Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали протез нижних конечностей, который легко можно видоизменить под разные цели: для ношения дома, прогулок и быстрой ходьбы. Челябинский трансформер легче, дешевле и прочнее имеющихся импортных аналогов.
Стоимость одного импортного голеностопного протеза может достигать полумиллиона рублей, а его ремонт, настройка и прочее обслуживание, которые возможны только в сервисном центре производителя (сегодня политические санкции вовсе ограничивают сервис), обходятся в десятки тысяч. Учитывая, что конструкция традиционного протеза неразборная, всего человеку потребуется до четырех ортопедических изделий в зависимости от потребностей. Дома и при минимальных нагрузках пациент носит один протез, для более интенсивных нагрузок надевает другой, выходя на спокойную прогулку, использует третий, а четвертый ему понадобится для быстрой ходьбы по улице. Все варианты «искусственной ноги» различаются по жесткости, углу наклона стопы и уровню амортизации, а потому не могут заменить друг друга.
Научный коллектив кафедр «Техническая механика» и «Теория и методика физической культуры и спорта» Южно-Уральского госуниверситета предложил отечественный аналог протезов известных зарубежных марок с весомыми преимуществами. В рамках госзадания «Разработка научно-технологических основ в создании новых протезов конечностей из композитных материалов» ученые впервые разработали протез-трансформер, характеристики которого можно регулировать самостоятельно, меняя только один элемент искусственной стопы. Новая модель медицинского изделия – разборная: в ней предусмотрена замена пяточной части протеза в зависимости от потребностей пациента. По механическим параметрам протез полностью идентичен стандартным импортным протезам, но при этом универсален: к нему потребуется лишь пара дополнительных съемных элементов (подбираются в зависимости от уровня активности) вместо покупки нескольких дорогостоящих модулей.
«Когда человек идет быстро, ему приходится делать шаг шире, но когда шаг становится шире, сила удара на стопу увеличивается и пациент это сразу ощущает на культеприемной гильзе, – объясняет профессор, главный научный сотрудник кафедры «Техническая механика» ЮУрГУ Сергей Сапожников. – Болевые ощущения усиливаются, значит, нужно смягчить силу удара, растянуть во времени ударный импульс. Чтобы человек не ощущал боль от протеза при быстрой ходьбе, необходимо жесткость стопного модуля сделать плавно возрастающей. Для этого ему нужно всего лишь прикрутить другой пяточный компонент и можно спешить по делам. Вернувшись, пациент может поставить «домашний» пяточный компонент, чтобы было комфортно передвигаться по квартире. Таких «пяточек» можно сделать несколько и прилагать в комплекте к основному протезу, чтобы дома человек сам подбирал то, в чем ему комфортно заниматься своими делами. Ему больше не нужно будет обращаться в сервисный центр, когда он захочет на прогулку. Дополнительно к «домашнему» варианту можно прикрепить снизу резиновый буфер, который также поможет сильнее отталкиваться от поверхности при быстрой ходьбе за счёт нужного возрастания жёсткости».
.jpg)
Для получения максимального комфорта от протеза-трансформера пациент может заказать изготовление сменных компонентов под индивидуальные биомеханические параметры. Такие параметры при помощи специального оборудования Xsens измеряют биомеханики кафедры «Теория и методика физической культуры и спорта» ЮУрГУ. На экране компьютера фиксируются цифровые значения, по которым специалист видит, как у человека распределяется нагрузка на обе ноги и в каком положении находится позвоночник при привычном темпе ходьбы. По полученным данным биомеханик может увидеть асимметрию тела во время движения и порекомендовать приспособления, которые помогут привести тело в пространстве в здоровое симметричное положение.
«Мы получаем информацию о пространственно-временных параметрах движения, таких как ускорение, скорость, положения по осям XYZ каждого сегмента тела и их изменениях при каждом двигательном цикле, – рассказывает доцент кафедры «Теория и методика физической культуры и спорта» ЮУрГУ Виталий Епишев. – Созданная нами база данных кинематики позволяет прогнозировать необходимый уровень жесткостных и амортизационных параметров протеза. По мере изменения уровня двигательной активности пользователя и/или изменения, например, его массы, мы можем менять элемент протеза, тем самым «подгоняя» его под изменившуюся биомеханику».
Помимо прочего, уникальная разборная модель будет легче, долговечнее и в несколько раз дешевле своих предшественников за счет эффективного композитного материала. Искусственную нижнюю конечность челябинские ученые полностью выполнили из стеклопластика, состоящего из стекловолокна и связующего полимера – эпоксидной смолы. Структура применяемого стеклопластика также уникальна: при изготовлении композита разработчики располагают волокна стеклоткани таким образом, что готовый материал имеет необходимые прочность и гибкость, как и углепластик, из которого изготовлены большинство протезов на рынке. Наличие продольных разрезов обеспечивает снижение крутильной жесткости протеза, позволяя подошве эффективнее приспосабливаться к неровной поверхности и преодолевать препятствия (камни, мелкие предметы) при движении без потери равновесия. Кроме того, такое изделие существенно более ударопрочно, в отличие от углепластикового. А после замены металлической трубки, имитирующей кость голени, на стеклопластиковую вся конструкция становится ещё легче.
Модуль стопы протеза состоит всего из двух отдельных компонентов – пяточной и передней пластин толщиной в несколько миллиметров, соединенных металлическим элементом. Для сравнения, только передняя пластина аналогичного по жесткости иностранного протеза состоит из множества слоев углепластика (не считая остальных вспомогательных элементов), что усложняет и удорожает всю конструкцию.
В лаборатории вуза протез успешно прошел испытания нагрузками до трехсот килограмм и продемонстрировал требуемые жесткости на всех этапах нагружения. Универсальному протезу предстоят финальные сертификационные испытания, патентование и опытная эксплуатация на пациентах-добровольцах.
Протез-трансформер представлен на ежегодной международной промышленной выставке «Иннопром» в Екатеринбурге.