Анотація до роботи:

Качер В.С. Методи та засоби аналізу динамічного стану протезованої ноги людини. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 – медичні прилади та системи. – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004.

Дисертація присвячена питанням створення математичної моделі динамічного стану протезованої ноги людини, вимірювальної бази і методики їх застосування в клінічній практиці для покрашення рівня реабілітації інвалідів з ампутаційними дефектами нижніх кінцівок.

Розроблено вимірювальні засоби, які доповнюють існуючу базу і дозволяють отримувати дані про кінематику рухів людини – поліцентричий гоніометр, схему побудови протезу - базометр та пристрій вимірювання тиску, що виникає в системі “кукса - гільза” протезу. Дані експериментальних вимірювань застосовуються в якості вхідних параметрів моделі та контролю отриманих результатів моделювання.

Розроблено математичні моделі силової взаємодії в системі “кукса - гільза” протеза гомілки і стегна, які ґрунтуються на механіці абсолютно твердого тіла з використанням оптимізаційного підходу. Створено програмне забезпечення для реалізації математичних моделей та методику застосування розроблених моделей в практиці протезування для виявлення дефектів схеми побудови протезів.

У даній дисертаційній роботі на основі механіки абсолютно твердого тіла з використанням оптимізаційного підходу реалізовано ефективний алгоритм математичного моделювання динамічного стану протезованої ноги людини та відповідні засоби вимірювань вхідних та вихідних даних, які реалізовані у вигляді модулів апаратно-програмного комплексу оцінки якості протезування та методики застосування в клінічній практиці.

Основні результати виконаної роботи полягають у наступному.

1. На основі аналізу літературних джерел з біомеханічних методів і засобів досліджень характеристик пози і ходи людини визначено наступне:

виділені основні методи, що мають важливе значення для аналізу силових навантажень в системі "кукса-гільза";

обґрунтовано доцільність розробки нового приладу для оцінки схеми побудови протеза в статиці і сучасного поліцентричного гоніометра для вимірювання кутових переміщень в суглобах нижніх кінцівок при ході;

зосереджено увагу на методі досліджень тиску між куксою і гільзою протеза, як одному з найважливіших, а також проаналізовано застосування різних датчиків для реалізації цього методу;

обґрунтовано доцільність створення ефективної математичної моделі для аналізу силової взаємодії в системі "кукса-гільза" з метою підвищення якості протезування у клінічній практиці.

2. Модифіковано метод оцінки схеми побудови протезів в статиці, який побудований на аналізі координат центрів тиску кожної з нижніх кінцівок, що дозволяє більш ефективно оцінити результати протезування.

3. Модифіковано метод вимірювань кутів у суглобах нижніх кінцівок. В основі модифікації лежить перетворення кутових переміщень у лінійні, що дозволяє проводити вимірювання в динаміці.

4. Вперше в рамках апарату механіки абсолютно твердого тіла розроблено механіко-математичні моделі силової взаємодії в системі ”кукса-гільза” з урахуванням біомеханічних вимог до протезів гомілки та стегна. Побудовано алгоритм обчислення сил, які діють на куксу з використанням методу штрафних функцій. Досліджено метод дискретизації поверхні гільзи і рівень наближення даних моделювання до експериментальних даних, отриманих шляхом прямих вимірювань. Результати моделювання мають один порядок величин і характер розподілу тиску. Похибка моделювання тиску складає 8% від максимальної величини 180 кПа, що дозволило застосовувати модель у практиці протезування для оцінки силового навантаження і ранньої діагностики кукси.

5. Удосконалено метод виявлення й усунення дефектів схеми побудови протезів з використанням математичної моделі для оцінки динамічного стану протезованої ноги людини, що дозволяє підвищити якість протезування.

6. Розроблено прилад для визначення схеми побудови протезів - базометр, який перевищує аналоги за функціональністю (дві вимірювальні платформи) і точністю (похибка вимірювань: сили – 1%, координати – 3 мм), що дозволяє ефективно проводити контроль схеми побудови протезів.

7. Розроблено принципово новий поліцентричний гоніометр для вимірювання кутових переміщень у великих суглобах нижньої кінцівки під час ходи, який перевищує аналоги за точністю (похибка вимірювання кута - 1) та засіб вимірювання тиску в системі "кукса - гільза", який дозволяє оцінити тиск у будь-якій точці гільзи.

8. Удосконалено апаратно-програмний комплекс, який застосовується у клінічній практиці Інституту протезування, протезобудування та відновлення працездатності інвалідів для оцінки результатів протезування, що дозволило оцінити силову взаємодію в системі "кукса - гільза" для ключових, тестових положень - переднього поштовху, середини фази опори, заднього поштовху. Запропоновано методику використання розроблених для оцінки силового навантаження кукси і виявлення дефектів схеми побудови протезів гомілки та стегна. З використанням методики проведено обстеження 58 інвалідів з протезом гомілки і 21 з протезом стегна, дефекти схеми побудови протезів, виявлені під час обстежень, своєчасно виправлені. (Акт впровадження результатів у клінічну практику).

9. Результати роботи були використані в навчальному процесі ХНУРЭ у вигляді лабораторних робіт і лекційного матеріалу з дисциплін: “Біомеханічні основи протезування та ортезування”, “Штучні апарати та системи заміщення органів людини” для студентів спеціальності “Біотехнічні і медичні апарати та системи”. (Акт впровадження результатів у навчальний процес).

Публікації автора:

1. Бербюк В.Е., Демыдюк М.В., Красюк Г.В., Ковалько Н.Т., Качер В.С. Автоматизированный сбор, обработка и анализ биомеханических данных ходьбы человека // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. -1999. Выпуск 73. - С. 7-13.

2. Бербюк В.Є., Демидюк М.В., Качер В.С. Оцінка якості протезування на рівні кінематичних характеристик ходи // Тези доповідей 7 Всеукраїнської наукової конференції "Сучасні проблеми математики і інформатики".- Львів. - 2000. - С. 8.

3. Бих А.І., Демидюк М.В., Качер В.С. Механіко-математичне моделювання силової взаємодії в системі “кукса - гільза” протезів гомілки та стегна // Проблемы бионики. - 2003. - Вып. 58. - С. 98-107.

4. Салеева А.Д., Качер В.С., Гадяцкий А.В., Семенец В.В., Подпружников П.М. Аппаратно-программный комплекс сбора, передачи и обработки биомедицинской информации // Тезисы III Международного симпозиума "Электроника в медицине. Мониторинг, диагностика, терапия".- С.Петербург: Вестник аритмологии. – 2002. -Вып. 25. - С. 160.

5. Бых А.И., Качер В.С., Ковалько Н.Т. Методика анализа силового взаимодействия в системе “культя - гильза” протезов голени и бедра и результаты ее применения в клинической практике // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2003. Вип. 6 – С. 82-85.

6. Семенец В.В., Ковалько Н.Т., Качер В.С. Компьютерная диагностика результатов протезирования инвалидов с ампутационными культями нижних конечностей // Материалы 4-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации".- Харьков. - 1998, - С. 426 - 427.

7. Ковалько Н.Т., Качер В.С. Про деякі проблеми гоніометричних вимірювань ходи // “Матеріали науково-практичного семінару з проблем людей з обмеженням фізичних можливостей”.- Харків, 1997. - С. 83-84.

8. Пат. № 42127 А, Україна, МПК А61F2/60. Поліцентричний гоніометр / Качер В.С., Ковалько М.Т., Роман Л.К., Василенко І.М.; Науково-дослідний інститут з проблем соціального захисту населення - № 9904232; Заявл. 24.04.99; Опубл.; Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2001. -№ 9.

9. Пат. № 54139 А, Україна, МПК А61В5/103. Пристрій для оцінки стійкості і опороздатності людини / Салєєва А.Д., Качер В.С., Гадяцький О.В., Ковалько М.Т., Роман Л.К., Василенко І.М., Малиняк М.І., Рибка Є.В.; Науково-дослідний інститут протезування, протезобудування та відновлення працездатності - № 2002054224; Заявл. 23.05.02; Опубл.; Промислова власність. Офіційний бюлетень. 2003. -№ 2.

10. Красюк Г.В., Бербюк Е.В., Качер В.С., Ковалько Н.Т. Применение математического моделирования в оценке качества протезирования // Материалы всероссийского национального конгресса «Человек и его здоровье».-С.-Петербург. – 1998. - C. 162.

11. Качер В.С., Красюк Г.В., Бых А.И., Ковалько Н.Т. Оптимизационный алгоритм решения задачи о распределении давления в гильзе протеза // Материалы 6-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации". - Харьков. – 2000. - С. 536 - 538.

12. Качер В.С., Ковалько Н.Т., Семенец В.В., Подпружников П.М. Математическое моделирование и анализ динамического состояния протезированной ноги человека с протезом бедра // Материалы 7-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации".- Харьков. - 2001. - С. 412 - 413.

13. Качер В.С., Ковалько Н.Т., Роман Л.К., Гадяцкий А.В., Василенко И.Н. Клініко-біомеханічні критерії виявлення дефектів протезування інвалідів на протезах нижніх кінцівок // Матеріали науково-практичної конференції з міжнародною участю, присвяченої 75-річчю Української державного НДІ медико-соціальних проблем інвалідності.- Дніпропетровськ: "Пороги", 2001. - C. 305 - 308.

14. Качер В.С., Салеева А.Д., Роман Л.К., Демыдюк М.В. Результаты моделирования динамического состояния протезированной ноги человека // Тезисы докладов VI Всероссийской конференции по биомеханике “Биомеханика-2002”.- Н.Новгород. -2002. - C. 141.

15. Berbyuk V.E., Demydyuk M.V., Kacher V.S., Saleeva A.D. Modelling of force inte raction in the stump-socket system of the prosthetic limb of the human // Тез. докл. VIII международ. конф. "Stability, control and rigid bodies dynamics". – Донецк: Ин-т прикл. матем. и механики НАНУ, 2002. – С. 111.

16. Качер В.С. Математическое моделирование и анализ сил, действующих на протезированную конечность // Проблемы бионики. - 2000. - Вып. 52. - С. 116 - 119.

17. Качер В.С., Красюк Г.В., Ковалько Н.Т., Роман Л.К. Василенко И.Н. Использование математической модели для улучшения качества протезирования инвалидов с дефектами нижних конечностей // Материалы всероссийского национального конгресса «Человек и его здоровье». - С.-Петербург. - 1999. - C. 104.