Российские студенты изобрели систему, способную изготовить протез руки за 3 дня

В России изобрели уникальный биоскульптор для создания комфортных протезов рук

Молодые ученые Донского технического университета разработали уникальный сканер для создания индивидуального биопротеза рук. Устройство упростит труд специалистов и повысит точность проектирования основы для протеза.

Исследователи рассказали ФАН принципы работы нового биосканера.

Все дело в гильзе

Мировая статистика утверждает, что около 60% пациентов, которым пришлось ампутировать руку, отказываются от протеза из-за его неудобства. По словам специалистов, все дело в гильзе — так называют устройство, которое объединяет травмированную конечность с механической начинкой протеза.

В Донском университете создали уникальное устройство, которое решит эту проблему, считает генеральный директор компании по разработке и изготовлению протезов Илья Чех.

«Потенциал у этой разработки очень хороший. Дело в том, что сейчас гильзоприемное устройство для культи делается вручную — это сильно усложняет и замедляет процесс изготовления протеза. А предложенное устройство будет учитывать все индивидуальные особенности человека, что отвечает самым современным требованиям в сфере протезирования», — утверждает собеседник ФАН.

Первый в истории функциональный протез кисти и предплечья был изготовлен в начале XVI века для немецкого рыцаря Готфрида фон Берлихингена. Железная рука, которая позволяла ему держать и тяжелый меч, и перо для письма, сегодня находится в одном из музеев Германии. Четыре столетия спустя люди научились создавать протезы в промышленном масштабе, однако удобными и функциональными они стали только в наше время. Развитие медицины, нейрофизиологии и микроэлектроники привело к появлению протезов, управлять которыми можно с помощью нервных импульсов.

Но даже эти высокие технологии иногда оказываются бесполезными, если неправильно изготовлено основание протеза — та самая культеприемная гильза.

«Это один из наиболее важных индивидуальных модулей протеза. Гильза — своеобразный переходник, который соединяет усеченную конечность человека с механическими частями и принимает на себя основные статические и динамические нагрузки в системе «человек — протез», — утверждает директор межотраслевого инжинирингового центра «Композиты России» МГТУ им Н. Э. Баумана Владимир Нелюб.

Учитываются индивидуальные особенности

Дело в том, что изготовление гильз поставлено на поток, поэтому промышленные образцы не учитывают индивидуальные особенности каждого человека. Даже использование 3D-лазеров не решило эту проблему. Полученные данные позволяют изготовить гильзу, повторяющую форму культи. Но этого недостаточно для того, чтобы человеку было комфортно пользоваться таким протезом, отмечает аспирант Донского государственного технического университета Денис Хашев.

«Появившиеся лазерные 3D-сканеры позволяли сделать точную модель культи, но не придавали значения, где находится мышечная, жировая и костная ткани. И эти параметры при изготовлении протеза не учитывались. Хотя они очень важны, так как без таких данных нельзя понять, где протез будет натирать или, наоборот, будет сидеть слишком свободно, не держась на культе», — объяснил собеседник агентства.

Три года назад тогда еще выпускники Донского госуниверситета решили создать устройство, которое могло бы определить мышцы, жировую ткань или кость, а также в каких местах будут чаще всего контактировать с поверхностью культеприемные гильзы. Работа осложнялась тем, что в мире подобными разработками занимались специалисты только одной американской компании, но свои усилия они направили на создание сканирующего устройства для анализа культей ног. Оно получилось громоздким и энергозатратным.

В итоге молодым российским ученым удалось создать компактный биосканер, который за 15 минут способен сделать все необходимые замеры и, самое главное, совершенно безболезненно. Пациент помещает руку в центр измерительного кольца, а дальше все данные считываются в автоматическом режиме.

«Процесс анализа происходит следующим образом: каждый датчик устройства, анализируя по кругу культю, доходит до ее поверхности, фиксируя точку соприкосновения, — объясняет Хашев. — Потом с легким давлением безболезненно воздействует на поверхность конечности. Усилие небольшое: нам нужно просто померить упругость ваших тканей, чтобы определить, мышца это или кость».

Трехмерная модель биоскульптора

Поученные данные передаются оператору на компьютер, и дальше программа строит 3D-модель культи пациента и приемной гильзы. Трехмерная модель — результат сканирований, который позволит специалисту быстро и без дополнительных усилий получить представление об особенностях строения культи пациента.

Первые испытания показали, что биосканер работает без сбоев, осталось лишь подкорректировать компьютерную программу, утверждает Денис Хашев.

«Мы получили приемлемую форму культи пациента. Есть небольшие отклонения, мы сейчас с ними боремся. Это уже, скорее, программное обеспечение, а не механические проблемы. Главное, мы получили возможность отслеживать, где костная, жировая и мышечная ткани. Получив такую «тепловую карту» культи, мы уже можем проектировать гильзу протеза», — заявил собеседник ФАН.

Свое устройство ученые назвали биоскульптором — это как нельзя лучше объясняет принцип действия сканера. Еще одно преимущество: биоскульптор позволит создавать культеприемную гильзу по самой современной технологии — из двух материалов. Разные по твердости компоненты сделают гильзу более комфортной для человека, уверен Хашев.

«Наше устройство диктует новую методику изготовления гильз. Раньше их делали из одного материала и они одинаково воздействовали на все ткани без учета их особенностей, нередко доставляя крайние неудобства человеку. Использование двух материалов позволяет гильзе протеза быть мягкой там, где кость, а где другие ткани — твердой. Это делает гильзу более комфортной», — считает разработчик устройства.

Новое устройство может стать прорывом в отечественной сфере изготовления биопротезов рук, убежден Илья Чех. Уже этим летом, после корректировки программного обеспечения, эффективность своего биоскульптора коллективу Дениса Хашева предстоит проверить в клинических испытаниях.

Российские студенты научились за три часа проектировать индивидуальный протез кисти

в Наука, Робототехника 26/07/2018 0 70 Просмотров

Параметрическую модель кисти человека, позволяющую существенно сократить время изготовления биомехатронных протезов, создали учащиеся опорного вуза ДГТУ Ростова-на-Дону.

Уникальная разработка стала результатом выпускной работы студентов кафедр «Робототехника и мехатроника» и «Приборостроение и биомедицинская инженерия» Дениса Хашева и Юлии Михайлиной. Выпускники разработали технологичную систему, позволяющую сократить время изготовления протеза человеческой кисти до двух-трех дней. Сейчас на сборку подобных протезов профильные компании тратят от двух недель в зависимости от функциональности искусственной руки и подгона под индивидуальные характеристики человека.

— Наша система позволяет спроектировать протез в кратчайшие сроки так, чтобы он идеально соответствовал здоровой руке. Перестройка модели под конкретного пациента происходит в течение трех часов, — прокомментировал свою разработку Денис Хашев.

Протез, разработанный в ДГТУ, многофункциональный: каждый палец управляется по отдельности, кисть способна удерживать объекты различной формы и воспроизводить жесты.

Конструирование протеза с отработкой системы параметризации под индивидуальные характеристики человека заняло около полугода.

— При проектировании протеза мы провели исследование параметров руки человека. У 50 молодых людей в возрасте от 18 до 25 лет обводилась кисть, указывались места сгибов всех фаланг. На основе собранных данных мы вычислили среднее значение каждого из параметров, — пояснила Юлия Михайлина.

Принцип сгиба пальцев протеза основан на тросиковом механизме, конструкция каждого из них имеет два канала, проходящих насквозь через все фаланги. По этим каналам пропускаются тросы, которые с одного конца крепятся на кончиках пальцев, с другой — на шкив сервопривода. За наклоны и ротацию кисти отвечают двигатели постоянного тока, расположенные на запястье (отвечают за наклон) и в предплечье искусственной руки (отвечают за ротацию).

— Исследовательская работа направлена на ускорение процесса разработки протеза и более эффективную подгонку под индивидуальные антропометрические характеристики каждого человека, — В реальной жизни происходит так: есть определенный стандартный протез, который в течение длительного времени подгоняется под каждого пациента. Работа наших студентов позволяет быстро и эффективно создать 3d-модель и получить максимально индивидуализированный протез, — подчеркнул руководитель научной работы, доцент кафедры «Робототехника и мехатроника» ДГТУ Алексей Лысенко.

Инновационная разработка студентов ДГТУ готова к внедрению в производство. Моделью уже заинтересовалась компания «Моторика», специализирующаяся на производстве протезов.

Протез планируется усовершенствовать в течение года, путем внедрения в него системы управления, основанной на технологиях электромиографии и энцефалографии, позволяющих считывать команды непосредственно из человеческого мозга.

Параметрическое моделирование (параметризация) — моделирование с использованием параметров элементов модели и соотношений между этими параметрами. Параметризация позволяет за короткое время «проиграть» различные конструктивные схемы и избежать принципиальных ошибок. Сервопривод — любой тип механического привода, имеющий в составе датчик и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике согласно заданному внешнему значению. Электромиография — метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах человека и животных при возбуждении мышечных волокон; регистрация электрической активности мышц. Энцефалография — метод измерения активности головного мозга.

Шкив — фрикционное колесо с ободом или канавкой по окружности, которое передает движение приводному ремню или канату. Используется как одна из основных частей ременной передачи.