КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-71-00069
НазваниеИсследование биомеханики ампутанта нижних конечностей с помощью численного моделирования
Руководитель Сердюков Владимир Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" , Новосибирская обл
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-313 - Биомеханика
Ключевые слова Биомеханика, протезирование, численное моделирование, цифровой двойник, OpenSim
Код ГРНТИ30.51.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время протезирование нижних конечностей является актуальной проблемой в России, так как количество людей, нуждающихся в такого рода помощи, растет. Однако, разработка новых современных конструкций протезов ограничена отсутствием комплексных исследований биомеханики ампутантов. Настоящий проект направлен на исследование биомеханики ампутантов нижних конечностей с помощью компьютерного моделирования для решения целого ряда проблемных задач протезно-ортопедической отрасли, а именно: определение оптимальных видов и конструкции протезов стоп для конкретного пациента, определение причин, затрудняющих пациенту использование конкретного протеза, а также разработка и тестирование новых типов протезов.
Для решения поставленных в проекте задач будет использовано специализированное программное обеспечение с открытым кодом OpenSim, созданное для биомеханического моделирования. OpenSim является уникальным и гибко настраиваемым инструментом, который позволяет проводить широкий спектр исследований, включая анализ динамики ходьбы, анализ нагрузок на суставы и работы мышц, проектирование медицинских устройств, анимацию движений человека и др. С помощью численного моделирования в проекте будет изучена биомеханика пациентов с различными протезами, а также будет проведено численное сравнение походки ампутанта с моделями человека без ампутации и показано расхождение данных для различных протезов. Будут получены количественные параметры, позволяющие как провести осознанный выбор протеза в клинике, так и установить причины, влияющие на удобство использования конкретного протеза.
Новизна предлагаемого в проекте исследования связана с внедрением инструментов численного моделирования и создания цифровых двойников в области протезирования и биомеханики. Сегодня подобные подходы практически отсутствуют в России, что вызывает неизбежное отставание в сфере персонализированной медицины и создания современных протезов. Одной из ключевых особенностей настоящего проекта является не просто моделирование, отстраненное от реальных клинических случаев, а моделирование основанное в т.ч. на персональных данных пациентов-ампутантов. Так, планируется разработать и создать систему захвата движений пациентов для внесения в цифровую модель их индивидуальных особенностей для решения задач подбора, адаптации и настройки протезов. Кроме того, в проекте планируется создавать цифровые модели протезов отечественного производства, которые будет использованы для их тестирования на модели пациента без необходимости многократного посещения им протезной клиники. Подобных исследований в мире не проводилось. Результаты проекта будут обладать несомненной новизной и соответствовать мировому уровню, что в т.ч. будет подтверждаться публикациями в ведущих отраслевых изданиях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведен подробный анализ возможностей моделирования биомеханики человека с использованием ПО Opensim, проведен анализ математической модели человека, лежащей в основе численного моделирования, также были подробно изучены математические модели суставов и мышц. Были проведены тестовые численные эксперименты с варьированием параметров модели здорового человека Miller, 2021 и генерацией походки с этими параметрами.
Проведено сравнение существующих открытых моделей ОДА человека с транстибиальной ампутацией. Определены недостатки данных моделей для решения поставленных в проекте задач. Разработана собственная модель транстибиального ампутанта на основе модели здорового человека Miller et al., 2024 с удаленной частью костей, суставов и мышц. В модель также была внедрена геометрия протеза стопы. Разработанная модель может использовать данные по кинематике ходьбы для запуска библиотеки OpenSim:Moco, которая является основой для предсказательного моделирования движений.
Для дальнейшей валидации цифровой модели ампутанта и проведения исследований с ее помощью было проведено подробное исследование биомеханических показателей ходьбы ампутантов с помощью системы захвата движений. В работе было изучено в общей сложности 15 пациентов с транстибиальной и трансфеморальной ампутациями. Данные работы были выполнены в Новосибирском филиале Московского протезно-ортопедического предприятия. Для исследования влияния положения протеза стопы на биомеханические показатели ходьбы ампутанта в работе проводилась настройка протеза в сагиттальной и фронтальной плоскостях. В ходе работы был проведен анализ походки мужчины с односторонней транстибиальной ампутацией. Исследовано 8 различных настроек положения протеза стопы высокой степени активности в сагиттальной и фронтальной плоскостях. В результате работы были построены графики сравнения усредненных углов сгибания/разгибания бедра, колена и стопы для различных настроек, которые сопоставлялись с ГОСТ Р 53871-2021 «Методы оценки реабилитационной эффективности протезирования нижних конечностей». Обнаружено, что расхождение углов сгибания/разгибания суставов по сравнению с ГОСТ может достигать 30 гр., а изменение скорости ходьбы – до 0.5 м/с. Также сравнивались углы наклона корпуса и анализировалась симметрия походки. Исследование показало, что настройки протеза могут значительно влиять на кинематику ходьбы ампутанта. Предложен алгоритм определения наиболее подходящей пациенту настройки протеза. Показано, что использованная методика может быть использована в процессе реабилитации пациентов для определения наиболее эффективной настройки положения протеза. Полученные данные послужат основой для дальнейшей верификации работы цифрового двойника при изменении параметров протеза.
Спроектирована и создана система захвата движений нижних конечностей на основе инерциальных датчиков (7 штук), а также разработан программный код и приложение для удобной работы с ней. Проведено сравнение работы разработанной системы и коммерчески-доступной Perception Neuron 3, ранее апробированной в работе с ампутантами. Созданы упрощенные 3D модели различных протезов стоп (10 штук) - Freedom Agilix, Ossur Proflex, Proteor Highlander, Ottobock Taleo, Ottobock 1E56 Axtion, Ottobock Trias, Метиз 2H21Y, Ортос С-02УП, Blatchford Elan, Ортос С-02УП, Метиз 2H15Y. Модели могут быть в дальнейшем внедрены в Opensim в разработанную модель транстибиального ампутанта. Модели могут быть масштабированы и на них задана необходимая для корректной работы Opensim контактная геометрия. Подготовлена и отправлена в журнал Journal of Applied Biomechanics (Q2, IF = 1.1) статья «The study of prosthetic foot alignment on amputee gait kinematics using IMU-based motion capture system» Также результаты проекта были представлены на двух отечественных конференциях (X Российская конференция с международным участием по Управлению движением, НТУ "Сириус и 63-я Международная научная студенческая конференция, Новосибирск). Доклад, представленный на 63-ей Международной научной студенческой конференции отмечен орг. комитетом дипломом 3-степени.
Публикации
1. Коростовская Д.А., Шашкина Т.П., Сердюков В.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОТЕЗА СТОПЫ НА КИНЕМАТИКУ ХОДЬБЫ АМПУТАНТА НТУ Сириус (год публикации - 2025)
2. Т.П. Шашкина, Д.А. Коростовская Метод поиска оптимальной настройки положения протеза стопы с помощью IMU системы захвата движений пациента Новосибирский государственный университет (год публикации - 2025)