В ЛЭТИ разработали первый в РФ протез стопы, эффективность которого доказана с помощью маркерного видеоанализа
Данная разработка оказывает положительное влияние на опорно-двигательный аппарат человека с ампутацией голени. Этого удалось добиться за счет изучения механических свойств, доступных для 3D-печати материалов и конструкции протеза.
В России ежегодно около 1,5 млн граждан с инвалидностью обеспечиваются за счет федерального бюджета техническими средствами реабилитации (ТСР). Из них более 200 тыс. имеют протезы конечностей. В том числе, около половины участников специальной военной операции, которые проходят медико-социальную экспертизу, имеют ампутации ног и нуждаются в протезах.
Причинами ампутации одной или обеих ног (ниже/выше колен или до тазобедренного сустава) является результат травм (например, после автодорожной аварии или боевых действий), а также хирургической процедуры при лечении осложнений заболеваний (диабета, онкологии или атеросклероза). Помимо этого, следствием их потери может стать даже серьезная бактериальная инфекция на фоне обширной пневмонии. В частности, у некоторых людей конечностей нет от рождения.
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, который необходим для правильного формирования культи конечности, восстановления функции опоры, ходьбы и улучшения общей способности передвигаться.
Временный протез заменяется индивидуальным, который изготавливается с учетом образа жизни человека, его потребностей в мобильности и других факторов, связанных со здоровьем. Данный протез состоит 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, которые подбираются человеку под его уровень физической активности – от I до IV (от простой ходьбы по дому до бега). Как правило, протез, например, для пожилых людей не такой гибкий в связи с отсутствием необходимости в энергоотдаче. А для людей, ведущих активный образ жизни, желательно присутствие элементов амортизации (смягчения силы толчка и тряски во время движения). 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, то это заметно улучшает качество походки пациента и способствует разгрузке передней группы мышц.
Правильно подобранный протез не должен причинять дискомфорта или даже боли при ходьбе. В противном случае необходима его замена на более удобный. Однако в России из-за уменьшения поставок ТСР из-за рубежа и увеличения сроков их доставки до нескольких месяцев, а также нехватки отечественных производителей, перед разработчиками стоит задача создания протезов стоп. Это позволит восстановить привычный образ жизни российских пациентов, потерявшим нижние конечности.
«Нам удалось разработать полностью отечественный узел протеза ноги – стопу для пациентов II уровня активности с ампутацией голени. При его изготовлении использовался метод послойного наложения (технология FDM). Подбирая материалы, заполняемость и паттерны печати, а также проводя исследования механических свойств, мы смогли создать изделие весом до 500 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 специалист научно-исследовательской лаборатории «Системы захвата и моделирования движения» («СЗМД») СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Олеся Николаевна Мальцева.
Перед испытанием разработки, компьютерные модели протезов стопы были спроектированы и проверены на способность выдерживать вес человека в 85 кг в программном комплексе SolidWorks. Поскольку у пациента с ампутацией голени был сохранен коленный сустав, автор разработки распечатала из гибкого пластика на 3D-принтере несколько вариантов важного элемента – «подпяточник» (прим. название от автора изобретения). 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 (такие как остистые отростки) были закреплены пассивные светоотражающие маркеры для идентификации системой ключевых точек. Перемещение сегментов конечностей при ходьбе фиксировали высокочастотные инфракрасные камеры, расположенные по периметру всей лаборатории «СЗМД».
Полученные с видеорегистрации 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 не патологической ходьбы.
Так, например, при изменении свойств материалов для 3D-печати и использовании неинвазивной электромиографии (метод 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», – подчеркнула Олеся Николаевна Мальцева.
Первые прототипы протезов стоп были созданы в 2022 году. Результаты работы отражены в выпускной квалифицированной работе автора «Разработка узла протеза ноги для пациента с ампутацией средней трети голени с использованием аддитивных технологий и видеоанализа». Часть процесса работы опубликована в сборнике X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биомеханика двигательных действий и биомеханический контроль в спорте» (РИНЦ).
Разработка протеза стопы была представлена в 2024 году на прекурсе «Методика проведения клинической оценки походки и иных базовых активностей, а также моделирование движений в различных программных комплексах» конференции «Ортотерапия. Межведомственное и междисциплинарное взаимодействия в ортопедии, неврологии, реабилитации и ортезировании».
НИЛ «СЗМД» СПбГЭТУ «ЛЭТИ» является первой лабораторией, работающей в области технологий трекинга движений в Санкт-Петербурге. Она развивается в рамках стратегического проекта «Технологии сильного гибридного интеллекта для прикладной медицины», реализованной в рамках программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».