Благодаря работе американских ученых умные эндопротезы коленного сустава скоро могут стать реальностью ортопедической хирургии.
Сотрудники Университетов Стони Брук и Западного Онтарио совместно с исследователями Бингемтонского университета (США) разработали технологию, которая позволяет врачам контролировать износ искусственных суставов и управлять реабилитацией.
Операция по замене (эндопротезированию) коленного сустава является одной из наиболее частых в ортопедической хирургии, и с каждым годом их количество растет.
Многие операции являются ревизионными, то есть они выполняются для замены поломанного или сильно изношенного имплантата.
Все чаще эндопротезирование требуется молодым активным пациентам, которые сталкиваются с дилеммой.
Ожидается, что после замены коленного сустава они смогут вести подвижный образ жизни и поддерживать здоровье, но эта активность будет неизбежно изнашивать эндопротез и приближать ревизию.
Обычно врачи не знают, как на самом деле перенапрягаются пациенты, пока не обнаружатся признаки износа эндопротеза. К этому моменту дело уже сделано. Для молодого человека операции по замене изношенного сустава каждые 5-10 лет — непростая задача, даже если отбросить материальный аспект. Вот и приходится больным искать индивидуальный баланс между необходимостью поддерживать физическую форму и беречь искусственное колено.
Новое поколение эндопротезов поможет врачам и пациентам
Американские ученые решили, что пришло время создавать умные коленные имплантаты, которые могли бы отслеживать изменения активности по мере их возникновения. Шерри Тауфигиан (Sherry Towfighian) из Бингемтонского университета возглавила разработку устройства при поддержке Национальных институтов здравоохранения США.
«Мы работаем над эндопротезом коленного сустава со встроенными сенсорами, отслеживающими давление на имплантат. Они дают врачу более четкое представление, насколько активно пациент изнашивает суставы», — поясняет суть проекта Тауфигиан.
Датчики позволяют врачу вовремя обнаружить нежелательные паттерны физической активности и посоветовать пациенту «сбавить обороты». Это делается задолго до момента, когда имплантату будет нанесен непоправимый ущерб. Соответственно, появляется реальная возможность на годы отсрочить ревизионное вмешательство. Хотя сенсоры решили одну проблему, они принесли другую. Исследователи не хотели снабжать датчики батареей, которую, придется периодически заменять и на некоторое время отсрочили внедрение интеллектуального эндопротеза.
Вместо этого пришлось поработать над автономным механизмом генерации энергии, который может питать инновационное устройство от движения колена.
Один из исследователей Ватик Ибрагим (Wathiq Ibrahim) разработал прототип миниатюрного устройства для выработки и накопления электрической энергии внутри сустава. Система уже протестирована на механическом испытательном стенде, демонстрирующем реалистичность оригинальной идеи. В основе технологии лежит трибоэлектрическая энергия — вид энергии, которая генерируется в результате трения поверхностей. Когда человек двигается, поверхности искусственного сустава двигаются друг относительно друга, благодаря чему подпитываются сенсоры нагрузки.
Эмре Салман (Emre Salman) из Университета Стони Брук разработал схему и определил, что для этого потребуется 4,6 микроватта. Предварительные испытания показали, что во время обычной прогулки человек вырабатывает 6 микроватт — этого более чем достаточно для питания датчиков.
«Эти умные эндопротезы не только дадут врачам обратную связь, но и помогут исследователям в разработке будущих имплантатов. Сенсоры расскажут нам больше о требованиях, предъявляемых к имплантатам, и с этими знаниями мы сможем создавать более долговечные эндопротезы», — говорит Тауфигиан.
Константин Моканов: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик
Источник: