В ЛЭТИ разработали оптимизированный протез стопы с использованием аддитивных технологий

Разработка студентки Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Олеси Мальцевой оказывает положительное влияние на опорно-двигательный аппарат человека с ампутацией голени. Этого удалось добиться за счет изучения механических свойств, изменяемых посредством использования 3D-печатных компонентов с разными значениями упругости.

В России ежегодно около полутора миллионов граждан с инвалидностью обеспечиваются техническими средствами реабилитации за счет федерального бюджета. Из них более двухсот тысяч имеют протезы конечностей. После ампутации организм пациента начинает адаптироваться к новым условиям работы из-за изменения мышечной массы организма, тканей и кровообращения. При полной регенерации тканей человеку выдается лечебно-тренировочный протез, необходимый для правильного формирования культи конечности, восстановления опорной функции и ходьбы.

Временный протез заменяется индивидуальным, изготавливаемым с учетом образа жизни человека, его потребностей в мобильности и других факторов, связанных со здоровьем. Такие протезы состоят из нескольких частей — культеприемной гильзы, регулировочно-соединительных устройств и стопы. Самой важной составляющей протеза ноги является искусственная стопа, от которой зависит качество ходьбы человека и правильный выбор протезистом схемы сбора конструкции.

Существует несколько видов протезов стоп, подбираемых под индивидуальные уровни физической активности пациентов – от I до IV, то есть от простой ходьбы по дому до бега. Как правило, протезы для пожилых людей не такие гибкие в связи с отсутствием необходимости в высокой энергоотдаче, а для людей, ведущих активный образ жизни, желательно присутствие элементов амортизации. Кроме того, после удара пяткой искусственной стопы о землю должен происходить плавный перекат с пятки на носок для продвижения вперед. Если в протезе имеются элементы с эффектом накопления и отдачи энергии, это заметно улучшает качество походки пациента и способствует разгрузке передней группы мышц.

Правильно подобранный протез не должен причинять дискомфорт или вызывать боли при ходьбе, а противном случае необходима его замена на более удобный. Однако в России из-за уменьшения поставок технических средств реабилитации из-за рубежа и увеличения сроков доставки до нескольких месяцев, а также нехватки отечественных производителей, перед разработчиками стоит задача создания протезов стоп.

«Нам удалось разработать полностью отечественный узел протеза ноги — стопу для пациентов II уровня активности с ампутацией голени. При его изготовлении использовалась технология FDM 3D-печати. Подбирая материалы, заполняемость и паттерны печати, а также проводя исследования механических свойств, мы создали изделие весом до пятисот грамм. Тестирование протезов на пациенте проводилось с применением маркерного видеоанализа, в результате чего было подтверждено увеличение мощности опорного толчка и улучшение индекса ходьбы у пациента», — рассказала выпускница магистерской программы «Системы захвата и моделирования движения», студентка второго курса магистратуры факультета информационно-измерительных и биотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Олеся Мальцева.

Перед испытанием разработки компьютерные модели протезов стопы были проверены на способность выдерживать вес в 85 кг в программном комплексе SolidWorks. Поскольку у пациента с ампутацией голени был сохранен коленный сустав, из гибкого пластика на 3D-принтере напечатали несколько вариантов элемента, получившего название «подпяточник». Для первоначальной, качественной оценки амортизации пятки они тестировались пациентом.

После этого с помощью технологии захвата движения изучалась работа опорно-двигательного аппарата пациента. Предварительно к важным для исследования анатомическим областям тела, таким как остистые отростки, были прикреплены пассивные светоотражающие маркеры для идентификации ключевых точек системой. Перемещение сегментов конечностей при ходьбе фиксировали высокочастотные инфракрасные камеры, расположенные по периметру лаборатории.

Полученные данные формировались в программных комплексах Qualisys и C-motion, а далее траектории маркеров восстанавливались специалистом вручную. Результаты видеоанализа, представленные в виде графиков, сравнивались с известными нормативными показателями для непатологической ходьбы.

Так, при изменении свойств материалов для 3D-печати и использовании поверхностной электромиографии (метода исследования и оценки функционального состояния периферических нервов, спинно-мозговых корешков и мышц), пик активности прямой мышцы бедра уменьшился более чем на 40%.

«Биомеханический анализ походки пациента в разработанном протезе стопы показал близкие к нормативным показателям результаты. В дальнейшем планируется тестирование протеза на большем количестве пациентов с разным уровнем ампутации. С помощью предложенной технологии каждый протез можно делать с учетом индивидуальных особенностей и пожеланий заказчика. Протез содержит модульные компоненты, что позволит заменять их после износа», — пояснила Олеся Мальцева.

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.