РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АНАЛИЗА КУЛЬТИ ПАЦИЕНТА И ПОСТРОЕНИЯ 3D МОДЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕГО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КУЛЬТЕПРИЁМНОЙ ГИЛЬЗЫ

Введение

Сфера производства бионических протезов только начинает развиваться и является достаточно трудоемкой и дорогостоящей. Основная причина – сложность производства, ведь современное протезирование — это комплексный подход к разработке протеза. В нём применяются знания из медицины, инженерии, биологии и психологии. 

Несмотря на все сложности, развитие бионических протезов происходит довольно стремительно [1]. Так как наиболее важной частью биомехатронного протеза является её часть, позволяющая крепить протез к культе – культеприёмная гильза. Пациент не сможет воспользоваться всеми преимуществами современного протеза, даже если протез оснащён современными гаджетами, имеет высокую точность и автономность работы или может передавать тактильные ощущения, если культеприёмная гильза будет приносить дискомфорт [2, 3].

Предполагается, что комплексный подход к исследованию культи пациента может повысить качество культеприёмной гильзы и уменьшить затраты на её создание, что в свою очередь повысит качество жизни людей с ампутированными конечностями.

На данный момент для исследования культи пациента используются:

• Дорогостоящие и требующие дополнительных исследований аппараты такие как: МРТ, КТ, УЗИ. Данные аппараты помимо своей высокой стоимости, что является существенным недостатком для только начавшей развиваться компаний в сфере протезирования конечностей, требуют дополнительных исследований, а, следовательно, и дополнительных затрат, либо сотрудников, для построения качественной 3д модели культи.
• Более дешёвый вариант с использованием гипсовых слепков [4]. Гильзы изготавливаются с помощью гипсовых форм и макетов. В итоге культеприёмная гильза получается не очень удобной. Неравномерное давление приводит к пролежням и повреждению мягких тканей. Впоследствии это ведет и к другим проблемам, включая изменение осанки, из-за невозможности носить протез, и последующие боли в спине [5]. Современные карбоновые или полиуретановые крепления так же не подстраиваются под анатомические изменения.

Чтобы повысить качество культеприёмной гильзы и снизить затраты на её разработку нами было разработано устройство – автоматизированный анализатор (рис.1).

Рисунок 1- Автоматизированный анализатор культи пациента

Данное устройство автоматического анализа позволяет обследовать культю и собрать некоторый объём информации, на основе которой моделируется последующая деятельность по изготовлению гильзы.

Алгоритм работы анализатора:

1. Культя кладется на опору и надежно фиксируется. Устройство запускается.
2. Линейные приводы выдвигают 8 измерительных модулей до тех пор, пока не поступит сигнал от датчика касания. Производится замер радиус-вектора от центральной оси анализатора до поверхности культи в данной точке.
3. Далее приводы продолжают движение, оказывая давление на поверхность культи. Превышение предельного усилия отслеживается с помощью тензодатчика. Разница между положением привода в момент касания и в момент достижения предельного усилия представляет собой величину деформации тканей, по которой определяется жесткость поверхностных тканей в данной точке.
4. При нулевом усилии происходит замер ЭМГ сигнала.
5. Приводы возвращаются в нулевое положение. Если не достигнут конец культи, происходит смещение продольного привода на фиксированное значение шага, возврат к пункту 2 (цикл).
6. После достижения конца культи создается 3D модель, устройство выключается.

Анализатор получает данные о: форме культи благодаря датчикам касания, а также расположение мышечной/костной/жировой ткани используя тензометрические датчики. Благодаря использованию данного устройства отпадает надобность в дорогостоящих аппаратах и узких специалистах, тем самым сокращаются затраты на создание протеза, что позволит сделать его более доступными для всех слоёв населения.

Для повышения качества культеприёмной гильзы были поставлены следующие задачи (рис.2):

1. Получение данных с анализатора с последующей интерполяцией координат поверхности культи.
2. Конвертация полученного облака точек в CAD-модель в среде SolidWorks.
3. Нанесение на 3D модель карты податливости ткани, для анализа и дальнейшего построение гильзы с учетом разности тканей.

Рисунок 2 – общая концепция анализа.

Автоматизированный анализатор будет записывать координаты поверхности культи, полученные с помощью датчиков касания, в файл MS Excel в котором удобно хранить и систематизировать полученную информацию. Для дальнейших вычислений файл конвертируются в формат txt, по 8 координатам из файла в программной среде Matlab [6] будет строиться график замкнутой кривой (рис 3). В процессе исследования культи мы получаем множество таких поверхностей.

Рисунок 3 – одна из множества поверхностей.

Затем над полученной кривой будет проведена процедура интерполяции [7]. Интерполяция это способ нахождения промежуточных значений величины по имеющемуся набору известных значений (рис.4.1 а,б).

Рисунок 4 — а) начальная функция; б) функция после интерполяции

Процедура интерполяции будет производиться над каждой полученной поверхностью. По окончанию процедуры мы записываем координаты точек в txt файл так как это один из форматов который поддерживает добавление ScanTo3D в системе автоматического проектирования SolidWorks [8] в которой и будут происходить дальнейшие манипуляции [9]. С помощью активированного добавления ScanTo3D в настройках программы мы можем загрузить полученное облако точек. Преобразовав облако точек с помощью ‘Мастера поверхностей’ [10] мы получим модель с отображением поверхностей (рис. 5).

Рисунок 5 – модель с отображением поверхностей

Завершив процедуру создания твердотельной модели в ‘Мастере поверхностей’, мы получим готовую модель культи. Далее на модель наносятся цветовые маркеры, обозначающие тип ткани, которая находится в той или иной точке культи (рис. 6). Это позволит нам при проектировании гильзы учесть, где следует ослабить, а где увеличить давление на культю, дабы избежать возникновения пролежней и волдырей.

Рисунок 6 – цветовые маркеры (от тёмного к светлому: костная ткань, мышечная ткань, жировая ткань).

При построении 3D модели культи с нанесением карты податливости исследуемой ткани за основу рассмотрен метод конечных элементов [11], однако данный способ выстраивает логику построения в обратной последовательности.

Метод конечных элементов (МКЭ) — это численный метод решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики. МКЭ принят в качестве стандартного метода анализа благодаря его универсальности и пригодности для работы на компьютерах.

Данный метод позволит нам выявить напряжения и деформации при нормальных нагрузках, которые будут воздействовать на культю пациента в повседневной жизни. 

Заключение

Как видно по рисункам с моделями восьми измерительных модулей с датчиками недостаточно для создания подробной модели культи пациента. Для этого нами принято решение о создании поворотного механизма для измерительного кольца автоматизированного анализатора. Данное решение позволит значительно увеличить количество точек, получаемых от анализатора, что позволит увеличить количество точек в процессе интерполяции. Это повлечёт за собой увеличение детализации 3D модели культи необходимой для дальнейших исследований методом конечных элементов.

Литература:

1. Морозов А.М., Кадыков В.А., Любский И.В., Аскеров Э.М., Пахомов М.А., Городничев К.И., Пельтихина О.В., Хорак К.И. биопротезирование. История и современность // Современные проблемы науки и образования. – 2019. – № 4.;URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=28969 (дата обращения: 20.12.2019).
2. 3D printing a better socket for prosthetic limbs // Ideas.Ted URL: https://ideas.ted.com/today-the-bionic-woman-can-just-go-ahead-and-print-her-own-parts/ (дата обращения: 20.12.2019)
3. Quality of Life among Egyptian Patients with Upper and Lower Limb Amputation: Sex Differences. Hindawi Publishing Corporation Advances in Medicine Volume 2014, Article ID 674323, 8 pages http://dx.doi.org/10.1155/2014/674323 (дата обращения: 20.12.2019)
4. Изготовление негатива и позитива культи голени с силиконовым чехлом // ПРОТЕЗНО ОРТОПЕДИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ M-Lotos URL:https://m-lotos.ru/articles/izgotovlenie_negativa_i_pozitiva_kul_ti_goleni_s_silikonovym_chehlom/ (дата обращения: 20.12.2019)
5. Журавский Александр Юрьевич, Бодяков Михаил Игоревич Динамика результатов использования комплексной программы реабилитации для коррекции осанки у людей с ампутацией нижних конечностей // Здоровье человека, теория и методика физической культуры и спорта. 2018. №2 (9). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dinamika-rezultatov-ispolzovaniya-kompleksnoy-programmy-reabilitatsii-dlya-korrektsii-osanki-u-lyudey-s-amputatsiey-nizhnih (дата обращения: 20.12.2019).
6. Документация MATLAB // Exponenta URL: https://docs.exponenta.ru (дата обращения: 20.12.2019)
7. Интерполяция замкнутых кривых // Habr URL: https://habr.com/ru/post/309210/ (дата обращения: 20.12.2019)
8. Интерактивная справка SolidWorks // Solidworks URL: http://help.solidworks.com (дата обращения: 20.12.2019)
9. Sockets Manufactured by CAD/CAM Method Have Positive Effects on the Quality of Life of Patients With Transtibial Amputation. — https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28085736 (дата обращения: 20.12.2019)
10. Алямовский А.А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. – М.: СПб БХВ-Петербург, 2005
11. Алямовский А.А. Инженерный анализ методом конечных элементов. – М.: ДМК Пресс, 2004.