Арифметика здоровья

Специалисты механико-математического факультета БГУ создали компьютерную модель имплантата, который предотвращает перелом шейки бедра. На примере этой прорывной для постсоветского пространства разработки объясняем, почему медики все чаще обращаются за помощью к "технарям".

Предугадать все исходы

Имплантат для предотвращения перелома шейки бедра, а не для его исправления - это, безусловно, что-то новое для медицины на постсоветском пространстве. Однако перед тем как разработку начнут использовать, она должна пройти ряд научных экспериментов и виртуальных проверок. Так можно оценить прочность и предельную нагрузку проксимального отдела бедренной кости с установленным имплантатом. Именно по этой причине известный российский травматолог-ортопед и кандидат медицинских наук Анатолий Матвеев решил обратиться к специалистам из БГУ.

"Нас заинтересовала разработка, потому что она решает актуальную проблему, - рассказывает декан мехмата БГУ доктор физико-математических наук Сергей Босяков. - На шейке бедра много артерий и сосудов, поэтому при ее повреждении нарушается кровоснабжение. Это особенно опасно для пожилых людей и женщин, у которых кость более хрупкая, вследствие чего активно вымывается кальций и появляется высокая пористость. Поэтому перелом может возникнуть даже в отсутствие травмы или экстремальной ситуации. Можно просто перевернуться с одного бока на другой, случайно надавить на бедро и сломать шейку. А это заметно сокращает жизнь пожилому человеку. Так что имплантат, который предотвращает перелом", - большой прорыв в травматологии.

Для того чтобы проверить его возможности, группа ученых разработала точную компьютерную модель, а также модель бедренной кости, учитывая все свойства костной ткани.

"Это необходимо, чтобы учесть все возможные нетипичные ситуации и движения пациента, которые могут вызвать разрушение кости после установки имплантата. Наложили модели - его и бедренной кости - и с помощью специальной программы выполнили расчеты: оценили механические напряжения, деформации, предельную нагрузку и несущую способность кости с имплантатом в сравнении с неповрежденной костью, - рассказывает Сергей Босяков. - В итоге оказалось, что кость, усиленная имплантатом, способна выдерживать нагрузку приблизительно на 20% больше. При этом, помимо действия статической нагрузки, изучили изменение напряженно-деформированного состояния в долгосрочной перспективе: повлияет ли появление остаточных деформаций на функционирование кости, не начнет ли имплантат расшатываться. Полученные данные используем при разработке рекомендаций для дальнейшей реабилитации пациента и во избежание травмы.

Решение об установке такого имплантата принимает врач. При этом подход к каждому пациенту индивидуальный - в зависимости от его физических особенностей.

"Наша главная задача - определить оптимальные геометрические параметры имплантата и его локализацию: установить выше или ниже, под углом или прямее, что скажется на картине распределения нагрузки, так как перелом может случиться и от собственного веса. Поэтому тут важно оценить степень остеопороза. Например, для захвата большой части кости можно сделать пластину имплантата длиннее. Эти и другие факторы важно учесть, чтобы предугадать дальнейшее развитие событий. Как только мы закончим, имплантат можно будет внедрять в медицинскую практику", - объясняет Сергей Босяков.

Сгладить все углы

Подобные исследования проводились не в первый раз. Долгое время мехмат БГУ тесно сотрудничает с РНПЦ травматологии и ортопедии. Для одного проекта команда Сергея Босякова разработала программу, направленную на предупреждение патологического перелома у пациентов после удаления опухолеподобных поражений, возникающих в длинных трубчатых костях: предплечье, плечо, бедро, голень. При извлечении фрагмента кости, содержащего поражение, возрастает риск возникновения трещины в области костного дефекта. Появление перелома может потребовать нескольких операций и, безусловно, негативно скажется на организме, особенно детском.

"Мы создали программу для формулировки рекомендаций по предупреждению патологического перелома. В ней можно указать отдел кости, ее сторону, а также линейный и угловой размеры дефекта, оценить изменение несущей способности кости с послеоперационным дефектом. Это позволяет сформулировать рекомендации хирургу о том, как лучше проводить реабилитацию: наложить гипс, использовать разгрузочный режим или армирование", - рассказывает Сергей Босяков.

Проведенные расчеты позволяют избежать избыточного лечения.

"Математика открывает большие перспективы перед медициной"

Компьютерное моделирование может быть полезно для разных направлений медицины. Сейчас во многих областях врачи консультируются со специалистами в этой сфере. Если говорить про лечение органов и их систем, то здесь освоена вся цепочка действий. На основании томографических данных можно разработать модель одного органа или целой их системы, задать соответствующие физико-механические свойства, затем оценить функционирование при действии статических или динамических нагрузок.

"Сотрудничаем с РНПЦ трансплантологии по вопросам разработки моделей печени, сердца и других внутренних органов, чтобы в перспективе создать виртуальную модель человека, потом при необходимости выделять систему органов или что-то в комплексе и вести биомеханические расчеты. Такой диапазон моделей позволит исследовать все области медицины, что даст возможность отвечать на любые запросы медиков, - отмечает Сергей Босяков. - У нас уже есть модели для челюстно-лицевой стоматологии, которые помогают исправлять различные аномалии, вроде расщелины неба. Также заметно продвинулись в хирургии, в частности, с моделированием операций по восстановлению подвижности пальцев с поврежденными сухожилиями. К данному направлению проявили интерес врачи из Австралии, так как это для них актуальная проблема. Так что сегодня математика открывает большие перспективы перед медициной".

Вадим БАННЫЙ,

газета "7 Дней".-0-