Высокотехнологичные протезы меняют Паралимпийские игры к лучшему

Сентябрь 2021 г.

Майя Хоок, специалист по коммуникации в области ИС и НИОКР компании Ottobock, Германия

Паралимпийские игры – 2020 в Токио прошли с 24 августа по 5 сентября 2021 г. Примерно 4400 спортсменов-инвалидов соревновались за золото в 22 дисциплинах. Спортивные протезы, охраняемые при помощи ИС, вошли в число основных приспособлений, которые использовались ими для достижения поставленных целей. Научные исследования и разработки помогли спортсменам в полной мере проявить свои атлетические способности.

Благодаря использованию спортивных протезов 25 июня Йоханнес Флорс (26 лет) улучшил свой собственный мировой рекорд в беге на 200 м и завоевал «золото» на Паралимпийских играх в Токио в августе 2021 г. (Фото предоставлено компанией Ottobock)

Йоханнес Флорс бегает по своей тренировочной трассе в Леверкузене до шести часов каждый день. В августе он прилетел в Японию, чтобы соревноваться со спортсменами из всех уголков земного шара. «На самом деле я готовился к Паралимпийским играм с 2016 г.», – говорит 26-летний спортсмен. Немецкий легкоатлет завоевал золото на Паралимпийских играх в Токио. В настоящее время г-н Флорс является самым быстрым бегуном на протезах в мире. В конце июня он улучшил свой собственный мировой рекорд в беге на 200 м, а также стал самым быстрым в своем классе (T62) на дистанциях 100 и 400 м. Но эти достижения не дались ему легко. Г-н Флорс родился с генетическим дефектом малых берцовых костей. У него отсутствовали обе малые берцовые кости и деформировались ступни. О спринте не могло быть и речи. «Было слишком много боли», – говорит он. По этой причине он принял решение ампутировать обе голени десять лет назад. «Я все еще лежал в больнице, когда решил записаться на спортивную программу в школе», – вспоминает он. Сейчас его повседневные протезы позволяют ему нормально ходить, а заниматься бегом он может с помощью специальных углеродных пружин, предназначенных для занятий спортом. «Ощущение такой скорости – это огромное эмоциональное переживание», – говорит он.

Не так давно спортсмены-паралимпийцы носили во время спортивных соревнований свои обычные протезы. Лишь в 80-х годах прошлого столетия они стали носить специально разработанные протезы для бега на короткие дистанции. В отличие от человеческих ног или спортивных протезов, обычные протезы не так легко изгибаются и затрудняют выполнение движений, необходимых для определенных видов спорта. «Неожиданно появились спортивные протезы – и все изменилось», – говорит г-н Флорс.

В настоящее время компания Ottobock владеет 1886 патентами относящимися более чем к 540 патентным семьям, включая патенты на многочисленные высокотехнологичные решения для участников Паралимпийских игр.

Спортивные протезы помогают людям участвовать в соревнованиях

Компания Ottobock – это производитель популярных спортивных протезов и инвалидных колясок, который уже более 30 лет поставляет устройства для спортсменов-паралимпийцев. Эта немецкая компания, получившая известность благодаря носимым биомеханическим устройствам, занимается изготовлением протезов уже более 100 лет. Вначале компания производила деревянные протезы конечностей для тех, кто пострадал во время Первой мировой войны. Сегодня ее продукция включает протезы, работающие с использованием ИИ, включая, например, биомеханическую кисть руки «bebionic»; благодаря этим изделиям компания задает новые технологические стандарты в сфере производства протезов.

В настоящее время компания Ottobock является владельцем 1886 патентов, относящихся более чем к 540 патентным семьям, включая многочисленные высокотехнологичные изделия для паралимпийцев.

Так, например, подвижный протез стопы 1E95 используется для таких видов спорта, как баскетбол и волейбол. Этот протез имеет простую конструкцию и облегчает ходьбу, бег и резкую смену направления движения. Фирма Ottobock разработала и запатентовала протез стопы Runner 1E91 специально для спринтеров и прыгунов в длину. Этот протез стопы, который можно легко адаптировать к потребностям разных людей, носят многие легендарные участники Паралимпийских игр. Его силовая линия расположена ближе к центру тяжести тела, что делает использование углеродной пружины более эффективным.

Видео: Как производятся беговые протезы из углепластика

В состав группы разработчиков новых изделий входил специалист по ортезированию и протезированию (ОиП) Джулиан Напп. Начиная с 2012 г. он руководил работой технического сервисно-ремонтного центра компании Ottobock на Паралимпийских играх. Спортсмены приносят в мастерскую свои протезы и инвалидные коляски, когда они нуждаются в ремонте. Специалист использовал свой практический опыт в процессе разработки новых изделий: «Вы должны работать очень точно, чтобы стопа была правильно расположена по отношению к телу», – говорит он.

Конструкция выпускаемых фирмой Ottobock популярных протезов стопы для бегунов 1E90 Sprinter, которыми пользуется 26-летний Йоханнес Флорс, была изобретена спустя некоторое время после того, как он родился. Протез Sprinter был разработан в Соединенных Штатах в 90-е годы прошлого века; впоследствии компания Ottobock приобрела права на это изделие и усовершенствовала его.

Карбоновая стопа надевается на вакуумный патрубок из углеродного волокна, который оснащен выпускным клапаном и уплотнительной втулкой. Культя закрыта и защищена своего рода «чулком» из полимерного материала. Патентованный переходник 1E90, соединяющий гнездо и протез стопы, позволяет легко перенастраивать положение протеза. «При помощи переходника я могу обеспечить идеальную статическую центровку, что позволяет спортсмену бежать без каких-либо ограничений», – объясняет г-н Напп.

Он изготавливает протезы на заказ для различных видов спорта и спортсменов, включая известных спринтеров и прыгунов в длину Генриха Попова и Леона Шефера; «Я очень горжусь тем, что они ставят один мировой рекорд за другим», – говорит г-н Напп. Он также тесно сотрудничает с нынешним рекордсменом мира Йоханнесом Флорсом. «Я стараюсь постоянно корректировать применяемые технические решения, с тем чтобы лучше приспосабливать их к нуждам спортсменов: фактически технологии развиваются вместе со спортсменами», – отмечает г-н Напп. – «Я не смог бы предложить протез, изготовленный для Йоханнеса Флорса, другому спортсмену – например, Леону Шеферу. Скорее всего, он не смог бы с ним быстро бегать. Для каждого случая необходима своя собственная статическая центровка».

Специалист по ортезированию и протезированию Джулиан Напп (на фото в центре) вместе с бывшим рекордсменом мира Генрихом Поповым (справа) регулируют повседневный протез спортсмена-паралимпийца Леона Шефера (слева). (Фото предоставлено компанией Ottobock)

Патент на первый механический коленный сустав для спортсменов

Несмотря на изобретение спортивного протеза стопы, спортсмены с трансфеморальной ампутацией ноги выше колена продолжали испытывать проблемы. Некоторые из них носили карбоновую стопу прямо на культе и практически самостоятельно собирали свои протезы из разных компонентов. Результаты этого можно увидеть в спортивных видеороликах, демонстрирующих характерные поворотные движения, которые совершает нога при разгибании. Это помогает бегунам, которые не используют протезы коленных суставов для спортсменов, избежать чрезмерного затягивания фазы переноса конечности. Другие спортсмены участвовали в забегах, пользуясь обычными протезами и полицентрическими протезами суставов, которые на самом деле не подходят для этой цели. Решением проблемы стал первый в мире моноцентрический спортивный протез коленного сустава. Компания Ottobock разработала его на основе протеза 3R80, в отношении которого патент на гидропривод вращательного движения был первоначально выдан в Германии в 1995 г*.

Протез 3S80 оснащен ручной блокировкой и предусматривает возможность индивидуальной настройки характеристик демпфирования; его конструкция отличается компактностью и продуманностью. «Во время бега вес тела, воздействующий на протез, увеличивается вдвое. При беге на короткие дистанции этот показатель увеличивается в пять раз, а у прыгунов в длину – в шесть-семь раз», – говорит Джулиан Напп. Протезы коленных суставов должны выдерживать эту нагрузку, но при этом оставаться достаточно гибкими для ускорения. Иными словами, в данном случае спортивные протезы суставов подстраиваются под спортсменов, а не наоборот, как это было раньше.

Мировая рекордсменка по прыжкам в длину и серебряный призер Паралимпийских игр – 2020 в Токио Мартина Кайрони использует протез ноги выше колена в сочетании со спортивным протезом коленного сустава и карбоновой стопой. (Фото предоставлено компанией Ottobock)

Именно такой спортивный протез коленного сустава использует участница Паралимпийских игр Мартина Кайрони. Г-жа Кайрони, которая является уроженкой Италии, завоевала серебряные медали в прыжках в длину и беге на 100 м на Паралимпийских играх – 2020 в Токио.

В 2007 г. она лишилась левой ноги из-за аварии на мотоцикле. Именно во время реабилитации она осознала, что обладает спортивными талантами. Первые рекорды она начала ставить три года спустя. «На самом деле я никогда не хотела быть профессиональной спортсменкой», – говорит г-жа Кайрони. – «Но после несчастного случая я поняла, насколько хорошо я могу бегать с протезами. Было бы обидно, если бы я не смогла раскрыть свой талант».

Вначале г-жа Кайрони участвовала в спортивных состязаниях со своим обычным протезом, а затем стала использовать протез сустава 3S80 и углеродную пружину 1E91. «Я смогла почувствовать результаты прогресса в развитии технологий прямо на своем теле», – говорит спортсменка, которой исполнился 31 год. – «Этот прогресс непосредственно влияет на мою жизнь».

Международный паралимпийский комитет (МПК) определил четкие правила, учитывающие степень, в которой инвалидность спортсменов влияет на их результаты. По этой причине разрешены только пассивные протезы без электроники.

По словам г-жи Кайрони, поначалу у нее возникли трудности при использовании спортивного протеза из-за его повышенной гибкости, которая благоприятствует ускорению, но снижает его устойчивость. С этим протезом г-жа Кайрони выиграла золотую медаль на Паралимпийских играх – 2012 в Лондоне, пробежав стометровку за 14,65 секунды; она стала единственной спортсменкой, которой удалось преодолеть эту дистанцию меньше, чем за 15 секунд.

В 2013 г. г-жа Кайрони стала чемпионкой мира сразу в двух дисциплинах: прыжках в длину и беге на 100 м. В 2015 г. она установила мировой рекорд в беге на 200 м и выиграла «золото» на чемпионате мира по легкой атлетике среди инвалидов в Дохе.

Новые протезы также повысили качество жизни г-жи Кайрони. В качестве повседневного протеза коленного сустава она использует протез Genium X3; этот «умный» протез автоматически адаптируется к различным ситуациям. «Моя подвижность значительно повысилась», – говорит она. – «Я могу спокойно подниматься по лестнице и ходить в фитнес-центр, что также положительно влияет на мою спортивную карьеру».

Видео: Любовь к Паралимпийским играм (Токио – 2020)

Занятия спортом с протезами – это не «технологический допинг»

Следует отметить, что г-же Кайрони не разрешили использовать ее повседневный электронно-механический протез на Паралимпийских играх. Международный паралимпийский комитет (МПК) определил четкие правила, учитывающие степень, в которой инвалидность спортсменов влияет на их результаты. По этой причине разрешены только пассивные протезы без электроники. Разрешенная длина протезов определяется на основе сложной формулы, которая учитывает рост пользователя и длину бедренной кости. И все же представления СМИ об «усовершенствованных людях» изменить трудно.

Йоханнес Флорс говорит, что мог бы разбогатеть, если бы ему давали по пять евро за каждый раз, когда его спрашивали, может ли он на своих протезах бегать быстрее, чем профессиональные спортсмены со здоровыми ногами. Ему трудно спокойно воспринимать рассказы о «сверхлюдях» с бионическими конечностями. «Такой подход унижает то, чем я занимаюсь, и побуждает людей думать, что я – это всего лишь мои протезы», – говорит он. – «Получается, что тот факт, что я ежедневно трачу шесть часов на тренировки, не имеет никакого значения! И это при том, что мои спортивные протезы даже нельзя считать высокотехнологичными по сравнению с моими обычными протезами: их конструкция не менялась с 90-х годов прошлого века».  

Отчет ВОИС из серии «Тенденции развития технологий» за 2021 г.

В марте 2021 г. ВОИС опубликовала свой последний отчет из серии «Тенденции развития технологий», который был посвящен ассистивным технологиям: инновациям, которые помогают людям, живущим с функциональными ограничениями (включая, например, ограничения, связанные с подвижностью или зрением), участвовать в жизни во всех ее проявлениях и реализовывать свой потенциал.      

Этот отчет стал частью серии, в рамках которой отслеживаются тенденции развития технологий путем анализа патентных и других данных для представления достоверной и основанной на фактах информации об инновациях в конкретных областях.

На фоне того, что сегодня более миллиарда человек нуждаются в ассистивных технологиях (эта цифра должна удвоиться в течение следующего десятилетия по мере старения населения), в отчете 2021 г. делается вывод о том, что интеллектуальная собственность (ИС) способствует росту инноваций в сфере ассистивных технологий. Тем не менее эксперты, участвовавшие в подготовке отчета, подчеркивают необходимость того, чтобы эти инновационные решения становились более доступными для тех, кто полагается на них. В настоящее время в мире только 1 из 10 человек имеет доступ к необходимым ассистивным устройствам.

Цель данного отчета – подготовить информационную основу для глобальных обсуждений, направленных на расширение доступа к ассистивным технологиям.

Основные выводы:

  • Инновации – начиная от небольших улучшений существующих изделий и заканчивая последними разработками в области передовых технологий – способны значительно улучшить жизнь людей с функциональными ограничениями, позволяя им жить, общаться и работать независимо.
  • В последние годы рост в сфере ассистивных технологий исчислялся двузначными цифрами; они все шире применяются в производстве потребительских товаров.
  • Главными двигателями инноваций в сфере ассистивных технологий являются пять стран: Китай, США, Германия, Япония и Республика Корея.
  • Количество патентных заявок на новые ассистивные технологии, включая роботов-ассистентов, приложения для умного дома, носимые устройства для слабовидящих и умные очки, растет в три раза быстрее, чем традиционные ассистивные технологии, которые включают усовершенствование конструкции инвалидных колясок и производство аксессуаров к ним, технологии сигнализации об окружении и устройства с поддержкой азбуки Брайля.
  • Двумя наиболее быстрорастущими сегментами рынка ассистивных технологий являются технологии, относящиеся к окружению (например, приборы для ориентирования в общественных местах и роботы-ассистенты), и технологии, обеспечивающие мобильность (например, автономные инвалидные коляски и высокотехнологичные протезы).
  • Сфера ассистивных технологий сближается с потребительской электроникой и общемедицинскими технологиями: рост наблюдается как в области менее инвазивных ассистивных продуктов (благодаря все более чувствительным датчикам), так и в области более инвазивных решений, таких как имплантаты, помещаемые в ствол головного мозга для восстановления слуха, зрения и подвижности. Технологии, разработанные для людей с функциональными ограничениями, все чаще применяются в производстве продукции широкого спроса. Так, например, технология костной проводимости, которая может помочь при нарушении слуха, также может использоваться в наушниках для бегунов.
  • Высокотехнологичные и новые ассистивные продукты предлагаются благодаря развитию и внедрению таких новейших технологий, как искусственный интеллект, «интернет вещей», новые материалы и передовые разработки в сфере робототехники.
  • Лидерами в сфере разработок, связанных с ассистивными технологиями, являются такие корпорации, как WS Audiology, Cochlear, Sonova, Second Sight, Ottobock и Össur. С учетом нарастающей тенденции к использованию ассистивных технологий в сфере производства потребительской электроники широкого спроса крупными игроками на этом рынке также являются компании-производители бытовой электроники (например, Panasonic, Samsung, IBM, Google и Hitachi) и автопроизводители (например, «Тойота» и «Хонда»).
  • Университеты и государственные научно-исследовательские учреждения играют более заметную роль в области новых ассистивных технологий и проявляют особенную активность в сфере обеспечения мобильности.

Несмотря на прогресс в конструировании протезов, спортсмены-паралимпийцы в своем большинстве бегают медленнее, чем спортсмены-олимпийцы. Паралимпиец Йоханнес Флорс пробегает дистанцию в 200 м за 21,04 секунды, тогда как Усейн Болт, который в настоящее время является самым быстрым в мире бегуном среди людей, не являющихся инвалидами, пробегает ее за 19,19 секунд. За всю историю соревнований по легкой атлетике среди инвалидов лишь очень небольшому числу спортсменов удавалось показывать результаты мирового класса, сопоставимые с результатами спортсменов, не являющихся ампутантами; в их число входят спринтер Йоханнес Флорс и прыгун в длину Маркус Рем. Что касается Оскара Писториуса (по прозвищу «бегущий по лезвию бритвы»), то его личность по многим причинам воспринимается неоднозначно.

За всю историю соревнований по легкой атлетике среди инвалидов лишь очень небольшому числу спортсменов удавалось показывать результаты мирового класса, сопоставимые с результатами спортсменов, не являющихся ампутантами.

«Спортсмены, которые носят протезы, по-прежнему оказываются в неблагоприятном положении на каждом этапе, требующем ускорения, – говорит доктор Томас Шмальц, эксперт по биомеханическому анализу экипировки лучших спортсменов-ампутантов. – «Спортсмены-паралимпийцы пережили травматизирующие несчастные случаи, рак, ампутации и другие тяжелые жизненные события. Несмотря ни на что, они остаются спортсменами-инвалидами. Спортсмены с односторонней ампутацией должны компенсировать асимметрию опорно-двигательного аппарата. Отсутствуют эффекты проприоцептивной обратной связи в нервной и мышечной системах. Также отсутствуют ключевые рефлекторные механизмы, запускаемые рецепторами в мускулатуре и сухожилиях», – объясняет доктор Шмальц.

Протезы стопы не обладают внутренней энергией в течение первых нескольких шагов; кроме того, пользователь не воспринимает их как часть своего тела. Исследования в области протезирования направлены на устранение этого недостатка. «В идеале пользователь должен чувствовать, что протез является частью его собственного тела, т.е. естественным продолжением тела», – говорит д-р Андреас Гоппельт, технический директор Ottobock. Его группа научных исследований и разработок реализует проекты, направленные на то, чтобы сделать это реальностью, например, с помощью протезов с обратной связью.

Йоханнес Флорс говорит, что ощущение протеза как части своего тела было бы следующим большим шагом к нормальной жизни. «Я в какой-то мере отождествляю свой протез с собой, но я хотел бы видеть его как еще более неотъемлемую часть себя», – говорит он. – «Но ты не можешь допустить, чтобы это тебя сбило с толку; ты должен добиваться своих целей. И тогда протез больше не помеха!» В Токио – 2020 вся его напряженная работа окупилась, когда он привез домой «золото».

Примечания

*Срок действия патента истек в 2014 г.

«Журнал ВОИС» призван помочь читателям улучшить свое понимание интеллектуальной собственности и деятельности ВОИС и не является официальным документом ВОИС. Используемые в этой публикации обозначения и представляемые материалы никоим образом не выражают мнение ВОИС относительно правового статуса каких бы то ни было стран, территорий или районов или их органов власти или относительно делимитации их границ. Данная публикация не преследует цели отразить точку зрения государств-членов или Секретариата ВОИС. Упоминание в публикации конкретных компаний или продуктов определенных производителей не означает, что ВОИС их поддерживает или рекомендует или отдает им предпочтение перед другими аналогичными компаниями и продуктами, которые в материалах не упомянуты.