По данным статистики, в России остеопороз (разрушение костной ткани) выявлен у 33% женщин и 26% мужчин в возрасте 50 лет и старше. Каждую минуту в стране происходит 7 переломов позвонков, а каждые 5 минут —проксимального отдела бедренной кости. К 2035 г. общее число переломов на фоне остеопороза увеличится с 590 тыс. до 730 тыс. случаев в год.  Трабекулярная кость – это один из двух основных типов костной ткани в организме человека. Она также известна как «губчатая» из-за своей пористой структуры. Сложное строение таких костей представляет проблему для анализа возникновения и распространения разрушений в них. Ученые ПНИПУ разработали модели и провели численные эксперименты по разрушению пористой костной ткани, а также изучили их важные механические свойства. Результаты исследования помогут создавать искусственные имплантаты для тканевой инженерии, приближенные к костной ткани по строению, форме и выдерживаемым нагрузкам, что ускорит процесс реабилитации пациентов.

Результаты исследования опубликованы в журнале «Theoretical and Applied Fracture Mechanics» №130, 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы мегагрантов, соглашение № 075-15-2021-578.

Старение организма и некоторые заболевания, которые приводят к снижению костной массы, например остеопороз, уменьшают минеральную плотность и повышают опасность перелома костей. Чтобы снизить риски и оказать своевременную помощь, необходимо понять специфические особенности поведения трабекулярных костей при разрушении.

Изучение такой костной ткани традиционными экспериментальными методами затруднительно из-за этических процедур и значительной изменчивости ее микроструктуры.

Ученые Пермского Политеха провели исследование, в котором моделировали образование трещин и разрушение губчатой костной ткани. Для этого сначала получили геометрию структур из сканов компьютерной томографии реальных трабекулярных большеберцовых костей. Затем перевели их в 3D-модели и выполнили численные эксперименты на растяжение и сжатие образцов с моделированием процессов разрушения.

Для расчетов объектов с таким сложным строением политехники разработали специальный алгоритм. Подход позволяет одновременно моделировать рост нескольких трещин (а не одной, как было в существующих моделях), что крайне важно, поскольку особенности пористой структуры костей приводят к появлению множества потенциальных областей для роста микротрещин. Ученые Пермского Политеха выделяли участки с резким локальным повышением напряжений, и определяли возможность зарождения и роста трещины для каждой.

Разработанный алгоритм позволяет анализировать прогрессирующий рост трещины в отдельных лигаментах костной ткани – соединительных элементах, образующих пористую структуру кости.

– Биомедицинские устройства для замены костных тканей должны максимально соответствовать свойствам кости, в том числе ее механическим характеристикам. Это позволит ускорить процесс заживления и избежать осложнений, связанных с неправильным распределением нагрузки между костью и имплантатом. Полученные нами модели описывает характер эволюции роста трещин в реальной кости и в дальнейшем помогут в создании искусственных костных заменителей, – поделился кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ Михаил Ташкинов.

Исследование ученых Пермского Политеха позволит контролируемо оценивать поведение трабекулярной структуры костей при разрушении в отдельных участках. С помощью полученных данных возможно улучшить имплантаты для восстановления или замещения дефектов в костной ткани так, чтобы они максимально соответствовали физическим и биологическим характеристикам естественной ткани.

Слушайте, ну так вы вряд ли сможете)

Привет, меня зовут Лена, мне 22 года и я родилась с аплазией верхних и нижних конечностей.

Летом 2023 года я серьезно занялась вопросом протезирования, и как вы можете увидеть, у меня получилось!

Почему я здесь? хммм...решила освещать эту тему и тут)

У меня есть телеграм-канал, где я показываю и рассказываю о своей жизни с протезами и без них, если вам интересно, обязательно присоединяйтесь https://t.me/lapochka_255

Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, в России на 2023 год проживают почти 11 млн инвалидов, из них 4,5 млн относятся к III-й степени, когда ампутированы руки на уровне предплечья. Для помощи таким людям существуют бионические протезы. В последние годы они получают все большее распространение. Объем рынка протезов в 2021 году составлял 6,4 млрд долларов и постепенно увеличивался. Это объясняется общим развитием робототехники и медицины, а также правительственными программами, направленными на помощь пострадавшим. Вместе с тем усовершенствование конструкции бионических протезов остается актуальной проблемой. Главная цель развития – повысить удобство и снизить стоимость, чтобы обеспечить широкую доступность. Ученые ПНИПУ рассмотрели текущие промышленные решения на рынке бионических протезов и нашли способ улучшить систему электродвигателей в них.

Исследование опубликовано в журнале «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления» №49 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Бионические протезы считаются наиболее современными, они работают на электрическом приводе и способны частично или даже полностью выполнять функции утраченных органов. Ученые ПНИПУ рассмотрели крупнейшие компании на рынке и изучили параметры представленных протезов – максимальный ток, емкость аккумуляторов, показатели циклов сжатия-расжатия кисти, усилие при захвате, диапазон температуры при эксплуатации, вес, который они могут выдерживать. Выяснилось, что сейчас основное направление для научных исследований – это разработки в области систем считывания данных с организма пациента. При этом крайне мало внимания уделяется задействованным в проектировании приводам.

Большинство разработок электродвигателей ограничиваются выбором готовых продаваемых вариантов, поскольку индивидуальные увеличивают и так большую стоимость протеза.

Ученые ПНИПУ нашли способ оптимизировать электродвигатели внутри бионического протеза. Новое решение позволит отказаться от используемых сейчас цепочек, состоящих из нескольких двигателей и механических передач, которые усложняют конструкцию, делают ее тяжелой, добавляют механические шумы, увеличивают вероятность поломки.

Политехники предлагают заменить существующую систему на линейные и сферические двигатели. Первый из них помогает элементам менять положение в одном направлении, например, чтобы поднять груз или открыть крышку. Второй – обеспечивает движение в нескольких плоскостях.

Для внедрения разработки политехники изучили точки применения двигателей, которые уже используются по старой схеме и нуждаются в новом технологическом решении. Среди них выделили три основных.

Первая точка – обеспечение подвижности пальцев. Сейчас в протезах эта цель достигается с помощью традиционного вращающегося двигателя и передаточного механизма – актуатора, который трансформирует вращательное движение в линейное. Это приводит к недостаточной эффективности использования ограниченного внутреннего пространства протеза, увеличению его веса и уменьшению срока работы.

Ученые Пермского Политеха рассматривают вариант замены его сразу на линейный двигатель. Он может быть плоским и цилиндрическим, первый – более компактный, при этом второй предпочтителен из-за замкнутого магнитопровода, который в режиме жесткой экономии энергии позволяет увеличить срок автономной работы протеза.

Вторая точка применения электродвигателя – это обеспечение подвижности кисти в целом, а именно имитация запястья и мышц, отвечающих за наклоны. Третья – основание противостоящего пальца (большого), которому нужно двигаться в двух плоскостях. В этих случаях политехники предлагают заменить двигатель на сферический, который отличается возможностью обеспечить сразу две функции – вращение вокруг оси и наклоны относительно нее.

– На основе этих предложений мы сформировали свой вариант расположения предлагаемых двигателей в корпусе протеза: цилиндрические и линейные двигатели предполагается использовать для движения четырех пальцев, а сферические – для кисти и большого пальца. Затем мы провели расчеты и представили схему компоновки электропривода протеза, которая уменьшит вес и шум конструкции, а также обеспечит ее отказоустойчивость, – объясняет ведущий инженер кафедры электротехники и электромеханики ПНИПУ Александр Плюснин.

Для замены применяемых сейчас линейных актуаторов ученые провели расчеты и определили параметры питания, которыми должны обладать будущие двигатели. Они рассчитываются исходя из емкости предполагаемого аккумулятора, на современных моделях она составляет около 1500 мАч.

У каждого двигателя политехники определили токопотребление – для подвижности пальцев необходимо 0,4 А, а для запястий – 0,8 А. Предполагается, что при работе всех двигателей одновременно потребляемый ток составит 4,48 А. Тогда емкости стандартного аккумулятора хватит примерно на 1200 полных циклов перемещения.

– Нам было важно показать, что замена применяемых сейчас двигателей целесообразна только в том случае, если новые двигатели будут иметь или очевидные преимущества с перспективой стать полноценной заменой, или частичные преимущества, став альтернативным, но тоже перспективным решением. Согласно проведенным исследованиям предложенный вариант может претендовать на то, чтобы удовлетворить указанным требованиям, – говорит заведующий кафедрой электротехники и электромеханики ПНИПУ Борис Кавалеров.

Ученые ПНИПУ предложили новый, оптимизированный вариант электропривода протеза. Предложенное решение позволит уменьшить вес и объем, отводимый в протезе под двигательную систему, сделает его тише, улучшит компоновку и оптимизирует энергопотребление. Политехники отмечают, что полученные результаты могут быть использованы не только в протезировании, но и при разработке манипуляторов роботов-андроидов.