Ученые НГУ создали цифровые двойники для протезной отрасли

Научная группа по биомеханике и медицинскому инжинирингу, созданная на базе Математического центра в Академгородке, успешно реализует проекты, направленные на создание высокотехнологичных продуктов, в том числе цифровых, для протезной отрасли.

"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, — пояснил 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 уникальная 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", — рассказал 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", — объяснил Владимир Сердюков.

В этом году 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", — делится планами Владимир Сердюков.

В настоящий момент студент 4 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 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 течении 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", — пояснил разработчик продукта Назар Коновалов.

Проекты, направленные на развитие высокотехнологичного протезирования, руководитель научной группы Владимир Сердюков и студенты Механико-математического факультета НГУ Татьяна Шашкина и Антон Сергеев представили на IX Национальном форуме реабилитационной индустрии и универсального дизайна "Надежда на технологии". Организаторами форума выступили Минпромторг России и подведомственный ему Институт медицинских материалов.

Разработки новосибирских ученых вызвали интерес как разработчиков протезов (компания METIZ, Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения", Московское производственное объединение "Металлист"), так и специалистов из области реабилитации (Московское протезно-ортопедическое предприятие, Школа ходьбы на протезах Елены Мезенцевой, ЦИТО). По результатам Форума командой из НГУ были установлены контакты с представителями отрасли, а также получены предложения от протезных предприятий по разработке высокотехнологичной продукции.

"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.