Поделиться
Ученые НГУ создали цифровые двойники ампутантов, численную модель углепластикового протеза и прототип культиприемной гильзы
Научная группа по биомеханике и медицинскому инжинирингу, созданная на базе Математического центра в Академгородке (учрежден Новосибирским государственным университетом и Институтом математики им. С.Л. Соболева СО РАН), реализует проекты, направленные на создание высокотехнологичных продуктов, в том числе цифровых, для протезной отрасли. Об этом CNews сообщили представители НГУ.
«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», — сказал руководитель группы к.ф.-м.н. Владимир Сердюков.
Цифровой двойник ампутанта — математическая модель опорно-двигательного аппарата человека, описывающая кинематику и динамику движений. С его помощью появляется возможность проанализировать характеристики походки, работы мышц и энергозатраты ампутанта без проведения многочисленных исследований в центре протезирования. Визуализация двойника позволяет подробно рассмотреть особенности и патологии походки, а представление данных в численном виде позволяет сравнить 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: определение оптимальных видов и конструкции протезов для конкретного пациента, определение причин, затрудняющих пациенту использование протеза, а также разработка и тестирование 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. Данный проект, руководителем которого является Владимир Сердюков, был поддержан Российским научным фондом в рамках конкурса «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов.
«Конечная наша цель – разработка собственного программного обеспечения, позволяющего наглядно отобразить биомеханические показатели конкретного пациента и дать рекомендации по подбору и использованию протеза или проследить ход реабилитации ампутанта. Основными пользователями данного ПО станут специалисты протезных и реабилитационных клиник, с рядом которых уже налажено сотрудничество. Подобных решений сегодня нет в мире», — сказал Владимир Сердюков.
Цифровой двойник ампутанта нижних конечностей уже создан, однако работа над его усовершенствованием продолжается. Ученые намерены добавить в модель данные с системы захвата движений.
Также ученые разработали численную модель протеза стопы, благодаря которой появляется возможность разработать изначально оптимальную геометрию протеза без многочисленных натурных экспериментов с прототипами. В качестве материала протеза исследователи изначально заложили карбон, как один из наиболее перспективных материалов, позволяющих достичь необходимые эксплуатационные и прочностные характеристики изделия.
«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 оптимизировать геометрию 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», — отметил Владимир Сердюков.
В 2024 г. с помощью 3D-печати группой был создан прототип культиприемной гильзы руки. Использование данной технологии позволило сделать конструкцию одновременно прочной и легкой, с отверстиями для вентиляции культи, что крайне важно для обеспечения гигиеничности использования изделия пациентом. 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 течении дня, например, при физической активности, чтобы она идеально соответствовала размеру культи. Сейчас мы дорабатываем нашу конструкцию и планируем отдать этот продукт на тестирование ампутантом», — сказал 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 1 млн руб. 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 отследить изменение походки ампутанта, что невозможно при разовом посещении клиники. Особо важно, что предлагаемое решение позволяет ввести количественную метрику для подбора протезов, а также произвести 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, 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», — сказал разработчик продукта Назар Коновалов.
«Сейчас мы работаем с филиалом «Новосибирский» 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», — сказал Владимир Сердюков.
Короткая ссылка
