ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ Часть 2 Шукейло

ТЕХНОЛОГИИ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ Часть 2 Шукейло Юрий Александрович ЛИТЕРАТУРА 1. Шукейло Ю. А. Прикладная биомеханика и антропометрия. Учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПб. ГЭТУ «ЛЭТИ» , 2006. 160 с. 2. Кормилицын О. П. , Шукейло Ю. А. Механика материалов и структур нано- и микротехники. М. : Издательский центр «Академия» , 2008. – 224 с. 3. Хенч Л. , Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. М. : Техносфера, 2007, 303 с. 4. Бегун П. И. , Шукейло Ю. А. Биомеханика: Учебник для вузов. – СПб. : Политехника, 2000. – 463 с 5. Искусственные органы / Под ред. В. И. Шумакова; АМН СССР. – М. : Медицина, 1990, 272 с. 1

Основные определения 2

Объект протезирования – человек? – если это так, то тогда необходимо знать свойства организма, его отдельных органов и тканей, и контролировать их состояние. Какие характеристики необходимо знать ? Достаточно ли этого? Объект протезирования – протез? - если это так, то необходимо знать какую функцию он воспроизводит, какими качествами и свойствами он должен обладать, Какие величины и на каком этапе необходимо контролировать. Объект протезирования – протезированный человек – если это так, то необходимо выделить те характеристики организма и протеза, которые обеспечивают гармонию их взаимодействия. Что контролировать при восстановлении разных функций? 3

Число сердечно-сосудистых заболеваний в Великобритании. Данные Британского фонда сердца 4

Статистика сердечно-сосудистых заболеваний по России выглядит неутешительно: из 100 тысяч человек только от инфаркта миокарда ежегодно умирают 330 мужчин и 154 женщины, от инсультов - мужчин 204 и 151 женщина. Среди общей смертности в России сердечно-сосудистые заболевания составляют 57 %. В год от сердечно-сосудистых заболеваний в России умирают 1 млн 300 тысяч человек – население крупного областного центра. Львиная доля здесь принадлежит ишемической болезни сердца и артериальной гипертонии с ее осложнениями — инфарктами миокарда и инсультами. В России 13 (16) млн инвалидов. Ежегодно в России более 52 тысяч женщин заболевают раком молочной железы. Более 22 тысяч женщин погибает. 5

Какая помощь может быть оказана людям , попавшим в трудное положение после болезни или травмы? 6

Трансплантат ( обобщенное определение) — это ткань или орган, перемещенные из одного организма или части организма в другой или другую. Пример: Коронарные шунты с использованием собственных подкожных вен ноги пациента или артродез позвонков с использованием кости из подвздошного гребня. Печень, сердце, почки. Артродез - обездвиживание соседних позвонков. Артро… гр. Arthron сустав Дез – фр. Приставка означающая уничтожение, удаление или отсутствие чего-либо 7

Другие определения трансплантатов АУТОТРАНСПЛАНТАТ [гр. autos сам] - трансплантат ткани или органа из одной части человека в другое место того же человека. АЛЛОТРАНСПЛАНТАТ [гр. allos другой, иной] - трансплантат ткани или орган от одного человека другому. КСЕНОТРАНСПЛАНТАТ [гр. xenos чужой] -трансплантат ткани или органа от другого вида (животного) человеку. 8

ИМПЛАНТАТ устройство, организм. – искусственный материал или хирургически помещенное в ПРОТЕЗ — изготовленное человеком устройство, используемое внутри или вне организма для замены, восстановления или усиления пораженной болезнью, поврежденной или отсутствующей части тела. Имплантаты и протезы часто используются в качестве синонимов. 9

Число имплантатов, ежегодно применяемых в США ГРУДНЫЕ ЖЕЛЕЗЫ 400 000 КАРДИОСТИМУЛЯТОРЫ 200 000 ПРОТЕЗЫ КЛАПАНОВ СЕРДЦА 40 000 ИНТРАОКУЛЯРНЫЕ ЛИНЗЫ 1 000 ОРТОПЕДИЧЕСКИЕ ИМПЛАНТАТЫ (Протезы тазобедренного, коленного, плечевого и пальцевого суставов) 1 000 ОРТОПЕДИЧЕСКИЕ ФИКСАТОРЫ (Пластины, спицы, шурупы) 1 000 ИМПЛАНТАТЫ ДЛЯ ПОЗВОНОЧНИКА 400 000 10

11

12

Клапанные протезы со стентами для транскатетерной имплантации аортального клапана, выпускаемые в настоящее время: клапан Эдвардса-Сапиена (компания Edwards-Sapien Lifesciences Inc. USA), состоящий из трех створок из бычьего перикарда, помещенных в тубулярный щелевидный баллонорасширяемый стент из нержавеющей стали (A); система восстановления функции клапана Core. Valve (компания Core. Valve Inc Irvine CA, USA), состоящая из трех створок клапана из свиного перикарда, помещенных в саморасширяющуюся нитиноловую 13 оболочку (Б).

14

15

кейдж 16

17

18

19

20

21

Операция по поводу перелома ключицы 22

23

24

b a, то b = a(1 + t 2). 25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

Новые экспериментальные хирургические методики в состоянии помочь людям, потерявшим конечности, заменить их достаточно чувствительными протезами и хорошо их контролировать. Технология предполагает подшивку ампутированных нервных волокон к мышцам грудной клетки, анализ поступающих импульсов встроенным компьютером и использование их для приведения в действие механизмов искусственной конечности. На сегодняшний день наиболее сложные в техническом плане протезы анализируют моторную активность тела человека. Так, движение верхней части плеча ампутированной руки передается посредством кабеля в искусственную кисть, запястье или локоть. Эта методика позволяет человеку оперировать лишь одним суставом и требует длительного периода обучения. Специалисты Rehabilitation Institute of Chicago разрабатывают системы, которые позволяет управлять несколькими суставами одновременно, осуществлять сложные моторные функции, а также гораздо более проста для пациента в освоении. Уже установлено около 30 подобных протезов. 36

Активный ортопедический аппарат WOTAS помещенный на больном. E. ROCON, M. MANTO, J. PONS, S. CAMUT J. M. BELDA. Mechanical suppression of essential tremor. The Cerebellum. 2007; 6: 73– 78. Механическое подавление существенного дрожания 37

Биоуправляемый протез руки 38

39

Проект поддерживается Агентством перспективных оборонных исследований (DAPRA). Отметим, что это не первый и не единственный проект по созданию бионических рук. Так, существуют протезы, которые управляются сигналами от мышц или от мысленных команд мозга обезьяны или же человека. А компания Touch Bionics недавно представила новую модель протеза i-LIMB Pulse, в которой появились две инновации: «пульсирующая технология» и динамическая настройка работы биопротеза. Ранее – в рамках проекта университета Джона Хопкинса – были разработаны прототипы протезов, которые крепились к предплечью. Сегодня ученые планируют ввести электронный имплант в мозг человека и с его помощью управлять протезом. Эксперимент будет проводиться в Чикаго на 5 -ти добровольцах, которые будут испытывать «Модульный протез конечности» (Modular Prosthetic Limb). Протез весит 4 кг, имеет 22 степени свободы, в т. ч. движения пальцев с обратной связь – функция осязания. Агентство DARPA финансирует этот эксперимент в объеме $ 34, 5 млн. , в ходе которого ученые планируют разработать способ регистрации с помощью импланта неврологических импульсов мозг и преобразования их в команды для механической руки. Первоначально проект ориентировался на людей с повреждениями спинного мозга, т. к. в случае успеха эксперимента их жизнь может кардинально улучшиться в положительную сторону. В проекте кроме ученых из университета Джона Хопкинса участвуют ученые из Калифорнийского технологического института (интерфейс мозг-компьютер), Университета Юты (создание имплантов для мозга), Университета Чикаго (чувственное восприятие, осязание), а также специалисты фирмы HDT Engineered Technologies 40 (изготовление самого протеза руки).

Journal of Rehabilitation Research & Development, Volume 44, Number 4, 2007 A. Zissimopoulos, S. Fatone, S. A. Gard, Biomechanical and energetic effects of a stance-control orthotic knee joint Биомеханические и энергетические эффекты управления orthotic позиции коленного сустава Установка маркеров Элен Хейес. 41

S Y Mak, T P Holsgrove, and A W Miles Study of medial strain distribution in the femur during impaction grafting. Proc. IMech. E Vol. 221 Part H: J. Engineering in Medicine изучение In-vitro медиальной деформации бедренной кости при установке протеза Бедренная кость с четырьмя тензодатчиками (SG 1 -SG 4), позиционированными в медиальном направлении, для измерения деформации кольца 42

Wei-Chih Wang, William R. Ledoux, Bruce J. Sangeorzan, Per G. Reinhall. A shear and plantar pressure sensor based on fiber-optic bend loss. JRRD Journal of Rehabilitation Research & Development Volume 42, Number 3, Pages 315– 326, May/June 2005 Сдвиговой и планарный датчик давления, основанный на волоконнооптической потере изгиба 43

Как с точки зрения биомеханики оценить надежность функционирования объектов протезирования? Необходимо знать свойства объектов протезирования. Свойства материалов протезов, а также организма в норме и патологии. Анатомическое строение и антропометрические признаки организма Внешние воздействия на организм. Взаимодействия организма и протеза, будь он внешним или помещенным в организм. Какие характеристики и чего (организма, протеза) необходимо контролировать? Какой должна быть аппаратура 44 и методы контроля

ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА 45

КЛАССИФИКАЦИЯ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ Внешние воздействия на организм человека как на биологическую систему являются результатом контакта этой системы или ее составных частей с физическими полями различной природы, а также с другими системами и объектами. При контакте с другими объектами тело человека подвергается механическим воздействиям. Они сопровождают человека в течение всей его жизни, проявляются в трудовой деятельности при использовании средств труда, при передвижении на судах, самолетах и другом транспорте. Их действие сводится к поверхностным и объемным силам, которые могут быть распределенными и сосредоточенными. Отдельные органы и структуры организма подвергаются механическим воздействиям со стороны окружающих их структур. При ударном выбросе крови сердцем оболочки кровеносных сосудов нагружаются внутренним давлением крови и внешним давлением окружающих тканей. 46

По продолжительности механические воздействия подразделяют на: постоянные, действующие в течение всей жизни человека (например, собственный вес тела, давление воздуха давление крови, метаболическое тепло), временные, действующие в течение некоторого промежутка времени (например, со стороны других тел при авариях, погружениях под воду и т. п. ). Допустимую длительность воздействия указать не удается. Время действия и интенсивность внешнего воздействия на организм человека имеют различное биомеханическое проявление 47

Влияние длительности действия и величины внешних сил на отдельные органы на череп В экстремальных ситуациях, если внешнее воздействие велико (порядка десятков килоньютонов) и направлено на голову человека, разрушение костей свода черепа происходит за сотни микросекунд. Если нагрузка на порядок меньше, а длительность ее дейст-вия составляет единицы миллисекунд, разрушение захватывает большие области черепа. Снижение интенсивности и увеличение времени действия может приводить к перемещениям мозга относительно черепа. При слабых и длительных воздействиях (десятки и сотни минут) нарушается кровообращение в покровных тканях. 48

Влияние длительности действия и величины внешних сил на системы КРОВООБРАЩЕНИЯ и ДЫХАНИЯ Критическими для систем кровообращения и дыхания являются механические воздействия длительностью порядка секунд и десятков секунд. 49

Влияние длительности действия и величины внешних сил на мышцы Напряженность или расслабленность мышц имеет значение при восприятии внешних воздействий длительностью порядка десятков и сотен миллисекунд. При контактных ударах меньшей длительности можно не учитывать состояние мышц и представить организм человека чисто механической системой. 50

По характеру действия механические воздействия делят на: статические, сообщающие телу или отдельным его структурам малые ускорения, которыми можно пренебречь (например при испытании образца из ткани на растяжение), динамические, связанные с возникновением значительных ускорений и появлением соответствующих им сил инерции (например, знакопеременные или вибрационные нагружения). 51

В зависимости от типа физического поля, с которым взаимодействует организм человека, воздействия подразделяют на: электромагнитные, радиационные, гравитационные, акустические, тепловые. Электромагнитные воздействия проявляются при лечении магнитами, во взаимодействии электромагнитных полей с биологическими жидкостями организма. Радиационное воздействие оказывают ионизирующие поля рентгеновских установок, радиационных диагностических комплексов, устройств противораковой лучевой терапии, космическое излучение. Гравитационные воздействия оказывают существенное влияние на организм человека в космических полетах, а также в повседневной жизни с имплантатом или протезом. 52

Акустические воздействия ультразвуком широко используются в медицинской ультразвуковой интроскопии в целях диагностирования различных патологий, при физиотерапии, при хирургических операциях на костных тканях. Тепловые воздействия применяются в лазерной хирургии, проявляются при работе в экстремальных условиях, в быту. 53