Как технологии «ставят на ноги»: пермские ученые рассказали о протезах

В последние годы мировой спрос на технические средства реабилитации растет: люди нуждаются в искусственных конечностях и суставах, устройствах, поддерживающих слух и зрение.

В России 13 млн человек лишены возможности нормально передвигаться, а значит — нуждаются в приспособлениях для мобильности, в частности, протезах. Ученые Пермского Политеха рассказали, как эндопротезирование помогает вернуться в строй людям, утратившим тазобедренный сустав, какие протезы конечности существуют и на что способен самый «навороченный», а также какие проблемы протезирования сейчас пытаются решить ученые.

Как вернуть подвижность суставу?

В эндопротезировании замена тазобедренного сустава — одна из самых распространенных операций, ежегодно ее проводят для 100 тысяч россиян.

— Эндопротезирование применяется в тех случаях, когда без хирургического вмешательства не получится восстановить функции тазобедренного сустава. И если операцию не провести, пациент на протяжении жизни будет испытывать постоянные боли и не сможет передвигаться без костылей. В наихудшем случае он может погибнуть. Основными показаниями к протезированию являются переломы шейки бедренной кости (в том числе несросшиеся) — у пожилых людей и спортсменов, ложные суставы, асептические некрозы суставной головки тазобедренного сустава, — рассказывает Вячеслав Шавшуков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.

Полная замена тазобедренного сустава выглядит следующим образом: под анестезией вскрывается капсула сустава, шейку бедра удаляют, а в вертлюжную впадину (место соединения бедренной кости с тазом) устанавливают искусственные чашу и вкладыш. В оставшуюся часть бедренной кости имплантируют ножку эндопротеза, которая соединяется с внедренной суставной головкой. Затем искусственный сустав проверяют на подвижность.

От чего зависит срок службы эндопротеза?

— Изготавливают искусственные суставы из металлов и композиционных материалов. Особенный интерес для ученых представляют композиты, а именно углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Этот материал имеет сходные характеристики по упругости с кортикальной оболочкой кости — ее самой прочной тканью. Это соответствие крайне важно, поскольку препятствует расшатыванию ножки эндопротеза в массиве костной ткани, — объясняет Вячеслав Шавшуков.

Изнашивается эндопротез из-за экстремальных нагрузок, которые превышают допустимые. Это приводит к повреждению матрицы (так называется один из слоев УУКМ) сразу на нескольких уровнях. Расчеты и эксперименты показывают, что протез выдерживает статические нагрузки, имитирующие силу тяжести тела человека, в диапазоне 1850 Н — 2004 Н. Это эквивалентно весу корпуса человека при массе в 188,6 кг и 204,4 кг соответственно. Как правило, протез из углерод-углеродного материала устанавливается на всю жизнь, и не требует при соблюдении стандартных нагрузок замены импланта.

Протез конечности — из чего состоит?

— Протезы нижних конечностей состоят из внутреннего вкладыша, приемной гильзы, колена и опорной части, а также стопы. Большинство составляющих протеза — это серийные изделия. Исключением является гильза — та часть, которая соединяет культю с остальной частью протеза. Это индивидуальный продукт, адаптированный к нуждам каждого отдельного пользователя. Именно гильза определяет удобство и функциональность всего изделия, — объясняет Михаил Ташкинов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» Пермского Политеха.

Коленный модуль, заменяющий коленный сустав, и опорная часть протеза передают нагрузку на стопу. Стоит отметить, что протезы нижних конечностей бывают модульные и немодульные. В последних замена коленного сустава может отсутствовать либо иметь очень ограниченный функционал. Такие протезы обычно используют пожилые люди и маломобильные граждане. Модуль стопы выполняет амортизирующие функции, а также предназначен для устойчивости конструкции протеза. Правильно подобранный модуль стопы позволяет имитировать плавную и естественную походку.

Обычно гильза протеза и коленный модуль выполняются из полимерных материалов, а стопа и опора — из металлов. Вкладыш, который предназначен уменьшать трение между культей и гильзой протеза делают из силиконовых материалов или эластичных тканей.

— Чтобы изготовить нужную форму гильзы, с культи снимается слепок или делается КТ снимок. Все протезы съемные. Для фиксации гильзы на конечности существуют специальные подвесные системы: на верхней части гильзы располагают крепления, например кожаные ремешки, которые фиксируют протез на ноге. Другой способ — использование эластичного бандажа и/или вкладыша. Вкладыш вытягивают из отверстия в гильзе. Затем клапаном из нее выкачивают воздух, плотно фиксируя за счет создавшегося вакуума. Главное — протез должен плотно прилегать к ноге, — добавляет Михаил Ташкинов.

Как работает протез?

Протезы различаются по принципу работы, выделяют механические и бионические. Первые управляются системой тросов и пружин без электроники. Вторые — при помощи датчиков, микропроцессора и электродвигателя, которые позволяют зафиксировать положение тела в пространстве. Датчики распознают движение мышц, к которым крепится протез, считывают их движения, предсказывая, какое действие совершила бы отсутствующая конечность, и имитируют его. У некоторых протезов есть монитор, где человек выбирает нужное для протеза действие, тот получает команду и выполняет ее. Так можно совершать более сложные активности: бег, плавание, подъем по лестнице и т.д.

Как выбирают протезы и какие подходят для занятий спортом?

Протез подбирается под уровни активности: низкий — передвижение по дому, неспешная ходьба по городу, умеренный — появляется возможность изменять скорость и характер ходьбы, высокий — позволяет поднимать тяжести и бегать трусцой, экстремальный — делает доступными занятия легкой атлетикой, бег на короткие и длинные дистанции. Сюда относятся и занятия лыжным спортом, катание на сноуборде.

— Гильза протеза может подходить под все уровни нагрузки, а вот коленный модуль выдерживает только низкую и умеренную активность. Специальные спортивные протезы обладают расширенным функционалом и большей прочностью, иногда имеют дополнительные узлы для управления изделием. Бионические протезы могут выполнять все функции конечности и выполнять все виды спортивной деятельности. Но стоит учитывать, что для занятий плаванием и контактов с водой протез должен быть водонепроницаемый. Стоимость таких протезов очень высока (от 1 млн рублей). Поэтому пользователи часто имеют не один, а несколько отдельных изделий. Это можно сравнить с обувью: спортом удобнее заниматься в кроссовках, а по улице ходить в ботинках, — рассказывает Михаил Ташкинов.

Сколько служат протезы и когда их меняют?

Для протезов проводятся прочностные испытания, где учитывают нагрузки, которым он будет подвергаться: вес пользователя, уровень его повседневной активности и др. Для серийных компонентов протеза существуют стандарты, где описана минимальная несущая способность, необходимая для всех компонентов протеза.

— К сожалению, в отношении гильз протезов такие соображения не распространяются, поскольку они изготавливаются индивидуально и для нее не существует протокола испытаний. Поэтому сложно дать точный ответ про срок службы протезов: иногда приходится заменять отдельные части изделия, так как истек их срок службы, иногда в связи с изменениями параметров пользователя, например, из-за увеличения веса приходиться полностью заменять протез, хотя предыдущее изделие все еще пригодно, — отмечает эксперт Пермского Политеха.

Сложно ли адаптироваться к протезу?

Об этом рассказал Вячеслав Ладейщиков, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и нейрохирургии ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера. В обычной жизни эндопротез тазобедренного сустава «ощущается» точно так же, как и родной сустав. Единственное — у импланта есть ограничения, специалисты рекомендуют избегать чрезмерных сгибаний, вращений ноги в тазобедренном суставе. Связано это с тем, что в отличие от человеческой ткани материал эндопротеза обладает иными свойства и может появиться риск повреждения тканей окружающих его.

— Первое время после операции пациенты, конечно, ощущают дискомфорт, обусловленный в основном болью в связи с тем, что мышечные ткани еще не зажили после вмешательства хирурга. И чтобы восстановление проходило благополучно и эндопротез прижился, область, куда его внедрили, необходимо ограждать от чрезмерных нагрузок, резких разворотов. На травмированном месте лучше не спать, чтобы не давить на несросшиеся ткани. Важно избегать падений, чтобы швы не разошлись. Заниматься лечебной физкультурой для укрепления мышц и связочного аппарата сустава. Если соблюдать эти рекомендации, адаптация и заживление проходят в течение двух-трех месяцев. Через пару лет люди «забывают» об установленных имплантах, поскольку те никак себя не проявляют, — рассказывает Вячеслав Ладейщиков.

Адаптация к съемным протезам проходит сложнее и дольше. Сперва человек преодолевает первичную реабилитацию, пока место ампутации заживает. Когда протез под индивидуальные параметры и потребности будет изготовлен, необходимо привыкнуть к нему: научиться вставать и садиться, правильно сокращать и расслаблять мышцы во время передвижения, преодолевать препятствия, такие как лестницы и бордюры. По словам некоторых пользователей, использование бионического протеза ноги является более удобным по сравнению с обычным механическим модульным протезом, так как он обеспечивает максимально естественный физиологический шаг. При ходьбе пользователь опирается на ступню под небольшим углом, а не на пятку, что позволяет более точно имитировать естественное передвижение.

Отдельная часть адаптации — психологическая. Человеку необходимо свыкнуться с утраченной конечностью, принять нового себя и протез. Из-за внешней особенности он будет привлекать внимание окружающих, с чем тоже нужно научиться справляться.

При уходе за протезом особое внимание следует уделять гигиене культеприемной гильзе. Ее следует протирать внутри после каждого использования, поскольку там могут собираться пот и частички эпителия, создавая благоприятную среду для размножения бактерий и микробов. Загрязненная гильза может стать источником раздражения и даже вызвать воспаление культеприемного участка.

Спорт после установки протеза — какие есть рекомендации?

Об этом рассказал Валерий Паначев, доктор социологических наук, профессор кафедры физической культуры ПНИПУ. Людям со свежеустановленным протезом рекомендуют занятия адаптивным спортом — это комплекс восстановительной программы и физических упражнений, который разрабатывается врачом совместно с тренером индивидуально для каждого. Ограничений для занятий таким спортом нет. Главное в тренировочном процессе — умеренные нагрузки, без экстремальных усилий в течение года после установки протеза. Затем можно постепенно усложнять тренировки под контролем специалистов. Но особо травмоопасными остаются прыжки с трамплина, фристайл, могул.

К чему сейчас стремятся исследователи протезов?

Михаил Ташкинов рассказывает, что в наши дни применяются новые технологии для изготовления протезов, такие как аддитивное производство с помощью 3D-печати. Это позволяет ускорить их создание. Большое внимание уделяется усовершенствованию гильз, чтобы добиться максимального комфорта пользователя. Появилась идея применения ауксетичных материалов в гильзе протеза. Дело в том, что остаточная конечность в течение дня меняет свои размеры и опухает, и гильза начинает сжимать ее слишком сильно. С применением ауксетиков предполагается, что данную проблему удастся избежать, поскольку они адаптируются к объему конечности, расширяясь и сжимаясь, когда нужно.

Протезирование помогает людям с утраченными суставом или конечностью вернуть активность в свою жизнь. Современные технологии позволяют создать протез под индивидуальные нужды, в том числе — для занятий спортом.