С возрастом межпозвоночные диски в позвоночнике деградируют, и некоторые из них приходится заменять хирургическим путем с помощью имплантатов. Однако новая модель позвоночника, созданная с учетом особенностей пациента, может помочь определить, насколько успешной будет такая операция.
3D-печатная модель позвоночника, использованная в исследованииях Флоридского Атлантического Университета
Под руководством профессора Атлантического университета Флориды Эрика Энгеберга и доктора Фрэнка Вриониса из Института неврологии Маркуса группа ученых провела компьютерную томографию позвоночника пациента. Затем этот снимок был использован для создания компьютерной 3D-модели, на основе, которой затем была изготовлена 3D-печатная шарнирная модель одного из отделов позвоночника.
Полимерная модель была напечатана с уже установленным имплантатом диска шейного отдела позвоночника. Также в модель был встроен массив мягких магнитных датчиков, изготовленных из доступной смеси силикона и магнитного порошка.
Роботизированное воздействие с помощью мягких магнитов для определения локализации и амплитуды внешних нагрузок. (ai) Растягивающийся мягкий магнит. (aii) Печатная плата массива датчиков на основе эффекта Холла с размерами в мм. (aiii) Каждая отдельная позиция датчиков эффекта Холла пронумерована, а физические характеристики обозначены в единицах мм. (b) Система UR5 воздействовала на мягкие магниты, расположенные на массиве датчиков с эффектом Холла 3 × 3 в 3D-печатном корпусе. Все девять сигналов датчиков Холла были зафиксированы в Simulink и классифицированы с помощью четырех алгоритмов машинного обучения в MATLAB.
С помощью роботизированного манипулятора модель позвоночника сгибалась и разгибалась, имитируя пять основных положений позвоночника используемых в реальной. При этом датчики отслеживали, каким образом добавленный имплантат вызывает распределение нагрузки по всему позвоночнику.
Было установлено, что установка с имплантированным диском со стопроцентной точностью воссоздает воздействие различных движений на позвоночник человека.
Специалисты надеются, что после дальнейшего совершенствования технология может быть использована для оценки того, какой имплантат и/или хирургическая методика будут работать наиболее оптимально, еще до того, как будет проведено хирургическое вмешательство. Кроме того, моделирование, выполненное с помощью этой модели, поможет пациентам лучше понять, какими видами деятельности можно заниматься во время реабилитации после операции.
(a) Модель роботизированного позвоночника, разработанная для конкретного пациента на основе компьютерной томографии позвоночника. (b) Модифицированный искусственный диск был "имплантирован" в копию шейного отдела позвоночника C4. В муляж позвонка C5 были встроены мягкий магнит, плата с датчиками с эффектом Холла, постоянный магнит и Ecoflex. Роботизированный манипулятор сгибал и разгибал реплику шейного отдела позвоночника, в то время как межпозвоночные нагрузки отслеживались с помощью матрицы датчиков на мягких магнитах для классификации позы позвоночника с помощью четырех различных алгоритмов машинного обучения.
" Новый подход обладает мощным потенциалом, позволяющим хирургам предварительно прогнозировать и анализировать последствия различных хирургических вмешательств с учетом особенностей пациента, используя роботизированную модель позвоночника", - сказал Врионис. "Более того, данная разработка поможет определить, какое устройство подойдет лучше - полностью фиксированное, полуфиксированное или свободное от фиксации, а возможно даже полностью интегрированное в организм человека".
Источники:
https://www.mdpi.com/1424-8220/22/1/212
https://www.fau.edu/newsdesk/articles/human-spine-twin
