протезування повинні мати медичні знання? Ви досі дотримуєтеся цієї думки?
— Звісно, що так. Вважаю: якщо є велике бажання, можна опанувати основи будь-якої галузі, як у моєму випадку з протезуванням. Тобто треба знати не тільки технічну частину, а й анатомію. Наразі в Україні триває реформа системи протезування. Відповідно до нових вимог, кожен протезист повинен мати базові медичні знання, щоб безпосередньо працювати з пацієнтом. Думаю, це зменшить кількість випадків, коли вироби створюють без урахування анатомічних даних людини. Але все-таки я вважаю, що тут, як у програмуванні, багато речей можна вивчити на практиці. У моїй компанії діють курси підвищення кваліфікації, де кожен працівник має нагоду набути базових знань з медицини. Це дає змогу якісно створювати протези з урахуванням індивідуальних особливостей кожного пацієнта.
Одним із напрямів, що останні три роки активно розвивається в Україні, є остеоінтеграція. Вживлення протеза безпосередньо в кістку значно полегшує життя людям з ампутаціями, і дедалі більше практичних випадків підтверджують ефективність цієї технології.
Сенсори, що оживлюють
Саме вони стали цариною досліджень Олексія Дідковського. Науковець вивчає інтелектуалізовані біомедичні сенсори, які вимірюють найрізноманітніші параметри організму — від біохімії крові до кутів у суглобах. Це безмежне поле, що потребує ґрунтовного вивчення.
— Ми рухаємося, у широкому філософському сенсі, до глобальної цифровізації всього, що нас оточує: до інтернету речей, автоматичних моніторингових систем, до того, що спрощує людині догляд за своїм здоров’ям і допомагає лікарям ефективніше проводити терапію та реабілітацію.
— Чому саме ця тематика вас зацікавила?
— По-перше, сучасність диктує нам певні потреби. Свого часу Перша світова війна спричинила вибух розвитку пластичної хірургії та протезування. Сьогодні ж ця сфера виходить на абсолютно новий технологічний рівень із ширшими можливостями. Однозначно, це корисно суспільству. По-друге — це просто захопливо, адже моя мета — максимально повернути людині працездатність. Також мені подобаються розумні машини. Наприклад, фітнес-трекер розпізнає, коли ти спиш, а коли йдеш, а потім він уважно аналізує показники й розуміє, що ти їдеш на велосипеді. Зрештою, усі ці технології мають забезпечити ефективне піклування про здоров’я.
Історія приходу Олексія Дідковського в науку доволі цікава й неординарна. У 2003 році він закінчив цю ж кафедру, яка тоді називалася кафедрою приладів точної механіки. Після випуску розглядав можливість вступити до аспірантури, але вирішив спершу попрацювати й монетизувати набуті знання, хоча на початку 2000-х років зробити це було дуже нелегко. Олексій наголошує на цьому досвіді, заохочуючи сьогоднішніх випускників діяти так само, адже впевнений, що їм усе вдасться. Його власна спроба виявилася такою успішною, що затягнулася на 23 роки.
— Цю перерву я використав для набуття практичного досвіду в міжнародних корпораціях, які суттєво змінили моє уявлення про продуктивність. До речі, саме там я зрозумів, яке колосальне значення має ефективний менеджмент. Коли був студентом, не розумів, як можна відразу стати, як я тоді казав, «готовим начальником». Тому часто кепкував зі своєї майбутньої дружини, яка навчалася на менеджменті, до речі, теж у Львівській політехніці, бо не сприймав цього напряму серйозно. Сьогодні ж усвідомлюю: якісний менеджмент — це корінь усього. Без грамотного управління проєктом, контролю за виконанням завдань, чіткого розподілу відповідальності та щоденних «дейлі-мітингів», як кажемо ми, айтівці, жодної ідеї неможливо втілити. Західний світ розробив надзвичайно зручну й дієву систему доведення задумів до готових рішень. Усе це я збагнув на практиці, задовго до того, як повернувся в академічне середовище.
— Розумію, що інженерна робота й спонукала вас усе-таки повернутися в науку.
— Очевидно, що так. Спочатку компанія, де я працюю, надавала інженерні послуги. Фактично це було дослідницько-конструкторське бюро, де ми під ключ розробляли різноманітні пристрої й виконували унікальні замовлення. Наприклад, коли винахідники просили створити підігрівач для басейну на природному газі.
За ці роки мені доводилося мати справу з найрізноманітнішими речами. Пам’ятаю, один проєкт був пов’язаний з електронікою та глюкометрами, наступний — уже з абсолютно нової сфери. Це було неймовірно захопливо. Такий досвід допоміг мені досконало опанувати системи автоматизованого проєктування та вивчити весь воркфлоу — робочий процес розроблення приладів від початкової ідеї до готового результату.
— Розкажіть про особливості роботи сенсорів, з якими працюєте і як науковець, і водночас як практик.
— Будь-який сенсор має вимірювати параметри правильно й точно. Для цього його потрібно налаштовувати, перевіряти на точність і постійно контролювати справність. Раніше всю цю технічну рутину люди виконували вручну. Сьогодні ж з’явилася можливість автоматизувати ці процеси — просто вмонтовувати в конструкцію додаткові розумні мікропристрої. Яких саме компонентів не вистачає давачам і за якими правилами вони мають працювати — це і є тема мого дослідження. Простіше кажучи, я шукаю рішення, як зробити сенсор розумнішим, щоб він умів сам себе тестувати і був максимально зручним для людей.
Фантастика стає реальністю
Навіть найякісніший протез повноцінно функціонуватиме лише в поєднанні з інтелектуальним сенсором, який зчитує нейронні сигнали. Саме тому Олексій і Руслан працюють у постійному тандемі.
Чи є перспективи, що наші науковці так удосконалять технології, що штучні кінцівки замінюватимуть втрачені більш ніж на половину?
Руслан Копоть дивиться на це оптимістично:
— Тільки міждисциплінарна співпраця науковців, які досліджують протезування з різних ракурсів, здатна дати позитивний результат. Потреба в таких розробках у світі та Україні лише зростає. Сучасні біонічні протези вже підключають безпосередньо до нервових закінчень. Це дає пацієнтові змогу силою думки рухати штучними пальцями й навіть відчувати текстуру чи тепло предметів.
Олексій додає, що сучасна наука наблизилася до технологій, які ще вчора здавалися фантастикою:
— Найкращу відповідь на це запитання дає сага Джорджа Лукаса «Зоряні війни». Пригадаймо епізод, де медичний дроїд встановлює Люку Скайвокеру кібернетичну руку. Протез мав штучну шкіру, ідеальну моторику та миттєво передавав імпульси до мозку. Більшість ідей із наукової фантастики рано чи пізно стають реальністю. Ми вже впевнено рухаємося цим шляхом. Зокрема, сьогодні протез стає справжньою частиною тіла завдяки технології кріплення безпосередньо до кістки.
Важливим чинником успіху є матеріальна база: компанія, де працює Руслан Копоть, повністю забезпечує дослідження потрібним інноваційним обладнанням. Своєю чергою університет активно трансформує освітній процес відповідно до вимог часу.
— Наш науковий напрям зараз перебуває на етапі стрімкого розвитку, — зазначає завідувач кафедри Мирослав Тихан. — Перепрофілювавши роботу кафедри на мехатроніку, ми створили ефективний симбіоз механіки та електроніки, які тепер доповнюють інтелектуальні системи керування. Сьогодні їх неможливо розділити. Раніше прилад міг бути суто механічним, а тепер це рідкість. Сучасні розробки обов’язково містять мікрочипи, модулі блютуз чи вайфай. Електроніка та механіка нині — єдине ціле.
Від студентського патенту до віртуальних лабораторій
Професор Мирослав Тихан згадує свій перший досвід у цьому напрямі ще в студентські роки. Тоді з Інституту фізичної культури надійшло замовлення на виготовлення давача для обміру кутів ліктьового та плечового суглобів, щоб підвищити ефективність тренування тенісистів. Науковцям кафедри вдалося не лише розробити давач, а й отримати на нього патент. На той час це був унікальний поодинокий досвід, сьогодні ж інтелектуалізовані біомедичні сенсори потрібні не лише для протезування, а й для реабілітації та діагностики.
Сучасні технології кардинально змінили й підхід до навчання.
— Програмне забезпечення, зокрема солідворкс, дає змогу створювати такі лабораторії фактично у віртуальному просторі, — розповідає Олексій Дідковський. — Завдяки цьому наші студенти вже захищають дипломні роботи за цією тематикою. Одна з останніх стосувалася екзоскелета верхньої кінцівки, інша — системи керування протезом руки.
Практичне втілення ідей відбувається завдяки синергії науки та виробництва. Руслан Копоть, який на своєму підприємстві впроваджує 3D-технології, виготовляє куксоприймачі для нижніх кінцівок. Віднедавна на кафедрі за допомогою 3D-принтера можна створювати значно точніші, менші й міцніші деталі. Це допоможе напрацювати не просто прототипи, а готові продукти, які згодом слугуватимуть пацієнтам.
— Останні пів року я детально вивчаю біомеханіку верхніх кінцівок, — ділиться Руслан. — Це потрібно, щоб тестувати готові вироби й розуміти, як піднести їх на новий технологічний рівень.
Процес створення індивідуального протеза потребує суміжних навичок. Олексій додає, що в цій царині треба бути ще й добрим фотографом: оптичні 3D-сканери фіксують точні розміри та форму тіла, переносять їх у комп’ютер, і лише після цього можна моделювати куксоприймач.
Місія для майбутнього
Біонічні верхні кінцівки значно складніші у виготовленні, ніж їхні звичайні механічні аналоги. Вони потребують контакту з активними зонами м’язів, а також тривалої допротезної та післяпротезної підготовки пацієнта.
Нині Олексій, окрім гоніометричних сенсорів (що визначають кути нахилу, повороту суглобів і силу натискання), планує глибше дослідити пропріоцептивні сенсори. Саме вони забезпечують зворотний зв’язок із предметом — щоб людина без кінцівки могла буквально відчути її на дотик, розрізнити текстуру чи форму предметів. Як влучно підсумовує Олексій:
— Біомедичні сенсори — це те, що допомагає об’єднати людське тіло і машину. Це актуально не лише для медицини, а й, наприклад, для інтуїтивного, дистанційного керування роботами без надзусиль.
Сьогодні молоді дослідники ставлять перед собою ще й амбітну мету. Олексій мріє створити спеціалізовані сенсори для насадок, які допоможуть українським воїнам з ампутаціями верхніх кінцівок грати на музичних інструментах.
— Кожен протез — це завжди певний компроміс у плані його функційності, — додає Руслан. — Наприклад, у повсякденному протезі неможливо комфортно пробігти марафон. Саме тому виникає потреба у вузькоспеціалізованих розробках, які повертатимуть людям їхні улюблені справи.
Завідувач кафедри наголошує: тандем Олексія і Руслана є зразковим прикладом єдності виробництва, науки та викладання. Прогресивний досвід Олексія в комп’ютерному проєктуванні інженерних рішень став рушійною силою для модернізації кафедри, де він тепер викладає. Це яскраве свідчення того, що сучасний викладач ділиться зі студентами реальним прикладним досвідом.
Фінальну крапку в цій історії ставить випускник кафедри, доктор філософії Віктор Маркович:
— У наш час більше не існує закритих ізольованих галузей, де можна вивчати тільки один напрям. Проривні відкриття народжуються виключно на стику дисциплін. Історія Олексія і Руслана доводить: коли інженерна точність об’єднується з цифровими технологіями та щирим прагненням допомогти, медицина майбутнього стає українською реальністю.
