Beléptünk a civilizációs amputációk korába, egyre fejlettebb művégtagok jönnek

Nagy utat tett meg a protézisgyártás Hook kapitány kampókeze és Tycho Brahe dán csillagász műorra óta: a művégtagok gyártása és forgalmazása ma folyamatosan növekvő, globálisan közel 2 milliárd dolláros árbevételű üzletág. A jelen és a közeljövő fejlesztései a művégtagok minél természetesebb irányítására, illetve a gépi alkatrészek és a mozgásért felelős agyi területek közötti interaktív kapcsolat kiépítésére fókuszálnak. 

Az emberi végtagok tökéletes lemásolása és helyettesítése mellett a legújabb cél a szerszámokkal kiegészített, akár szárnyként is használható kezek, valamint az emberfeletti sportteljesítményekre képes lábak megalkotása, mivel a hadsereg komoly megrendelővé és finanszírozóvá lépett elő, a cél tehát a szuperkatona létrehozása. A globális protézisipar alternatíváját az olcsó, személyre szabható, egyszerű, de jól funkcionáló eszközöket preferáló, gyakran közösségi alapon finanszírozott fejlesztések jelentik. 

Lego és 3D-nyomtatás

Egy bionikus műkéz a funkciók összetettségétől függően 4 és 100 ezer dollár közötti áron vásárolható meg jelenleg. Nem véletlen, hogy a nagy gyártók mellett egyre több az olyan olcsóbb megoldás, mint amilyennel az andorrai születésű David Aguilar állt elő tíz évvel ezelőtt, 9 éves korában. A jelenleg a Barcelonai Katalán Nemzetközi Egyetemen biomérnöknek tanuló, annak idején Lego-elemeket és játékmotorokat használó fiú Hand Solo néven futó saját YouTube-csatornáján mutatja be saját fejlesztéseit.

Olcsó és könnyen hozzáférhető alapanyagból épített protézist épített Vas Alexandra Zsófia is, akit tavaly elnyerte a Qubit év emberének járó díját. Ő még középiskolásként kereste meg ötletével Cserey György infobionikai mérnököt a Pázmány Péter Katolikus Egyetem Információs Technológiai és Bionikai Karán. A ma már mérnöknek tanuló, időközben a Nők a Tudományban Egyesület (NaTE) diáknagykövetéveként is tevékenykedő Vas – Aguilartól eltérően – a 3D nyomtatás lehetőségeire alapozta ötletét, e technológiával ugyanis még inkább személyre szabhatóak a protézisek. A magyar fejlesztőt az amerikai e-NABLE programja ihlette meg, amelyben önkéntesek rászoruló gyermekeknek nyomtatnak egyszerű művégtagokat.

Protézistörténelem

A művégtagok technikai fejlődése és alkalmazása a 20. század közepéig elválaszthatatlan volt a háborúktól. A művégtagok története a fegyver- és a hadiipar, valamint az orvostudomány történetének közös metszeteként és párhuzamos fejlődésük következményeként is leírható. 

Az első végtagpótló protézisek fából vagy állati csontból faragott testrészek voltak, bőrből készült illesztékekkel. A kezdetleges protézisek felfedezhetőek a perui mocsika kultúrából fennmaradt ábrázolásokon, amelyeken emberalakok lábfején kehely formájú protézisek láthatóak, az ókori egyiptomi leletek között pedig találtak fából faragott, bőr illesztékkel felszerelhető lábfejpótlást is. 

Ókori egyiptomi lábfejprotézisForrás: Wikipédia

Az ókori birodalmak hanyatlását követő közel ezer évben az orvostudomány legtöbb területéhez hasonlóan itt is kevés valódi áttörést hozó tudományos eredmény született. A középkorban és a kora újkorban a protézisek használatára csak a kiváltságos rétegek és a katonák köréből vannak fennmaradt tárgyi emlékek. A leletek alapján elsősorban fémből készült esztétikai célú végtagpótlásokat ismerünk, ezek használhatósága azonban nem éri el az ókori eszközök praktikusságát. A középkori hadsebészek viszont egyre biztonságosabban végeztek végtag-amputációkat, és a póteszközök alkalmazásának szabályait is ők fektették le. A modern végtagpótlási eljárások alapjait a 16. századi vallásháborúk idején katonaorvosként szolgáló Ambroise Paré francia sebész írta meg, ő készített először úgynevezett záras felső és alsó végtagprotéziseket is (amelyeknél az egyszerű záras szerkezet megakadályozza a túlhajlást vagy a visszacsapódást).

A művégtagok történetét Anglessey márkija, Henry William Paget írta tovább, aki Wellington mellett küzdött a waterlooi csatában, amikor ellőtték a jobb térdét. A márki különféle műlábakat készíttetett magának: külön volt protézise például sétához és külön a lovagláshoz. Az eltérő tevékenységekhez és funkciókhoz különböző technikai megoldásokra volt szüksége. A térdben és bokában hajlítható, bőrszíjakkal összeerősített, fából készült lábak a század végére zajos használata miatt csattogó, illetve Anglessey-lábként váltak ismertté. 

Protézisek a 19. század végénFotó: Fortepan

A protézis sok tekintetben a mai napig részben kézműves termék, még akkor is, ha főbb alkatrészeit tömegesen lehet gyártani.

Műláb-evolúció

Az ipari forradalom és a tömeges gyártás elsősorban a munkafolyamatok egyszerűsítését hozta, és ezzel az újabb anyagok – először a fém és a gumi, majd később a műanyag, legújabban pedig a szénszálas anyagok – megjelenését a művégtagok gyártásában. 

Ám a protézisek nem csak a felhasznált anyagok tekintetében változtak a tömeggyártás során, megfigyelhető a technológiai fejlődés abban a tekintetben is, hogy milyen funkciók ellátására képes a protézis. Az ipari termelés megkövetelte, hogy olcsón és nagy mennyiségben lehessen előállítani az egyes alkatrészeket, de megmaradt a személyre szabott megoldások keresése a végső összeszerelés során.

A funkciók eltérései miatt az alsó- és a felsővégtag-protézisek más és más problémákat vetettek fel. 

Az alsó végtagnál az első pótlásoknál leginkább a lábfejet dolgozták ki, illetve a test és a művégtag találkozásánál található illesztések technikai megoldásait fejlesztették. A technológia fejlődésével és az ipari forradalom emberképének megfelelően egyre inkább gépszerűek lettek a művégtagok, és megjelentek a hajlítható térd- vagy bokarésszel ellátott művégtagok. Az első mechanikus, hajlítható térddel vagy bokával ellátott műlábak – a művégtagok súlya, a súlyelosztás és a terhelés miatt – felvetettek olyan problémákat, amelyek a merev tartószerkezetű műlábaknál nem jelentkeztek. A kihívás tehát a könnyebb mozgathatósághoz kapcsolódó mechanika fejlesztése volt. Ekkor jelentek meg a pneumatikus vagy motoros szerkezetek, illetve az inak és izmok funkcióit helyettesítő gumiszalagok. 

A 20. század második felében szinte évtizedekenként jöttek a fejlesztések: megújultak a könnyű illeszthetőséget és a kényelmes viselést, a lábcsonk behúzását segítő zsákok, a tok és a csonk közötti rész kipárnázását, hézagmentes kitöltését megkönnyítő megoldások, valamint a rögzítések. 1949-ben szabadalmaztatták a stabilabb állást biztosító, fékes Jüpa-térdet. A következő évtizedben megjelentek a súlyos protéziseken könnyítő műanyagok, az 1960-as évek végére pedig szabványos lett a műlábak moduláris rendszere, az eszerint készült alkatrészek a mai napig meghatározzák a legtöbb műláb felépítését. 

A kanadai Kelly James 1992-ben bemutatta az első számítógép vezérelte protézist, öt évvel később pedig elkészült a C-Leg – az első mikroprocesszor által vezérelt térdízület. Az újabb fejlesztések a 2010-es évek elején jelentek meg, ezek a műlábak már arra is alkalmasak, hogy a viselőjük hátrafelé is tudjon velük lépni, képes legyen akadályokat átlépni, vagy a lépcsőn váltott lábbal közlekedni.

Ezzel párhuzamosan sportcélra kezdtek kísérletezni a gyártók a szénszálas hajlított alsó lábszárakkal, vagyis a penge-, más néven párduclábakkal. A fejlesztések a nagymacskák és a futómadarak lábszerkezetét vették alapul, amely az emberi lábénál nagyobb rugalmasságot és futóteljesítményt biztosít.

Paralimpiai sprinterek egy torontói versenyenFotó: GEOFF ROBINS/AFP

A térdízületek és a lábszár formája után jelenleg a legizgalmasabb fejlesztések a boka mozgásának és funkcióinak minél pontosabb reprodukálására irányulnak. Az egyik legígéretesebb fejlesztés az MIT biomérnökének, Hugh Herrnek a nevéhez kapcsolódik. Herr egy hegymászóbalesetben vesztette el a lábait, amelyeket saját bionikus fejlesztésű protézisekkel pótolt. Ezek a boka oldalirányú mozgásait is képesek létrehozni, ezáltal fokozzák a használó stabilitását, illetve még jobban közelítik a mozgást a természeteshez. Herr több TED-előadásában azt állítja, hogy 

a technológia fejlődése által a legtöbb végtaghiányból adódó hátrány megszüntethető. 

A művégtagok igazi forradalmát szerinte az érzékelni is képes műláb hozhatja el: lényege, hogy már nemcsak az agy küld jeleket a művégtagnak, hanem a művégtag szenzorai is kommunikálnak az emberi idegrendszerrel. Az ember ugyanis végtagjain keresztül olyan környezeti jeleket érzékel, amelyek szükségesek a mozgás agyi vezérléséhez és irányításához. A talaj minősége, egyenetlenségei, dőlésszöge mind-mind olyan tényező, amit az emberek nagy része öntudatlanul is figyelembe vesz, amikor mozgásban van. Ám ha a művégtagból érkező információkat akarunk az agyba juttatni, radikálisan újra kell gondolni az amputálásoknál jelenleg alkalmazott, a 18. század óta érvényben lévő protokollokat. A mostaninál sokkal nagyobb figyelmet kell szentelni a megmaradó idegvégződéseknek és azok csatlakoztathatóságának.

Hugh Herr egy spanyolországi díjátadón 2016-banFotó: ANDER GILLENEA/AFP

Kézpótlók

A kéz pótlása a lábakétól eltérő kihívásokkal jár. Ideális esetben a műkéznek több mint húsz irányba kellene tudnia mozogni, hajlani. A váll, a könyök és a csukló mozgatásánál nagyobb kihívást jelent az ujjak, és főleg az emberi kezet egyedülálló eszközzé alakító szembefordított hüvelykujj modellezése. A kéznek továbbá erősnek kell lennie, tudnia kell szorítani, de közben képesnek kell lennie finommotoros mozgásokra, törékeny tárgyak megfogására is.  

Az alapvető szerkezeti elemek a 19. század utolsó évtizede, vagyis az amerikai polgárháború befejezése óta rendelkezésre állnak. A jelenleg forgalomban lévő műkezek többsége ezekre épül. A tartórész valamilyen bot, ehhez kapcsolódik a kampó (vagy egyéb szerszám jellegű szerkezet), ami a fogást segíti. A műkéz mozgatását úgynevezett tokos huzalok segítik. Az erőátvitel és a mozgatás miatt a 20. század közepétől a műkezekben is megjelentek a motoros szerkezetek. Max Näder, az Otto Bock gyár tulajdonosa és fejlesztőmérnöke 1965-ben mutatta be az első myoelektromos, azaz mechanikus és izomingerrel működtetett karprotéziseket. 

A myoelektromosság az az alacsony feszültségű elektromos jel, ami az izmok összehúzódásakor keletkezik. Ezt elektródákkal alakították át a műkéz számára használható jelekké, amelyek alapján az elemmel működő elektromos motorok segítik a mozgásokat. Ezekkel a kezekkel először vált lehetővé, hogy könnyű és törékeny, vagy akár nehéz és masszív tárgyakat is képesek legyenek ugyanazzal a műkézzel felvenni a használók.

Modern myoelektromos kézprotézisFotó: SAM PANTHAKY/AFP

A folyamatos fejlesztések mellett a myoelektromos vezérlésű rendszerek újabb, 2000 után megjelent generációi már több fogásmintát képesek végrehajtani, nem csupán megszorítani és elengedni egy tárgyat. 

Az első gondolatvezérelt műkéz prototípusát 2007-ben mutatták be, kezdetleges formában tehát már jelenleg is elérhetőek ezek az eszközök. A jövő nagy áttörését azonban a gondolatvezérelt (Mind-Controlled Prosthetic - MCP) művégtagok megjelenése, olcsóbbá válása és elterjedése jelentheti. Ahhoz, hogy ez megtörténhessen, és a műkezek a valódi végtagokhoz hasonlóan váljanak használhatóvá, 

többet kell megértenünk az emberi tényezőből, vagyis a kéz mozgatásának neurológiájáról. 

Ehhez tesztalanyok kellenek, akik vállalják, hogy kipróbálják a fejlesztés alatt álló technikai eszközzel való együttműködés sokszor gyötrelmes feladatát.

Ezzel a munkával párhuzamosan zajlik Dean Kamen amerikai mérnök fejlesztése, amit az amerikai hadsereg rendelt meg. A jelenleg elérhető legmodernebb eszköz a  2014-ben bemutatott, 50 ezer dolláros DEKA műkar, amit a beépített motorok már 14 helyen képesek forgatni és hajlítani. 

A DEKA már tömeggyártásra alkalmas megoldás, nem véletlenül kapott forgalmazási engedélyt az amerikai szövetségi kormányzattól már öt évvel ezelőtt. 

A civilizációs amputációk kora

Az egészségügyi világszervezet, a WHO legfrissebb, Standards for Prosthetics and Orthotics címen kiadott jelentése szerint a világon mintegy 35-40 millió ember használ a mindennapokban valamilyen protézist. Ez a szám a következő néhány évtizedben jelentősen nőni fog. A társadalmak elöregedésével folyamatosan nő a mozgásszervi megbetegedések, valamint a végtag elvesztésével járó sérülések és balesetek száma, de ennél sokkal nagyobb növekedést generál a nem fertőző betegségek, például a cukorbetegség, a szív- és érrendszeri megbetegedések és a sztrók következtében bekövetkező amputációk számának várható emelkedése.

A WHO becslései szerint 2015-ben 415 millió ember szenvedett cukorbetegségben, és ez a szám a következő évtizedekben várhatóan jelentősen növekedhet (2040-re elérheti a 642 milliót). A cukorbetegek 60-70 százaléka szenved olyan tünettől, aminek következtében a beteg nem érzi a végtagját (elsősorban a lábát) ami fokozza a sérülés veszélyét. Továbbá a cukorbetegek 12–15 százalékánál alakul ki olyan jellegű fekély, amely a fertőzés és az amputáció, illetve a korai halál kockázatát növeli. 

A hazai helyzetről sokat elárul, hogy az Egészségügyi Szakmai Kollégium Érsebészeti és Angiológiai Tagozatának legfrissebb adatai szerint Magyarországon kevés az érsebész, és a szükséges 15000 helyett csak 9500 ilyen típusú műtétet hajtanak végre évente. Ennek következtében Magyarországon évente közel 7000 végtag teljes vagy részleges eltávolítása történik meg keringészavar miatt, ami két és félszerese az európai átlagnak.

A szerző esélyegyenlőségi szakértő, a mára bezárt budapesti Ability Park ötletgazdája és vezetője; 1998 és 2008 között tagja volt az Országos Fogyatékosságügyi Tanácsnak.  

Kapcsolódó cikkek a Qubiten:

Tudós? Akkor ateista!

Stellan Ottosson svéd szerző magyarul frissen megjelent Darwin-életrajza érdekes, de meglehetősen egyoldalú képet ad az evolúcióelmélet atyjáról, a tudósról, apáról, angolról, ateistáról és teológusról.

Száz méter mély szénhidrogéntavakat találtak a Titánon

A Szaturnusz legnagyobb holdja, a Titán ősi Földre emlékeztető viszonyai, vastag légköre, szénhidrogéntengerei és tavai, szénhidrogén-esőzése, vándorló dűnéi, folyóvölgyei, érdekes szerves kémiai folyamatai és felszín alatti globális folyékony vízrétege az egyik legizgalmasabb tudományos célponttá teszik a holdat Naprendszerben.