TEDGlobal 2011
Todd Kuiken: A prosthetic arm that "feels"
Тодд Куйкен: Протез руки, который «чувствует»
Filmed:
Readability: 3.6
964,029 views
Физиотерапевт и инженер Тодд Куйкен работает над протезом руки, который подключается к нервной системе человека, улучшая мобильность, контроль и даже способность чувствовать. Пациент Аманда Китс демонстрирует на сцене роботизированную руку нового поколения.
Todd Kuiken - Biomedical engineer
A doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics. Full bio
A doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
So today, I would like to talk with you
0
0
3000
Сегодня я хотел бы
00:18
about bionics,
1
3000
2000
поговорить с вами о бионике.
00:20
which is the popular term
2
5000
2000
Это распространённое название
00:22
for the science of replacing part of a living organism
3
7000
3000
науки о замене частей живого организма
00:25
with a mechatronic device, or a robot.
4
10000
3000
механическими устройствами или роботами.
00:28
It is essentially
5
13000
2000
Фактически, материя жизни
00:30
the stuff of life meets machine.
6
15000
3000
входит в контакт с машиной.
00:33
And specifically, I'd like to talk with you
7
18000
2000
Я хочу рассказать о том,
00:35
about how bionics is evolving
8
20000
3000
как бионика может помочь
00:38
for people with arm amputations.
9
23000
3000
людям, пережившим ампутацию руки.
00:41
This is our motivation.
10
26000
3000
Это наша мотивация.
00:44
Arm amputation causes a huge disability.
11
29000
3000
Ампутация руки влечёт за собой
серьёзные последствия.
серьёзные последствия.
00:47
I mean, the functional impairment is clear.
12
32000
2000
Функциональные ограничения очевидны.
00:49
Our hands are amazing instruments.
13
34000
2000
Наши руки — удивительные инструменты.
00:51
And when you lose one, far less both,
14
36000
3000
Когда теряешь одну или, того хуже, обе,
00:54
it's a lot harder to do the things
15
39000
2000
становится гораздо сложнее выполнять
00:56
we physically need to do.
16
41000
2000
простейшие физические действия.
00:58
There's also a huge emotional impact.
17
43000
2000
Прибавим глубокое
эмоциональное потрясение.
эмоциональное потрясение.
01:00
And actually, I spend as much of my time in clinic
18
45000
2000
В клинике я трачу столько же времени
01:02
dealing with the emotional adjustment of patients
19
47000
3000
на эмоциональную реабилитацию пациентов,
01:05
as with the physical disability.
20
50000
2000
сколько и на их физические проблемы.
01:07
And finally, there's a profound social impact.
21
52000
3000
И, наконец, существенное влияние
на социализацию.
на социализацию.
01:10
We talk with our hands.
22
55000
2000
С помощью рук мы говорим.
01:12
We greet with our hands.
23
57000
2000
Мы здороваемся за руку.
01:14
And we interact with the physical world with our hands.
24
59000
3000
Мы соприкасаемся с физическим миром
при помощи рук.
при помощи рук.
01:17
And when they're missing,
25
62000
2000
Потеряв их, мы натыкаемся
01:19
it's a barrier.
26
64000
2000
на серьёзную преграду.
01:21
Arm amputation is usually caused by trauma,
27
66000
3000
К ампутации руки часто приводит травма,
01:24
with things like industrial accidents,
28
69000
2000
несчастный случай на производстве,
01:26
motor vehicle collisions
29
71000
2000
автокатастрофа,
01:28
or, very poignantly, war.
30
73000
2000
или, всего хуже, боевые ранения.
01:30
There are also some children who are born without arms,
31
75000
3000
Бывает, что дети рождаются без рук —
01:33
called congenital limb deficiency.
32
78000
3000
это врождённый порок конечностей.
01:36
Unfortunately, we don't do great
33
81000
2000
К сожалению, протезирование
верхних конечностей
верхних конечностей
01:38
with upper-limb prosthetics.
34
83000
2000
сейчас не на высоте.
01:40
There are two general types.
35
85000
2000
Есть два основных типа протезов.
01:42
They're called body-powered prostheses,
36
87000
2000
Их называют протезами на мышечной силе.
01:44
which were invented just after the Civil War,
37
89000
2000
Принцип появился сразу после
Гражданской войны,
Гражданской войны,
01:46
refined in World War I and World War II.
38
91000
3000
и совершенствовался
в Первую и Вторую мировые войны.
в Первую и Вторую мировые войны.
01:49
Here you see a patent
39
94000
2000
Здесь вы видите
01:51
for an arm in 1912.
40
96000
2000
патент руки 1912 года.
01:53
It's not a lot different
41
98000
2000
Конструкция не особо отличается
01:55
than the one you see on my patient.
42
100000
3000
от той, что носит мой пациент.
01:58
They work by harnessing shoulder power.
43
103000
2000
Они работают на силе плеча.
02:00
So when you squish your shoulders, they pull on a bicycle cable.
44
105000
3000
Когда вы напрягаете плечи,
натягивается велосипедный кабель.
натягивается велосипедный кабель.
02:03
And that bicycle cable can open or close a hand or a hook
45
108000
3000
Этот кабель сжимает или разжимает
кисть или крюк,
кисть или крюк,
02:06
or bend an elbow.
46
111000
2000
или сгибает локоть.
02:08
And we still use them commonly,
47
113000
2000
Мы до сих пор активно используем их.
02:10
because they're very robust
48
115000
2000
Они надёжны
02:12
and relatively simple devices.
49
117000
2000
и относительно просты в использовании.
02:14
The state of the art
50
119000
2000
Актуальное на сегодня устройство —
02:16
is what we call myoelectric prostheses.
51
121000
2000
миоэлектрический протез.
02:18
These are motorized devices
52
123000
2000
Это автоматизированное устройство,
02:20
that are controlled
53
125000
2000
которым управляют
02:22
by little electrical signals from your muscle.
54
127000
2000
короткие электрические импульсы мышц.
02:24
Every time you contract a muscle,
55
129000
2000
Каждый раз, когда вы сокращаете мышцу,
02:26
it emits a little electricity
56
131000
2000
от неё исходит электрический импульс,
02:28
that you can record with antennae or electrodes
57
133000
2000
который можно записать
антенной или электродами
антенной или электродами
02:30
and use that to operate the motorized prosthesis.
58
135000
3000
и использовать для управления
автоматизированным протезом.
автоматизированным протезом.
02:33
They work pretty well
59
138000
2000
Они хорошо подходят для людей,
02:35
for people who have just lost their hand,
60
140000
2000
недавно потерявших кисть,
02:37
because your hand muscles are still there.
61
142000
2000
потому что мышцы кисти никуда не делись.
02:39
You squeeze your hand, these muscles contract.
62
144000
2000
Вы сжимаете кисть, сокращаются эти мышцы.
02:41
You open it, these muscles contract.
63
146000
2000
Разжимаете — сокращаются вот эти мышцы.
02:43
So it's intuitive, and it works pretty well.
64
148000
3000
Всё происходит интуитивно,
и протез прекрасно работает.
и протез прекрасно работает.
02:46
Well how about with higher levels of amputation?
65
151000
2000
Но как быть, если ампутацию провели выше?
02:48
Now you've lost your arm above the elbow.
66
153000
2000
Вот вы потеряли всю руку, начиная с локтя.
02:50
You're missing not only these muscles,
67
155000
2000
Вы потеряли не только вот эти мышцы,
02:52
but your hand and your elbow too.
68
157000
2000
но ещё и кисть, и локоть.
02:54
What do you do?
69
159000
2000
Что вам делать?
02:56
Well our patients have to use
70
161000
2000
Нашим пациентам приходится
02:58
very code-y systems
71
163000
3000
использовать сложные системы,
03:01
of using just their arm muscles
72
166000
2000
привлекающие только мышцы плеча,
03:03
to operate robotic limbs.
73
168000
3000
чтобы управлять
роботизированными конечностями.
роботизированными конечностями.
03:06
We have robotic limbs.
74
171000
2000
У нас есть роботизированные конечности.
03:08
There are several available on the market, and here you see a few.
75
173000
3000
Несколько из них доступны на рынке,
пару вы видите здесь.
пару вы видите здесь.
03:11
They contain just a hand that will open and close,
76
176000
3000
Они состоят из кисти,
которая раскрывается и сжимается,
которая раскрывается и сжимается,
03:14
a wrist rotator and an elbow.
77
179000
2000
локтя и вращателя запястья.
03:16
There's no other functions.
78
181000
2000
Другие функции отсутствуют.
03:18
If they did, how would we tell them what to do?
79
183000
2000
Если бы они были, как бы мы
сообщали протезу, что делать?
сообщали протезу, что делать?
03:20
We built our own arm at the Rehab Institute of Chicago
80
185000
3000
Мы построили собственную руку
в Чикагском Институте Реабилитации,
в Чикагском Институте Реабилитации,
03:23
where we've added some wrist flexion and shoulder joints
81
188000
3000
добавив изгиб запястья и плечевой сустав,
03:26
to get up to six motors, or six degrees of freedom.
82
191000
3000
и добились 6 степеней подвижности.
03:29
And we've had the opportunity to work with some very advanced arms
83
194000
3000
Также мы смогли поработать
с некоторыми очень продвинутыми протезами,
с некоторыми очень продвинутыми протезами,
03:32
that were funded by the U.S. military, using these prototypes,
84
197000
3000
созданными на деньги военных США;
03:35
that had up to 10 different degrees of freedom
85
200000
3000
эти прототипы обладают
10 степенями подвижности,
10 степенями подвижности,
03:38
including movable hands.
86
203000
2000
включая подвижные кисти.
03:40
But at the end of the day,
87
205000
2000
Но, всё-таки, как сообщить
03:42
how do we tell these robotic arms what to do?
88
207000
2000
роботизированным рукам, что делать?
03:44
How do we control them?
89
209000
2000
Как ими управлять?
03:46
Well we need a neural interface,
90
211000
2000
То есть, нам нужен нейронный интерфейс,
03:48
a way to connect to our nervous system
91
213000
2000
способ подключиться к нервной системе
03:50
or our thought processes
92
215000
2000
или к мыслительному процессу,
03:52
so that it's intuitive, it's natural,
93
217000
2000
чтобы движения были интуитивными,
03:54
like for you and I.
94
219000
4000
естественными, как у нас с вами.
03:58
Well the body works by starting a motor command in your brain,
95
223000
3000
Тело работает так.
Мозг посылает двигательную команду,
Мозг посылает двигательную команду,
04:01
going down your spinal cord,
96
226000
2000
она проходит по спинному мозгу
04:03
out the nerves and to your periphery.
97
228000
2000
к нервам, от них — к мышцам.
04:05
And your sensation's the exact opposite.
98
230000
2000
С ощущениями всё наоборот.
04:07
You touch yourself, there's a stimulus
99
232000
2000
Прикосновение посылает импульс
04:09
that comes up those very same nerves back up to your brain.
100
234000
3000
по тем же нервам обратно в мозг.
04:13
When you lose your arm, that nervous system still works.
101
238000
3000
Когда вы теряете руку,
нервная система продолжает работать.
нервная система продолжает работать.
04:16
Those nerves can put out command signals.
102
241000
3000
Нервы всё ещё могут передавать команды.
04:19
And if I tap the nerve ending
103
244000
2000
И, если я коснусь нервного окончания
04:21
on a World War II vet,
104
246000
2000
ветерана Второй мировой войны,
04:23
he'll still feel his missing hand.
105
248000
2000
он всё так же почувствует отсутствующую руку.
04:25
So you might say,
106
250000
2000
Вы спросите,
04:27
let's go to the brain
107
252000
2000
почему не установить в мозг
04:29
and put something in the brain to record signals,
108
254000
3000
прибор для записи сигналов, или такой же,
04:32
or in the end of the peripheral nerve and record them there.
109
257000
3000
но на нервное окончание? И записать их там.
04:35
And these are very exciting research areas,
110
260000
3000
Это очень интересное поле для исследования,
04:38
but it's really, really hard.
111
263000
2000
но выполнить это на практике крайне сложно.
04:40
You have to put in
112
265000
2000
Придётся внедрить
04:42
hundreds of microscopic wires
113
267000
2000
сотни микроскопических проводов,
04:44
to record from little tiny individual neurons -- ordinary fibers
114
269000
4000
чтобы вести запись с одиночных нейронов —
единиц нервного волокна,
единиц нервного волокна,
04:48
that put out tiny signals
115
273000
2000
которые посылают короткие сигналы
04:50
that are microvolts.
116
275000
2000
величиной в микровольты.
04:52
And it's just too hard
117
277000
2000
Это слишком трудоёмкий процесс,
04:54
to use now and for my patients today.
118
279000
2000
чтобы использовать его здесь и сейчас.
04:56
So we developed a different approach.
119
281000
3000
Поэтому мы разработали другой подход.
04:59
We're using a biological amplifier
120
284000
3000
Мы стали использовать естественный усилитель
05:02
to amplify these nerve signals -- muscles.
121
287000
3000
нервных импульсов — мышцы.
05:05
Muscles will amplify the nerve signals
122
290000
2000
Мышцы усиливают нервный импульс
05:07
about a thousand-fold,
123
292000
2000
в тысячу раз,
05:09
so that we can record them from on top of the skin,
124
294000
3000
такой сигнал мы уже можем записать с кожи,
05:12
like you saw earlier.
125
297000
2000
как вы видели ранее.
05:14
So our approach is something we call targeted reinnervation.
126
299000
3000
Мы назвали наш метод
целевой реиннервацией.
целевой реиннервацией.
05:17
Imagine, with somebody who's lost their whole arm,
127
302000
3000
Представьте, у тех, кто потерял руку целиком,
05:20
we still have four major nerves
128
305000
2000
всё ещё сохраняются четыре основных нерва,
05:22
that go down your arm.
129
307000
2000
контролирующих конечность.
05:24
And we take the nerve away from your chest muscle
130
309000
3000
Мы отделяем один нерв от грудной мышцы
05:27
and let these nerves grow into it.
131
312000
3000
и позволяем нужным нервам врасти в неё.
05:30
Now you think, "Close hand," and a little section of your chest contracts.
132
315000
3000
Вы думаете: «Надо сжать кулак»,
и участок груди сокращается.
и участок груди сокращается.
05:33
You think, "Bend elbow,"
133
318000
2000
Вы думаете: «Нужно согнуть локоть»,
05:35
a different section contracts.
134
320000
2000
и сокращается другой участок.
05:37
And we can use electrodes or antennae
135
322000
2000
Теперь с помощью электродов мы можем
05:39
to pick that up and tell the arm to move.
136
324000
3000
уловить сигнал и заставить руку шевелиться.
05:42
That's the idea.
137
327000
2000
Такова идея.
05:44
So this is the first man that we tried it on.
138
329000
3000
А вот первый человек,
на котором мы её опробовали.
на котором мы её опробовали.
05:47
His name is Jesse Sullivan.
139
332000
2000
Его зовут Джесси Салливан
05:49
He's just a saint of a man --
140
334000
2000
Он не просто человек, он — святой.
05:51
54-year-old lineman who touched the wrong wire
141
336000
2000
54-летний электрик прикоснулся не к тому проводу —
05:53
and had both of his arms burnt so badly
142
338000
3000
обе его руки так сильно обгорели,
05:56
they had to be amputated at the shoulder.
143
341000
2000
что пришлось ампутировать их по плечи.
05:58
Jesse came to us at the RIC
144
343000
2000
Джесси прибыл к нам в институт,
06:00
to be fit with these state-of-the-art devices, and here you see them.
145
345000
3000
чтобы получить два прекрасных устройства,
посмотрите на них.
посмотрите на них.
06:03
I'm still using that old technology
146
348000
3000
Справа всё ещё стоит
06:06
with a bicycle cable on his right side.
147
351000
2000
старый протез с кабелем.
06:08
And he picks which joint he wants to move with those chin switches.
148
353000
3000
Чтобы пошевелить нужным суставом, он
использует эти переключатели у подбородка.
использует эти переключатели у подбородка.
06:11
On the left side he's got a modern motorized prosthesis
149
356000
3000
Слева он
с новым автоматизированным протезом
с новым автоматизированным протезом
06:14
with those three joints,
150
359000
2000
с тремя суставами, управление происходит
06:16
and he operates little pads in his shoulder
151
361000
3000
за счёт подушечек на плече,
06:19
that he touches to make the arm go.
152
364000
2000
он прикасается к ним, чтобы начать работу.
06:21
And Jesse's a good crane operator,
153
366000
2000
Кстати, Джесси отличный крановщик,
06:23
and he did okay by our standards.
154
368000
2000
он отвечал нашим требованиям.
06:25
He also required a revision surgery on his chest.
155
370000
3000
И ему нужна была
ревизионная операция грудной клетки.
ревизионная операция грудной клетки.
06:28
And that gave us the opportunity
156
373000
2000
Это и позволило
06:30
to do targeted reinnervation.
157
375000
2000
применить целевую реиннервацию.
06:32
So my colleague, Dr. Greg Dumanian, did the surgery.
158
377000
3000
Операцию проводил мой коллега,
доктор Грег Думаниан.
доктор Грег Думаниан.
06:35
First, we cut away the nerve to his own muscle,
159
380000
3000
Сначала мы вырезали
его собственный нерв из мышцы,
его собственный нерв из мышцы,
06:38
then we took the arm nerves
160
383000
2000
затем взяли нервы руки
06:40
and just kind of had them shift down onto his chest
161
385000
2000
и как бы переместили их ниже, на грудь,
06:42
and closed him up.
162
387000
2000
и всё зашили.
06:44
And after about three months,
163
389000
2000
Где-то через три месяца нервы начали врастать,
06:46
the nerves grew in a little bit and we could get a twitch.
164
391000
2000
и мы смогли уловить подёргивание.
06:48
And after six months, the nerves grew in well,
165
393000
3000
Через шесть месяцев они вросли как следует,
06:51
and you could see strong contractions.
166
396000
2000
и мы увидели уверенное сокращение.
06:53
And this is what it looks like.
167
398000
2000
Это выглядит так.
06:55
This is what happens when Jesse thinks
168
400000
2000
Вот Джесси хочет
06:57
open and close his hand,
169
402000
2000
сжать или разжать кулак,
06:59
or bend or straighten your elbow.
170
404000
3000
согнуть локоть.
07:02
You can see the movements on his chest,
171
407000
2000
Видите движения на груди,
07:04
and those little hash marks
172
409000
2000
а небольшие отметины — места,
07:06
are where we put our antennae, or electrodes.
173
411000
2000
куда мы ставим антенны или электроды.
07:08
And I challenge anybody in the room
174
413000
2000
И пусть кто-нибудь в зале попробует
07:10
to make their chest go like this.
175
415000
2000
проделать подобное со своей грудью.
07:12
His brain is thinking about his arm.
176
417000
2000
Его мозг думает о движениях руки.
07:14
He has not learned how to do this with the chest.
177
419000
3000
Он не учился проделывать подобное мышцами.
07:17
There is not a learning process.
178
422000
2000
Тут нет процесса обучения.
07:19
That's why it's intuitive.
179
424000
2000
Всё происходит интуитивно.
07:21
So here's Jesse in our first little test with him.
180
426000
3000
Здесь Джесси участвует в первом тесте.
07:24
On the left-hand side, you see his original prosthesis,
181
429000
3000
Слева Джесси со старым протезом,
07:27
and he's using those switches
182
432000
2000
он использует переключатели,
07:29
to move little blocks from one box to the other.
183
434000
2000
чтобы перекладывать кубики
из коробки в коробку.
из коробки в коробку.
07:31
He's had that arm for about 20 months, so he's pretty good with it.
184
436000
3000
Он носил этот протез 20 месяцев,
так что уверенно им пользуется.
так что уверенно им пользуется.
07:34
On the right side,
185
439000
2000
Справа протез
на основе целевой реиннервации,
на основе целевой реиннервации,
07:36
two months after we fit him with his targeted reinnervation prosthesis --
186
441000
3000
который мы установили за два месяца до теста.
07:39
which, by the way, is the same physical arm,
187
444000
3000
Физически это та же рука,
07:42
just programmed a little different --
188
447000
2000
только запрограммированная по-другому.
07:44
you can see that he's much faster
189
449000
2000
И вы сами видите, насколько быстрее
07:46
and much smoother as he moves these little blocks.
190
451000
3000
и плавнее он перекладывает кубики.
07:49
And we're only able to use three of the signals at this time.
191
454000
3000
На тот момент мы
использовали лишь три сигнала.
использовали лишь три сигнала.
07:52
Then we had one of those little surprises in science.
192
457000
5000
А потом, как всегда в науке,
произошла неожиданная вещь.
произошла неожиданная вещь.
07:57
So we're all motivated to get motor commands
193
462000
2000
Мы нацелены получить двигательные команды
07:59
to drive robotic arms.
194
464000
2000
для управления роботизированной рукой.
08:01
And after a few months,
195
466000
2000
Через несколько месяцев
08:03
you touch Jesse on his chest,
196
468000
2000
кто-то дотронулся до груди Джесси,
08:05
and he felt his missing hand.
197
470000
3000
а он почувствовал свою отсутствующую кисть.
08:08
His hand sensation grew into his chest again
198
473000
2000
Ощущения руки перешли на грудную клетку,
08:10
probably because we had also taken away a lot of fat,
199
475000
3000
наверное, потому что мы убрали много жира,
08:13
so the skin was right down to the muscle
200
478000
2000
и кожа соприкасалась
непосредственно с мышцей,
непосредственно с мышцей,
08:15
and deinnervated, if you would, his skin.
201
480000
2000
кожа была деиннервирована.
08:17
So you touch Jesse here, he feels his thumb;
202
482000
2000
Т.е. вы прикасаетесь здесь,
Джесси чувствует большой палец.
Джесси чувствует большой палец.
08:19
you touch it here, he feels his pinky.
203
484000
2000
Прикасаетесь здесь — мизинец.
08:21
He feels light touch
204
486000
2000
Он ощущает лёгкие прикосновения
08:23
down to one gram of force.
205
488000
2000
до одного грамма силы.
08:25
He feels hot, cold, sharp, dull,
206
490000
3000
Он чувствует горячее, холодное, острое, тупое,
08:28
all in his missing hand,
207
493000
2000
будто бы ладонью
08:30
or both his hand and his chest,
208
495000
2000
или сразу ладонью и грудью,
08:32
but he can attend to either.
209
497000
2000
он может выбрать,
к каким ощущениям прислушаться.
к каким ощущениям прислушаться.
08:34
So this is really exciting for us,
210
499000
2000
Мы были взбудоражены,
08:36
because now we have a portal,
211
501000
2000
потому что теперь у нас появился портал,
08:38
a portal, or a way to potentially give back sensation,
212
503000
4000
или способ вернуть обратно чувства,
08:42
so that he might feel what he touches
213
507000
2000
чтобы он чувствовал, к чему прикасается
08:44
with his prosthetic hand.
214
509000
2000
его искусственная рука.
08:46
Imagine sensors in the hand
215
511000
2000
Представьте, сенсоры в кисти
посылают сигнал выше
посылают сигнал выше
08:48
coming up and pressing on this new hand skin.
216
513000
3000
и отражают его на новой коже ладони.
08:51
So it was very exciting.
217
516000
2000
Мы были ужасно взволнованы.
08:53
We've also gone on
218
518000
2000
Мы продолжили исследования
08:55
with what was initially our primary population
219
520000
2000
с основным контингентом,
08:57
of people with above-the-elbow amputations.
220
522000
2000
людьми, потерявшими руку выше локтя.
08:59
And here we deinnervate, or cut the nerve away,
221
524000
3000
Мы деиннервируем, вырезаем нерв
09:02
just from little segments of muscle
222
527000
2000
из небольшого участка мышцы,
09:04
and leave others alone
223
529000
2000
остальные оставляем на месте;
09:06
that give us our up-down signals
224
531000
2000
это даёт нам сигнал поднять-опустить
09:08
and two others that will give us a hand open and close signal.
225
533000
3000
и ещё два, которые обеспечивают
сжимание и разжимание кисти.
сжимание и разжимание кисти.
09:11
This was one of our first patients, Chris.
226
536000
2000
Это один из первых пациентов, Крис.
09:13
You see him with his original device
227
538000
2000
Слева его старый протез
09:15
on the left there after eight months of use,
228
540000
2000
после восьми месяцев использования,
09:17
and on the right, it is two months.
229
542000
2000
а справа — новый после
двух месяцев тренировки.
двух месяцев тренировки.
09:19
He's about four or five times as fast
230
544000
3000
Он в четыре или пять раз быстрее,
09:22
with this simple little performance metric.
231
547000
3000
как видно на этом простом примере.
09:25
All right.
232
550000
2000
Хорошо.
09:27
So one of the best parts of my job
233
552000
3000
Пожалуй, лучшая часть моей профессии —
09:30
is working with really great patients
234
555000
2000
это работа с замечательными пациентами,
09:32
who are also our research collaborators.
235
557000
2000
которые принимают
активное участие в исследованиях.
активное участие в исследованиях.
09:34
And we're fortunate today
236
559000
2000
Нам повезло, что сегодня
09:36
to have Amanda Kitts come and join us.
237
561000
2000
к нам присоединится Аманда Киттс.
09:38
Please welcome Amanda Kitts.
238
563000
2000
Поприветствуйте, пожалуйста, Аманду Киттс.
09:40
(Applause)
239
565000
7000
(Аплодисменты)
09:47
So Amanda, would you please tell us how you lost your arm?
240
572000
3000
Аманда, расскажи, пожалуйста,
как ты потеряла руку?
как ты потеряла руку?
09:50
Amanda Kitts: Sure. In 2006, I had a car accident.
241
575000
3000
Аманда Киттс:
В 2006 я попала в автокатастрофу.
В 2006 я попала в автокатастрофу.
09:53
And I was driving home from work,
242
578000
3000
Я возвращалась с работы домой,
09:56
and a truck was coming the opposite direction,
243
581000
2000
когда грузовик, шедший мне навстречу,
09:58
came over into my lane,
244
583000
2000
оказался на моей полосе движения,
10:00
ran over the top of my car and his axle tore my arm off.
245
585000
4000
снёс крышу моей машины и оторвал мне руку.
10:04
Todd Kuiken: Okay, so after your amputation, you healed up.
246
589000
3000
Тодд Куйкен:
После ампутации и заживления рубцов
После ампутации и заживления рубцов
10:07
And you've got one of these conventional arms.
247
592000
2000
ты поставила классический протез.
10:09
Can you tell us how it worked?
248
594000
3000
Расскажи, как ты с ним управлялась?
10:12
AK: Well, it was a little difficult,
249
597000
2000
АК: Было сложновато, потому что приходилось
10:14
because all I had to work with was a bicep and a tricep.
250
599000
2000
работать только бицепсом и трицепсом.
10:16
So for the simple little things like picking something up,
251
601000
3000
Чтобы просто поднять что-то,
10:19
I would have to bend my elbow,
252
604000
3000
мне приходилось сгибать локоть
10:22
and then I would have to cocontract
253
607000
2000
и одновременно с этим сокращать мышцы,
10:24
to get it to change modes.
254
609000
2000
чтобы переключить режим работы.
10:26
When I did that,
255
611000
2000
После этого нужно было
10:28
I had to use my bicep
256
613000
3000
напрячь бицепс,
10:31
to get the hand to close,
257
616000
2000
чтобы сжать руку в кулак
10:33
use my tricep to get it to open,
258
618000
2000
или трицепс, чтобы раскрыть кисть,
10:35
cocontract again
259
620000
2000
снова сжать мышцы,
10:37
to get the elbow to work again.
260
622000
2000
чтобы заработал локоть.
10:39
TK: So it was a little slow?
261
624000
2000
ТК: То есть, это занимало много времени?
10:41
AK: A little slow, and it was just hard to work.
262
626000
3000
АК: Да, к тому же было просто тяжело.
10:44
You had to concentrate a whole lot.
263
629000
2000
Приходилось всё время
концентрироваться на руке.
концентрироваться на руке.
10:46
TK: Okay, so I think about nine months later
264
631000
3000
ТК: Давайте переместимся на 9 месяцев вперёд,
10:49
that you had the targeted reinnervation surgery,
265
634000
2000
когда прошла операция
по целевой реиннервации,
по целевой реиннервации,
10:51
took six more months to have all the reinnervation.
266
636000
3000
плюс понадобилось 6 месяцев
для окончательной реиннервации тканей.
для окончательной реиннервации тканей.
10:54
Then we fit her with a prosthesis.
267
639000
3000
Мы установили протез.
10:57
And how did that work for you?
268
642000
2000
Как он тебе в действии?
10:59
AK: It works good.
269
644000
3000
АК: Всё хорошо.
11:02
I was able to use my elbow
270
647000
4000
Я смогла работать локтём
11:06
and my hand simultaneously.
271
651000
3000
и кистью одновременно,
11:09
I could work them just by my thoughts.
272
654000
2000
просто подумав о них.
11:11
So I didn't have to do any of the cocontracting and all that.
273
656000
3000
Мне больше не нужно
поджимать и сгибать мышцы.
поджимать и сгибать мышцы.
11:14
TK: A little faster?
274
659000
2000
ТК: Теперь всё происходит несколько быстрее?
11:16
AK: A little faster. And much more easy, much more natural.
275
661000
4000
АК: Да, быстрее и гораздо проще,
гораздо естественнее.
гораздо естественнее.
11:20
TK: Okay, this was my goal.
276
665000
3000
ТК: Это и была моя цель.
11:23
For 20 years, my goal was to let somebody
277
668000
3000
20 лет я стремился к тому,
11:26
[be] able to use their elbow and hand in an intuitive way
278
671000
3000
чтобы люди могли работать
локтём и кистью интуитивно
локтём и кистью интуитивно
11:29
and at the same time.
279
674000
2000
и одновременно.
11:31
And we now have over 50 patients around the world who have had this surgery,
280
676000
3000
Сейчас больше 50 пациентов
по всему миру сделали такую операцию,
по всему миру сделали такую операцию,
11:34
including over a dozen of our wounded warriors
281
679000
2000
среди них около дюжины раненых бойцов
11:36
in the U.S. armed services.
282
681000
2000
американских вооружённых сил.
11:38
The success rate of the nerve transfers is very high.
283
683000
3000
Процент успешного переноса нервов
очень высок.
очень высок.
11:41
It's like 96 percent.
284
686000
2000
Около 96 процентов. Всё потому,
11:43
Because we're putting a big fat nerve onto a little piece of muscle.
285
688000
3000
что мы присоединяем здоровенный нерв
к маленькому кусочку мышцы.
к маленькому кусочку мышцы.
11:46
And it provides intuitive control.
286
691000
4000
Это и обеспечивает интуитивный контроль.
11:50
Our functional testing, those little tests,
287
695000
2000
Функциональное тестирование показывает,
11:52
all show that they're a lot quicker and a lot easier.
288
697000
2000
что новые протезы гораздо
быстрее и проще в управлении.
быстрее и проще в управлении.
11:54
And the most important thing
289
699000
2000
А важнее всего то,
11:56
is our patients have appreciated it.
290
701000
2000
что это оценили пациенты.
11:58
So that was all very exciting.
291
703000
2000
Всё это очень радует.
12:00
But we want to do better.
292
705000
3000
Но мы хотим лучших результатов.
12:03
There's a lot of information in those nerve signals,
293
708000
4000
Нервные импульсы
содержат море информации,
содержат море информации,
12:07
and we wanted to get more.
294
712000
2000
мы хотели добиться большего.
12:09
You can move each finger. You can move your thumb, your wrist.
295
714000
3000
Вы можете шевелить запястьем
или каждым пальцем по-отдельности.
или каждым пальцем по-отдельности.
12:12
Can we get more out of it?
296
717000
2000
Что нам это даёт?
12:14
So we did some experiments
297
719000
2000
Мы провели несколько экспериментов,
12:16
where we saturated our poor patients with zillions of electrodes
298
721000
3000
мы опутали бедных пациентов
сетью электродов
сетью электродов
12:19
and then had them try to do two dozen different tasks --
299
724000
3000
и заставили выполнять наши задания,
12:22
from wiggling a finger to moving a whole arm
300
727000
3000
согнуть палец, махнуть рукой,
12:25
to reaching for something --
301
730000
2000
потянуться за чем-нибудь,
12:27
and recorded this data.
302
732000
2000
и записали всю информацию.
12:29
And then we used some algorithms
303
734000
2000
Потом воспользовались
определённым алгоритмом,
определённым алгоритмом,
12:31
that are a lot like speech recognition algorithms,
304
736000
2000
он похож на алгоритм распознавания речи
12:33
called pattern recognition.
305
738000
2000
и называется «распознавание образа».
12:35
See.
306
740000
2000
Видите.
12:37
(Laughter)
307
742000
2000
(Смех)
12:39
And here you can see, on Jesse's chest,
308
744000
2000
Посмотрите на грудь Джесси,
12:41
when he just tried to do three different things,
309
746000
2000
тут он выполняет три различных действия,
12:43
you can see three different patterns.
310
748000
2000
вы видите три разных паттерна.
12:45
But I can't put in an electrode
311
750000
2000
Но я не могу просто подставить электрод
12:47
and say, "Go there."
312
752000
2000
и сказать: «Иди туда».
12:49
So we collaborated with our colleagues in University of New Brunswick,
313
754000
3000
Поэтому в сотрудничестве
с Университетом Нью Брансвика
с Университетом Нью Брансвика
12:52
came up with this algorithm control,
314
757000
2000
был разработан алгоритм контроля,
12:54
which Amanda can now demonstrate.
315
759000
2000
который сейчас продемонстрирует Аманда.
12:56
AK: So I have the elbow that goes up and down.
316
761000
5000
AK: У меня есть механизм сгибания локтя.
13:01
I have the wrist rotation
317
766000
2000
Я могу вращать запястье
13:03
that goes -- and it can go all the way around.
318
768000
3000
на 360 градусов.
13:06
And I have the wrist flexion and extension.
319
771000
4000
Я могу сгибать и разгибать руку
в области запястья.
в области запястья.
13:10
And I also have the hand closed and open.
320
775000
3000
Могу сжимать и разжимать кисть.
13:13
TK: Thank you, Amanda.
321
778000
2000
ТК: Спасибо, Аманда.
13:15
Now this is a research arm,
322
780000
2000
Это тестовый образец руки,
13:17
but it's made out of commercial components from here down
323
782000
3000
но он изготовлен из серийных компонентов,
13:20
and a few that I've borrowed from around the world.
324
785000
3000
я позаимствовал их из разных частей света.
13:23
It's about seven pounds,
325
788000
3000
Он весит около 3 килограмм,
13:26
which is probably about what my arm would weigh
326
791000
2000
и моя рука весила бы столько же,
13:28
if I lost it right here.
327
793000
2000
если бы её ампутировали вот здесь.
13:30
Obviously, that's heavy for Amanda.
328
795000
3000
Тяжеловато для Аманды.
13:33
And in fact, it feels even heavier,
329
798000
2000
К тому же протез кажется тяжелее,
13:35
because it's not glued on the same.
330
800000
2000
потому что не является частью целого.
13:37
She's carrying all the weight through harnesses.
331
802000
2000
Весь вес удерживается на ремнях.
13:39
So the exciting part isn't so much the mechatronics,
332
804000
3000
Но интересна здесь не механическая часть,
13:42
but the control.
333
807000
2000
а устройство контроля.
13:44
So we've developed a small microcomputer
334
809000
3000
Мы разработали микрокомпьютер,
13:47
that is blinking somewhere behind her back
335
812000
3000
который мигает за спиной Аманды
13:50
and is operating this
336
815000
2000
и управляет протезом,
13:52
all by the way she trains it
337
817000
2000
подстраиваясь под
13:54
to use her individual muscle signals.
338
819000
2000
индивидуальные мышечные сигналы Аманды.
13:56
So Amanda, when you first started using this arm,
339
821000
2000
Сколько тебе пришлось тренироваться,
13:58
how long did it take to use it?
340
823000
3000
чтобы научиться пользоваться новой рукой?
14:01
AK: It took just about probably three to four hours
341
826000
2000
АК: Я занималась около трёх или четырёх часов,
14:03
to get it to train.
342
828000
2000
чтобы привыкнуть.
14:05
I had to hook it up to a computer,
343
830000
2000
Мне нужно было оставаться
подключённой к компьютеру,
подключённой к компьютеру,
14:07
so I couldn't just train it anywhere.
344
832000
2000
я не могла обучать протез где угодно.
14:09
So if it stopped working, I just had to take it off.
345
834000
3000
Если рука отключалась,
то приходилось её снимать.
то приходилось её снимать.
14:12
So now it's able to train
346
837000
2000
А теперь он подстраивается под меня,
14:14
with just this little piece on the back.
347
839000
2000
с помощью небольшой штуковины
у меня на спине.
у меня на спине.
14:16
I can wear it around.
348
841000
2000
Я могу взять её с собой куда угодно.
14:18
If it stops working for some reason, I can retrain it.
349
843000
3000
Если рука почему-то перестанет работать,
я её перепрограммирую.
я её перепрограммирую.
14:21
Takes about a minute.
350
846000
2000
Это занимает всего минуту.
14:23
TK: So we're really excited,
351
848000
2000
ТК: Итак, мы в предвкушении,
14:25
because now we're getting to a clinically practical device.
352
850000
3000
теперь у нас есть
клинически пригодное устройство.
клинически пригодное устройство.
14:28
And that's where our goal is --
353
853000
2000
Этого мы и хотим,
14:30
to have something clinically pragmatic to wear.
354
855000
4000
создать устройство для клинической практики.
14:34
We've also had Amanda able to use
355
859000
3000
Мы протестировали на Аманде
14:37
some of our more advanced arms that I showed you earlier.
356
862000
3000
более продвинутые руки,
которые я показывал ранее.
которые я показывал ранее.
14:41
Here's Amanda using an arm made by DEKA Research Corporation.
357
866000
3000
Здесь Аманда с рукой
от DEKA Research Corporation.
от DEKA Research Corporation.
14:44
And I believe Dean Kamen presented it at TED a few years ago.
358
869000
4000
Думаю, Дэн Камен демонстрировал
её на TED несколько лет назад.
её на TED несколько лет назад.
14:48
So Amanda, you can see,
359
873000
2000
Как видите, Аманда
14:50
has really good control.
360
875000
2000
прекрасно её контролирует.
14:52
It's all the pattern recognition.
361
877000
2000
Это всё то же распознавание шаблона.
14:54
And it now has a hand that can do different grasps.
362
879000
3000
Но теперь оно подключено к руке,
которая способна на различные захваты.
которая способна на различные захваты.
14:57
What we do is have the patient go all the way open
363
882000
3000
Мы просим пациента полностью
раскрыть руку и подумать:
раскрыть руку и подумать:
15:00
and think, "What hand grasp pattern do I want?"
364
885000
3000
«Какие варианты захватов мне понадобятся?»
15:03
It goes into that mode,
365
888000
2000
Модель получит эту информацию,
15:05
and then you can do up to five or six different hand grasps with this hand.
366
890000
2000
а вы — 5 или 6 различных вариантов захвата.
15:07
Amanda, how many were you able to do with the DEKA arm?
367
892000
3000
Аманда, сколько захватов
ты освоила с рукой от DEKA?
ты освоила с рукой от DEKA?
15:10
AK: I was able to get four.
368
895000
2000
АК: У меня получались 4.
15:12
I had the key grip, I had a chuck grip,
369
897000
3000
Основной захват, захват пальцами,
15:15
I had a power grasp
370
900000
2000
сильное сжатие,
15:17
and I had a fine pinch.
371
902000
2000
и щепотка.
15:19
But my favorite one was just when the hand was open,
372
904000
2000
Но моё любимое положение —
открытая рука,
открытая рука,
15:21
because I work with kids,
373
906000
2000
ведь я работаю с детьми.
15:23
and so all the time you're clapping and singing,
374
908000
3000
Я снова смогла хлопать в ладоши и петь,
15:26
so I was able to do that again, which was really good.
375
911000
3000
что меня, конечно, очень порадовало.
15:29
TK: That hand's not so good for clapping.
376
914000
2000
ТК: Эта рука не совсем подходит для хлопков.
15:31
AK: Can't clap with this one.
377
916000
2000
АК: Да, с этой так не получится.
15:33
TK: All right. So that's exciting
378
918000
2000
ТК: Хорошо. Радует, что мы сможем
15:35
on where we may go with the better mechatronics,
379
920000
2000
достичь большего, если будем использовать
15:37
if we make them good enough
380
922000
2000
более совершенные механизмы,
15:39
to put out on the market and use in a field trial.
381
924000
3000
которые можно выставить на рынок
и провести полевые испытания.
и провести полевые испытания.
15:42
I want you to watch closely.
382
927000
2000
Смотрите внимательно.
15:44
(Video) Claudia: Oooooh!
383
929000
2000
(Видео) Клаудиа: Ого!
15:46
TK: That's Claudia,
384
931000
2000
ТК: Это Клаудия,
15:48
and that was the first time
385
933000
2000
она в первый раз
15:50
she got to feel sensation through her prosthetic.
386
935000
3000
почувствовала что-то через протез.
15:53
She had a little sensor at the end of her prosthesis
387
938000
3000
На конце протеза был установлен сенсор,
15:56
that then she rubbed over different surfaces,
388
941000
3000
она дотрагивалась до различных поверхностей
15:59
and she could feel different textures
389
944000
2000
и смогла почувствовать текстуру
16:01
of sandpaper, different grits, ribbon cable,
390
946000
3000
наждачной бумаги, песка, ленточного кабеля,
16:04
as it pushed on her reinnervated hand skin.
391
949000
3000
чувство прошло
на реиннервированную кожу руки.
на реиннервированную кожу руки.
16:07
She said that when she just ran it across the table,
392
952000
3000
Она рассказала,
что как только провела ей по столу,
что как только провела ей по столу,
16:10
it felt like her finger was rocking.
393
955000
2000
почувствовала будто бы подрагивание пальцев.
16:12
So that's an exciting laboratory experiment
394
957000
2000
Это волнующий
лабораторный эксперимент о том,
лабораторный эксперимент о том,
16:14
on how to give back, potentially, some skin sensation.
395
959000
3000
как вернуть некоторую чувствительность кожи.
16:17
But here's another video that shows some of our challenges.
396
962000
3000
Но у нас ещё остались нерешённые задачи.
16:20
This is Jesse, and he's squeezing a foam toy.
397
965000
3000
Это Джесси, он сжимает резиновую игрушку.
16:23
And the harder he squeezes -- you see a little black thing in the middle
398
968000
3000
И видите чёрную штуковину посередине,
16:26
that's pushing on his skin proportional to how hard he squeezes.
399
971000
3000
чем сильнее он сжимает игрушку,
тем сильнее это отдаётся на коже.
тем сильнее это отдаётся на коже.
16:29
But look at all the electrodes around it.
400
974000
2000
Но посмотрите на все эти электроды вокруг неё.
16:31
I've got a real estate problem.
401
976000
2000
Тут остро стоит «квартирный вопрос».
16:33
You're supposed to put a bunch of these things on there,
402
978000
2000
Предполагается, что нужно поставить
16:35
but our little motor's making all kinds of noise
403
980000
3000
несколько таких штук, но этот маленький моторчик шумит
16:38
right next to my electrodes.
404
983000
2000
прямо рядом с электродами.
16:40
So we're really challenged on what we're doing there.
405
985000
3000
Поэтому мы должны решить,
что нам с этим делать.
что нам с этим делать.
16:43
The future is bright.
406
988000
2000
Будущее видится прекрасным.
16:45
We're excited about where we are and a lot of things we want to do.
407
990000
3000
Мы рады тому, что уже получилось,
16:48
So for example,
408
993000
2000
и предвкушаем решение
новых задач, например,
новых задач, например,
16:50
one is to get rid of my real estate problem
409
995000
3000
как избавиться от проблемы с жилплощадью
16:53
and get better signals.
410
998000
2000
и получать более точные сигналы.
16:55
We want to develop these little tiny capsules
411
1000000
3000
Мы хотим разработать малюсенькие капсулы
16:58
about the size of a piece of risotto
412
1003000
2000
размером с рисинку,
17:00
that we can put into the muscles
413
1005000
2000
чтобы внедрять их в мышцы
17:02
and telemeter out the EMG signals,
414
1007000
3000
и передавать электромагнитные сигналы,
17:05
so that it's not worrying about electrode contact.
415
1010000
3000
и не волноваться о контакте с электродами.
17:08
And we can have the real estate open
416
1013000
2000
Мы получим больше места, чтобы
17:10
to try more sensation feedback.
417
1015000
2000
попробовать возродить больше ощущений.
17:12
We want to build a better arm.
418
1017000
2000
Мы хотим создать более совершенную руку.
17:14
This arm -- they're always made for the 50th percentile male --
419
1019000
4000
Сейчас руки создают для мужчин.
17:18
which means they're too big for five-eighths of the world.
420
1023000
4000
Это означает, что они слишком велики
для 5/8 населения планеты.
для 5/8 населения планеты.
17:22
So rather than a super strong or super fast arm,
421
1027000
3000
Поэтому вместо очень сильной
и очень быстрой руки,
и очень быстрой руки,
17:25
we're making an arm that is --
422
1030000
2000
мы сделаем руку,
17:27
we're starting with,
423
1032000
2000
которая будет подходить
17:29
the 25th percentile female --
424
1034000
3000
для женщин;
17:32
that will have a hand that wraps around,
425
1037000
2000
она будет поворачиваться у запястья,
17:34
opens all the way,
426
1039000
2000
полностью открывать ладонь,
17:36
two degrees of freedom in the wrist and an elbow.
427
1041000
3000
сгибаться в районе запястья и локтя.
17:39
So it'll be the smallest and lightest
428
1044000
2000
Это будет самая маленькая, лёгкая
17:41
and the smartest arm ever made.
429
1046000
2000
и самая умная рука из когда-либо созданных.
17:43
Once we can do it that small,
430
1048000
2000
Как только мы научимся
делать такие маленькие руки,
делать такие маленькие руки,
17:45
it's a lot easier making them bigger.
431
1050000
2000
сделать их крупнее будет гораздо проще.
17:47
So those are just some of our goals.
432
1052000
3000
Это лишь некоторые цели.
17:50
And we really appreciate you all being here today.
433
1055000
4000
Мы очень рады, что вы пришли сегодня.
17:54
I'd like to tell you a little bit about the dark side,
434
1059000
2000
И раскрою вам секрет,
17:56
with yesterday's theme.
435
1061000
2000
что всё не так гладко.
17:58
So Amanda came jet-lagged,
436
1063000
2000
Вчера Аманда, уставшая после полёта,
18:00
she's using the arm,
437
1065000
2000
пробует руку в работе,
18:02
and everything goes wrong.
438
1067000
2000
и всё идёт не так.
18:04
There was a computer spook,
439
1069000
2000
Сбой компьютера,
18:06
a broken wire,
440
1071000
2000
испорченный провод,
18:08
a converter that sparked.
441
1073000
2000
искрящий конвертор.
18:10
We took out a whole circuit in the hotel
442
1075000
2000
Мы вырубили целый этаж в гостинице,
18:12
and just about put on the fire alarm.
443
1077000
2000
чуть не включили пожарную сигнализацию.
18:14
And none of those problems could I have dealt with,
444
1079000
3000
Один я бы с этим не справился,
18:17
but I have a really bright research team.
445
1082000
2000
но у меня есть
чудесная команда исследователей.
чудесная команда исследователей.
18:19
And thankfully Dr. Annie Simon was with us
446
1084000
3000
Хорошо, что с нами была доктор Анни Саймон
18:22
and worked really hard yesterday to fix it.
447
1087000
2000
и как следует поработала, чтобы всё починить.
18:24
That's science.
448
1089000
2000
Вот это наука.
18:26
And fortunately, it worked today.
449
1091000
2000
К счастью, сегодня всё работает.
18:28
So thank you very much.
450
1093000
2000
Спасибо вам большое.
18:30
(Applause)
451
1095000
14000
(Аплодисменты)
ABOUT THE SPEAKER
Todd Kuiken - Biomedical engineerA doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics.
Why you should listen
As Dean Kamen said at TED2007, the design of the prosthetic arm hadn't really been updated since the Civil War -- basically "a stick and a hook." But at the Rehabilitation Institute of Chicago, physiatrist Todd Kuiken is building new arms and hands that are wired into the nervous system and can be controlled by the same impulses from the brain that once controlled flesh and blood.
Kuiken's training -- as both a physician and an engineer -- helps him see both sides of this complex problem. A technology called targeted muscle reinnervation uses nerves remaining after an amputation to control an artificial limb, linking brain impulses to a computer in the prosthesis that directs motors to move the limb. An unexpected effect in some patients: not only can they move their new limb, they can feel with it.
He said: "From an engineering standpoint, this is the greatest challenge one can imagine: trying to restore the most incredible machine in the universe."
Todd Kuiken | Speaker | TED.com