Инновационный композитный протез-трансформер

Исследователи Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) представили свою разработку на выставке «Иннопром» в Екатеринбурге. По их словам, образец вызвал живой интерес у участников и гостей. Руководство Челябинской области предложило рассмотреть варианты запуска серийного производства, в том числе при поддержке Минпромторга.

Работу над созданием протеза ведет научный коллектив кафедр «Техническая механика» и «Теория и методика физической культуры и спорта» в рамках госзадания.

«Современные протезы — это высокотехнологичный продукт, в котором основную роль играют легкие, прочные композитные материалы. Композиты — это наша тема, мы много работали и работаем с этими материалами в конструкциях аэрокосмического назначения. Мы написали заявку на грант “Разработка научно-технологических основ в создании новых протезов конечностей из композитных материалов” от Министерства высшего образования и науки и выиграли его», — рассказал «Стимулу» один из авторов разработки, заместитель директора Центра прикладных исследований и разработки новых конструкционных материалов, доцент кафедры технической механики ЮУрГУ Александр Безмельницын.

Удобнее, прочнее и дешевле

Те иностранные протезы, которые сейчас есть на рынке, — неразборные, человеку требуется до четырех ортопедических изделий. Дома и при минимальных нагрузках пациент носит один протез, для более интенсивных нагрузок надевает другой, выходя на спокойную прогулку использует третий, а четвертый ему нужен 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.

Стоимость одного импортного голеностопного протеза может достигать полумиллиона рублей, его ремонт, настройка и прочее обслуживание обходятся в десятки тысяч. Более того, все эти операции теперь недоступны, поскольку возможны только в сервисном центре производителя.

«Инновационное решение отталкивается от традиционного, то есть впитывает все положительное и избавляется от имеющихся недостатков, — говорит Александр Безмельницын. — Традиционные решения в протезной области — это цельные конструкции, практически неизменяемые с механической точки зрения. Покупать четыре вида протезов очень накладно. Отсюда и возникла идея сделать протез, к которому прикладываются элементы разной жесткости, и человек сможет их переустанавливать под изменяющиеся задачи. Для этого нужен лишь гаечный ключ».

Модель челябинских ученых — разборная. Ее характеристики можно регулировать самостоятельно, в зависимости от потребностей меняя только один элемент искусственной стопы — пяточную часть. Она представляет собой упругий элемент (амортизатор), призванный снизить ударную нагрузку на культеприемную гильзу и повысить комфорт во время ходьбы. По механическим параметрам протез не уступает стандартным импортным аналогам. Но при этом разработка специалистов ЮУрГУ универсальна. Вместо нескольких дорогостоящих модулей используется один, к нему потребуется лишь несколько дополнительных съемных элементов. Они подбираются в зависимости от уровня активности.

«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 главный научный сотрудник кафедры “Техническая механика” ЮУрГУ, профессор Сергей Сапожников. — Боль становится сильнее, 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».

Чтобы пользоваться протезом-трансформером было как можно удобнее, пациент может заказать сменные компоненты под индивидуальные особенности. Такие параметры при помощи специального оборудования Xsens измеряют биомеханики ЮУрГУ. По цифровым значениям, которые появляются на экране компьютера, специалист видит, как у человека распределяется нагрузка на обе ноги и в каком положении находится позвоночник при привычном темпе ходьбы. По полученным данным выявляется асимметрия тела во время движения, и специалист может 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 изменения 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 или изменения, например, его массы, мы можем менять элемент протеза, тем самым “подгоняя” его под изменившуюся биомеханику».

Стеклопластик, не уступающий углепластику

Помимо прочего, разборное изделие будет легче, долговечнее и в несколько раз дешевле своих предшественников за счет использования эффективного композитного материала. Искусственную нижнюю конечность челябинские ученые полностью выполнили из стеклопластика, состоящего из стекловолокна и связующего полимера — эпоксидной смолы. Структура применяемого стеклопластика уникальна: при изготовлении композита разработчики располагают волокна стеклоткани таким образом, что готовый материал имеет необходимые прочность и гибкость, как и углепластик, из которого сделано 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) без потери равновесия. Кроме того, такое изделие существенно более ударопрочно, в отличие от углепластикового. А после замены металлической трубки, имитирующей кость голени, на стеклопластиковую или углепластиковую вся конструкция становится еще легче.

Модуль стопы протеза состоит всего из двух отдельных компонентов — пяточной и передней пластин толщиной 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 всю конструкцию и делает ее дороже.

Подробнее по ссылке