Ученые НГУ разрабатывают протезы и цифровые двойники ампутантов

Научная группа Новосибирского государственного университета по биомеханике и медицинскому инжинирингу реализует проекты по созданию высокотехнологичных продуктов для протезной отрасли, в том числе цифровых и с использованием аддитивных технологий, сообщает пресс-служба вуза.

«В настоящий момент в нашей стране остро ощущается нехватка научно-исследовательских работ в области разработки протезов, что затрудняет создание технологичных продуктов, призванных обеспечить ампутантам полноценную жизнь. В то же время протезирование является актуальной проблемой в России, так как количество людей, нуждающихся в такого рода помощи, растет. Наши проекты направлены на решение данной проблемы и повышение качества жизни пациентов, нуждающихся в реабилитации и высокотехнологичном протезировании», — прокомментировал руководитель группы Владимир Сердюков.

Цифровой двойник ампутанта — математическая модель опорно-двигательного аппарата человека, описывающая кинематику и динамику движений. С его помощью появляется возможность анализировать характеристики походки, работы мышц и энергозатраты ампутанта без проведения многочисленных исследований в центре протезирования. Визуализация двойника позволяет подробно рассматривать особенности и патологии походки, а представление данных в численном виде позволяет сравнивать результаты с исследованиями и стандартами. Численная модель протеза стопы — математическая модель, описывающая физические свойства материалов, геометрию и позволяющую исследовать влияние нагрузок на протез.

Проект по разработке цифрового двойника ампутанта нижних конечностей направлен на исследование биомеханики с помощью компьютерного моделирования для решения целого ряда проблемных задач протезно-ортопедической отрасли — определения оптимальных видов и конструкций протезов для конкретных пациентов, определения причин, затрудняющих использование протезов, а также разработки и тестирования новых типов протезов.

Моделирование будет полезно как на этапе выбора протеза благодаря примерке различных протезов на двойника, так и на этапе реабилитации. Появляется возможность фиксировать улучшения с помощью количественных показателей и прогнозировать ход реабилитации. Проект поддержан Российским научным фондом.

«Конечная наша цель — разработка собственного программного обеспечения, позволяющего наглядно отображать биомеханические показатели конкретного пациента и давать рекомендации по подбору и использованию протеза или прослеживать ход реабилитации ампутанта. Основными пользователями программного обеспечения станут специалисты протезных и реабилитационных клиник, с рядом которых уже налажено сотрудничество. Подобных решений сегодня нет в мире», — рассказал Владимир Сердюков.

Цифровой двойник ампутанта нижних конечностей уже создан, однако работа над его совершенствованием продолжается. Ученые намерены добавить в модель данные с системы захвата движений. Также ученые разработали численную модель протеза стопы, благодаря которой появляется возможность разрабатывать изначально оптимальную геометрию протезов без многочисленных натурных экспериментов с прототипами. В качестве материала исследователи изначально заложили карбон как один из наиболее перспективных материалов, позволяющих достигать необходимые эксплуатационные и прочностные характеристики.

«В данный момент мы проводим численные эксперименты, используя геометрию существующей на рынке немецкой стопы, однако материал заложили тот, который доступен в России. Это приводит к необходимости оптимизации геометрии изделия, чтобы не столкнуться с проблемой его поломки во время использования пациентом. В дальнейшем мы хотим разработать уже собственный протез, а также рассматриваем возможность производства протезов стоп с помощью аддитивных технологий», — объяснил Владимир Сердюков.

В этом году с помощью 3D-печати группой создан прототип культеприемной гильзы руки. Использование этой технологии позволило сделать конструкцию одновременно прочной и легкой, с отверстиями для вентиляции культи, что крайне важно для обеспечения гигиеничности. Использовать его можно не только в качестве культеприемной гильзы, но и в качестве рабочего протеза предплечья.

«Главное преимущество разработанной нами гильзы — ее адаптивность и возможность использовать готовые изделия, а не изготавливать их индивидуально, что занимает много времени. Наша гильза снабжена системой шнуровки, как в горнолыжных ботинках, что позволяет подгонять ее под конкретного пациента. Кроме того, пациент сможет самостоятельно ослаблять или затягивать гильзу в течение дня, например при физической активности, чтобы она идеально соответствовала размеру культи. Сейчас мы дорабатываем нашу конструкцию и планируем отдать этот продукт на тестирование ампутантом», — рассказал Владимир Сердюков.

В настоящий момент студент четвертого курса Инженерной школы Механико-математического факультета НГУ Назар Коновалов разрабатывает устройство для изучения биомеханики ампутантов. Молодой исследователь стал одним из победителей федерального конкурса «Студенческий стартап» и выиграл один миллион рублей на развитие проекта. Его изобретение — стелька для анализа биомеханики ампутантов — позволит изучить распределение давления между здоровой ногой и протезом. Это важно для оптимизации подбора протеза и отслеживания хода реабилитации пациента. Данные о пациентах будут собирать в течение дня. Так можно будет отслеживать изменение походки ампутанта, что невозможно при разовом посещении клиники. Особо важно, что предлагаемое решение позволяет вводить количественную метрику для подбора протезов, а также производить сбор и анализ данных без привязки к кабинету протезиста.

«Наше решение позволит помочь оптимизировать подбор протеза. Это облегчает как работу врача-протезиста, так и реабилитацию пациента. Мы ожидаем, что разрабатываемое нами устройство очень поможет людям с ампутацией нижних конечностей, которых в нашей стране достаточно большое количество. Данная разработка поможет выполнить задачи по импортозамещению для нашей страны. Сейчас мы работаем над MVP-устройством (минимально жизнеспособным продуктом — прим. 3Dtoday), но в дальнейшем планируем сделать его с аккумулятором и Bluetooth-модулем для большего удобства, а также заняться оптимизацией алгоритма обработки данных и написанием удобного софта и приложения», — пояснил Назар Коновалов.

Проекты по развитию высокотехнологичного протезирования были представлены на IX Национальном форуме реабилитационной индустрии и универсального дизайна «Надежда на технологии». Разработки новосибирских ученых вызвали интерес как разработчиков протезов (компании Metiz, научно-производственная корпорации «Системы прецизионного приборостроения», московского производственного объединения «Металлист»), так и специалистов из области реабилитации (Московского протезно-ортопедического предприятия, Школа ходьбы на протезах Елены Мезенцевой, Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Н. Н. Приорова).

«Сейчас мы работаем с новосибирским филиалом Московского протезно-ортопедического предприятия. На его базе в сентябре приступим к оцифровке данных людей, нуждающихся в протезировании. Мы благодарны сотрудникам этого учреждения за то, что они предоставили нам доступ к реальным пациентам и внедрению наших разработок», — рассказал Владимир Сердюков.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.