ОСНОВЫ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНИКИ КАК НАУКИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ УСТРОЙСТВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье была рассмотрена и проанализирована смежность механики и медицины. Также была рассмотрено влияние развития механики в медицине, и применение механических объектов в развитии медицины и дальнейшее улучшение качества жизни человечества. Произведена работа по сравнению различных моделей протезов нижних и верхних конечностей. Особое внимание уделяется бионическим конструкциям и микрохирургическим инструментам, их функциям и применениям.

ABSTRACT

In this article, the adjacency of mechanics and medicine was considered and analyzed. The influence of the development of mechanics in medicine, and the use of mechanical objects in the development of medicine and further improvement of the quality of life of mankind were also considered. Work has been done to compare different models of lower and upper limb prostheses. Special attention is paid to bionic structures and microsurgical instruments, their functions and applications.

Ключевые слова: механика, медицина, робототехника, протезы, протезирование, травматизация, функциональность.

Keywords: mechanics, medicine, robotics, prostheses, prosthetics, traumatization, functionality.

Механика- одна из древнейших основополагающих наук. В области медицины, механика также играет не мало важную роль. Начиная от разработки медицинских протезов, робототехники  и заканчивая созданием хирургических инструментов. Такая интеграция механики и медицины стало не только новой ступенью  в развитии данных направлений, но и произошло значительный прорыв в улучшении качества медицинской помощи и повышение эффективности медицинских процедур. [1]

Одной из важнейших областей совместного применения механики в медицине является разработка и изготовление медицинских протезов.. В начале прошлого века к протезу начали предъявлять более высокие требования. Инженеры пытались создавать сложные механические конструкции, которые помогли бы выполнять простейшие движения искусственной рукой или ногой. Некоторые модели отдаленно напоминали здоровую конечность, но по функциональным требованиям она не подходила.

Тогда, инженеры изобрели модульные  протезы, которые  изменили ход истории протезирования. Современные протезированные устройства  помогают людям, лишенным возможности ходить на собственных ногах, ходить, бегать, спускаться и подниматься по лестнице на искусственных. Это дало человечеству надежду на появление в будущем протеза, способного выполнять все функции здоровой конечности, а у конструкторов наметились четкие цели. [2]

Бионические конструкции – новое поколение устройств, которые напрямую воздействуя на живые организмы, эффективно восстанавливают утраченные функции. Т.е он выполняет не только косметическую функцию, но и также возвращает функционал конечности здорового человека. (рис.1 )

Рисунок 1. Боинический протез верхней конечности

Протез должен превосходить механическую модель по 4 критериям: мобильность, безопасность, функциональность, презентабельность.

- мобильность- при протезировании нижней конечности бионический протез сам подстраивается под походку, скорость движение и т.д

-безопасность- протезирование должно исключить повторный травматизм и возникновение побочных болезней.

- функциональность – ни одна из механических протезов не способно на 100% воспроизвести движение рук и ног, но должно соответствовать всем требованиям функциональности

- презентабельность – протез должен соответствовать по возможности и эстетическим требованиям

Ниже приведена сравнительная таблица по экономическим критериям и видам протезов. ( Таб.1)

Таблица 1.

Таблица по сравнению стоимостей разных видов протезов

Существует несколько ключевых модулей, которые составляют современные биопротезы, и одним из самых значимых из них является приемная гильза. Эта гильза изготавливается в специализированной протезной мастерской и создается индивидуально для каждого пациента. Процесс начинается с того, что протезист делает гипсовый слепок культи, который позволяет точно воспроизвести форму и размеры конечности. Затем изготавливается пробная гильза, и на этом этапе начинается тщательная корректировка формы. Гильза должна идеально сидеть на культевой части, чтобы обеспечить максимальный комфорт и функциональность. Внутренняя поверхность гильзы покрыта специальным инертным материалом, который имеет алмазоподобную структуру и является биологически совместимым с человеческим телом.

Это покрытие не только предотвращает возможные аллергические реакции, но и обеспечивает долговечность самого протеза. Внутри гильзы также размещаются датчики, которые улавливают мышечные сигналы.

Эти нейросенсоры могут считывать электрические импульсы, возникающие в мышцах культи, а также сигналы, поступающие из коры головного мозга.

Это позволяет протезу реагировать на намерения пользователя, что значительно улучшает качество жизни пациента. Механические модули протеза, такие как шарниры, имитирующие суставы, электромоторы и приводы, играют важную роль в его функционировании. Все эти компоненты соединяются между собой и управляются центральным микропроцессором, который обрабатывает информацию, поступающую от датчиков. В случае протеза бедра, микропроцессор, отвечающий за управление системой, расположен в коленном модуле. Он получает данные от датчиков, анализирует их и отправляет команды механизмам, которые отвечают за выполнение различных действий, таких как сгибание или разгибание ноги. Кроме того, важным аспектом является емкость литиевой батареи, от которой зависит продолжительность работы протеза без необходимости подзарядки. Современные технологии позволяют создавать батареи с высокой энергоемкостью, что обеспечивает длительное использование протеза в повседневной жизни. Это особенно важно для активных пользователей, которые нуждаются в надежном и долговечном решении для своих мобильных потребностей.[3] Таким образом, современные биопротезы представляют собой сложные системы, которые объединяют в себе передовые технологии и индивидуальный подход к каждому пациенту. Они не только восстанавливают утраченные функции, но и значительно улучшают качество жизни, позволяя людям вести активный образ жизни и возвращаться к привычным занятиям. (рис 2)

Рисунок 2. Бионические протезы нижних конечностей

Механика играет незаменимую роль в современной медицине, пронизывая практически все её аспекты – от разработки хирургических инструментов до анализа медицинских данных и создания обучающих симуляторов.  Её влияние простирается далеко за пределы очевидного, формируя основу для инновационных решений и улучшения качества медицинской помощи.[4]

Рассмотрим, например, область хирургии.  Высокоточная работа хирурга во многом зависит от механических свойств используемых инструментов. Микрохирургические инструменты, применяемые при операциях на кровеносных сосудах, глазах или нервной ткани, требуют невероятной точности и контроля.  Их конструкция, основанная на принципах механики материалов и прецизионной обработки, позволяет хирургу выполнять сложнейшие манипуляции с минимальной инвазивностью, уменьшая травматизацию тканей и сокращая послеоперационный период реабилитации.  Более того, развитие роботохирургии напрямую связано с достижениями в области механики. Роботизированные хирургические системы, обладающие высокой степенью свободы и точности движений, позволяют хирургу выполнять операции с большей эффективностью и меньшей вероятностью ошибок, чем при традиционных методах.  Они часто оснащены системами обратной связи, которые передают хирургу тактильную информацию,  используя принципы механики жидкости или микроэлектромеханических систем (МЭМС). (рис.3)

Рисунок 3. Микрохирургические инструменты

Диагностика также сильно зависит от механических принципов.  Магнитно-резонансная томография (МРТ), например, использует мощные магнитные поля и градиентные катушки, которые представляют собой сложные механические системы, для получения высококачественных изображений внутренних органов.  Ультразвуковая диагностика основана на генерации и приеме ультразвуковых волн, их распространении в тканях и анализе отраженных сигналов – все эти процессы описываются законами механики.  Кроме того,  механика играет ключевую роль в разработке и функционировании других диагностических приборов, таких как эндоскопы, которые используют гибкие механические структуры для доступа к труднодоступным областям тела.  Анализ полученных данных также часто предполагает использование биомеханических моделей, которые позволяют количественно оценить такие параметры, как жесткость тканей, скорость кровотока, давление внутри полостей организма и многие другие. Это критически важно для постановки диагноза и выбора оптимальной стратегии лечения.

Механика активно используется и в разработке систем поддержки жизнедеятельности.

Искусственные органы, такие как искусственные клапаны сердца или биосовместимые импланты, требуют точных расчетов прочности, усталостной прочности и биосовместимости материалов. При создании кардиостимуляторов и других имплантируемых медицинских устройств необходимо учитывать биомеханические нагрузки и обеспечивать их долгосрочную работу в условиях живого организма. 

Разработка протезов конечностей – это сложная задача, решаемая на стыке биомеханики, материаловедения и мехатроники. Современные протезы могут обладать множеством степеней свободы,  воспроизводя естественные движения, благодаря использованию передовых механических конструкций и приводных систем.[5] Важнейшую роль механика играет в медицинском образовании и тренинге. 

Использование механических принципов при создании тренажеров и симуляторов позволяет будущим врачам оттачивать свои навыки на реалистичных моделях органов и тканей, имитирующих физические свойства реального тела.  Это снижает риск ошибок во время реальных операций и улучшает качество подготовки медицинского персонала.  Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR) в сочетании с механическими симуляторами создают еще более реалистичные и интерактивные среды для обучения.[6]

Заключение

В заключение, можно сказать, что механика является фундаментальной наукой, лежащей в основе многих современных медицинских технологий и методик.

Её постоянное развитие и интеграция с другими дисциплинами, такими как биология, информатика и материаловедение,  обеспечивают дальнейшие инновации в медицине,  открывая новые возможности для улучшения диагностики, лечения и реабилитации пациентов, а также для повышения качества подготовки медицинских специалистов.

Будущее медицины во многом зависит от дальнейшего прогресса в области биомеханики, позволяющая создавать все более сложные и эффективные медицинские устройства и системы.

Список литературы:

1. Механика как наука // [Электронный ресурс ]. – Режим доступа: https://bigenc.ru/c/mekhanika-abd757 (дата обращения 19.10.2024)
2. Wood K.C., Lathan C.E., Kaufman K.R. Feasibility of gestural feedback treatment for upper extremity movement in children with cerebral palsy // IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2013. Vol.21 N 2. Р. 300–305. doi: 10.1109/TNSRE.2012.2227804
3. Шейко Г.Е., Белова А.Н., Рукина Н.Н., Короткова Н.Л. Возможности применения биомеханических систем захвата движений человека в медицинской реабилитации (обзор) // Физическая и реабилитационная медицина, медицинская реабилитация. 2022. Т.  4, №  3. 181–196. DOI: https://doi.org/10.36425/rehab109488
4. Камалова К. Р. Современные протезы рук / К. Р. Камалова // Мавлютовские чтения: сб. науч. тр. / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа, 2021. – т. 3. – С. 73- 79
5. Manelle M. Intuitive prosthetic control using upper limb inter-joint coordinations and IMU-based shoulder angles measurement: a pilot study / Manelle Merad, Étienne de Montalivet, Agnès Roby-Brami // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2016, Daejeon, South Korea.
6. Мирошина, Ю. Д. Бионические протезы в современной ортопедии / Ю. Д. Мирошина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 14 (356). — С. 47-49. — URL: https://moluch.ru/archive/356/79580/ (дата обращения: 28.10.2024).
7. Мирошина, Ю. Д. Бионические протезы современной ортопедии / Ю. Д. Мирошина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 14 (356). — С. 47-49. — URL: https://moluch.ru/archive/356/79580/ (дата обращения: 28.10.2024).