Метод анализа предельно допустимых нагрузок на остеоинтегрированный имплант экзопротеза

Авторы:

Щербина Константин Константинович — доктор медицинских наук, заместитель генерального директора — директор Института протезирования и ортезирования, ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России, ул. Бестужевская, д. 50, Санкт-Петербург, 195067, Российская Федерация, е-mail: shcherbina180@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-7579-0113.

Синегуб Андрей Владимирович — младший научный сотрудник отдела биомеханических исследований опорнодвигательной системы Института протезирования и ортезирования, ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России, ул. Бестужевская д. 50, Санкт-Петербург, 195067, Российская Федерация; е-mail: a.sinegub@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-2619-3691.

Черникова Марина Владимировна — руководитель проектно-конструкторского отдела Института протезирования и ортезирования, ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России, ул. Бестужевская, д. 50, Санкт-Петербург, 195067, Российская Федерация; аспирант; кафедра автоматики и процессов управления ФГАОУ ВО СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197022, Российская Федерация; е-mail: chernikovamarinavl@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-3881-7521.

Фогт Елизавета Владимировна — руководитель отдела биомеханических исследований опорно-двигательной системы Института протезирования и ортезирования, ФГБУ ФНОЦ МСЭ и Р им. Г.А. Альбрехта Минтруда России, ул. Бестужевская, д. 50, г. Санкт-Петербург, 195067, Российская Федерация, аспирант; кафедра биотехнических систем ФГАОУ ВО СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197022, Российская Федерация; е-mail: fogtlisbet11@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-1017-6179.

Аннотация:

Введение. Ампутация нижних конечностей оказывает негативное влияние не только на продолжительность жизни, но и на её качество. Снижение физической активности вследствие ампутации приводит к выпадению самого инвалида из социальной и профессиональной сферы, что служит причиной значительных социально-экономических потерь общества в целом. По мере развития технологий протезирования был разработан альтернативный способ закрепления протеза на теле человека — чрескожное остеоинтегрируемое протезирование. Данный метод заключается в закреплении экзопротеза за счет хирургической имплантации биосовместимого металлического устройства в остаточную кость культи. Развитие данной технологии является перспективным направлением реабилитации инвалида, повышающем качество его жизни, однако накладывает дополнительные требования к безопасной эксплуатации. Чрезмерные нагрузки, оказываемые на остеоинтегрированный имплантат экзопротеза, увеличивают риски перелома кости.

Цель. Предложить метод математического анализа предельно допустимых нагрузок на остеоинтегрированный имплантат экзопротеза, учитывающий уровень ампутации.

Материалы и методы. В данном исследовании с помощью технологии SD-моделирования была построена цифровая модель остеоинтегрированного импланта экзопротеза. Методом конечных элементов были изучены критические состояния разработанной цифровой модели, имитирующей основные нагрузки, возникающих при ежедневной двигательной активности здорового человека, и получены объективные технические результаты. Для проведения исследования использовалось математическое компьютерное моделирование с применением программ: Ansys 2020R2 (Ansys inc, США); MSC Adams (Hexagon, США), Materialise Mimics и Materialise 3-Matic компании Materialise NV (Бельгия).

Результаты. Представлены результаты математического моделирования, которые свидетельствуют об увеличении пикового момента на имплантате с 600 Нм до 18070 Нм (короткая культя) и с 374 Нм до 12270 Нм (длинная культя) при увеличении скорости маха ноги с 0,087 рад/с до 1,05 рад/с.

Обсуждение. Данное исследование является начальным этапом разработки требований безопасности для остеоинтегративного метода закрепления протезов. Разработка метода анализа предельных нагрузок позволит минимизировать риски возникновения осложнений в реальной клинической ситуации.

Заключение. Разработанный метод на основе построения цифровой модели может быть использован для проектирования и настройки систем безопасности подобных протезов и определения предельных допустимых моментов в приводах мехатронных протезов, интегрированных в опорно-двигательный аппарат.

Список цитируемой литературы:

1. World Health Organization. WHO standards for prosthetics and orthotics. Geneva: World Health Organization, 2017.

2. Fleming A et al. Myoelectric control of robotic lower limb prostheses: a review of electromyography interfaces, control paradigms, challenges and future directions. Journal of neural engineering. 2021;18(4):041004.

3. Farina D, Aszmann O. Bionic limbs: clinical reality and academic promises. Science translational medicine. 2014; 6(257):257ps12.

4. Thesleff A et al. Biomechanical characterisation of bone-anchored implant systems for amputation limb prostheses: a systematic review. Annals of biomedical engineering. 2018;46(3):377-91.

5. Dudek NL et al. Dermatologic conditions associated with use of a lower-extremity prosthesis. Archives of physical medicine and rehabilitation. 2005;86(4):659-63.

6. Eshraghi A. et al. Pistoning assessment in lower limb prosthetic sockets. Prosthetics and Orthotics International.2012;36(1):15-24.

7. Hagberg K, Branemark R. Consequences of non-vascular trans-femoral amputation: A survey of quality of life, prosthetic use and problems. Prosthetics and Orthotics International.2001;25(3):186-94.

8. Ortiz-Catalan M et al. On the viability of implantable electrodes for the natural control of artificial limbs: review and discussion. Biomedical engineering online.2012;11(1):124.

9. Ortiz-Catalan M, Hakansson B, Branemark R. An osseointegrated human-machine gateway for long-term sensory feedback and motor control of artificial limbs. Science translational medicine. 2014;6(257):257re6.

10. Welke B et al. Multi-body simulation of various falling scenarios for determining resulting loads at the prosthesis interface of transfemoral amputees with osseointegrated fixation. Journal of Orthopaedic Research. 2013;31(7):1123-9.

11. Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A. Hip joint loading during walking and running, measured in two patients Journal of biomechanics.1993;26(8):969-90.

12. Edwards WB et al. Internal femoral forces and moments during running: implications for stress
fracture development Clinical Biomechanics. 2008;23(10):1269-78.

13. Thesleff A et al. Load exposure of osseointegrated implants for transfemoral limb prosthesis during running. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018. 1743-6.

14. Niswander W, Wang W, Baumann AP. Characterizing loads at transfemoral osseointegrated implants. Medical Engineering & Physics. 2020;84:103-14.