Умные коленные имплантаты могут скоро стать реальностью, благодаря исследованиям, проведенным командой ученых из Университете Бингемтона и университета Нью-Йорка.
Операции по замене коленных суставов являются наиболее распространенными процедурами эндопротезирования, и с каждым годом число операций увеличивается. Многие из этих операций проводятся для замены старого или изношенного имплантата. Все чаще эта операция проводится у молодых, более активных пациентов, но им приходится столкнуться с дилеммой. Считается, что после проведения операции они останутся физически активными в плане общего здоровья, но эта активность может также приводить к изнашиванию нового имплантата. Часто врачи не знают, перенапрягаются ли пациенты, пока у них не начнут развиваться симптомы. К этому моменту повреждение имплантата уже свершилось. Для молодого пациента прохождение операции по замене коленного сустава каждые пять или 10 лет является непростой задачей, но поиск идеального баланса уровней активности для поддержания целостности имплантата оставался неразрешимой задачей.
Исследователи решили, что пришло время разрабатывать новые коленные имплантаты, которые могли бы контролировать нагрузку по мере активности пациента. Доцент Шерри Тауфигиан из Университета Бингемтона возглавила проведенное исследование.
«Мы работаем над созданием коленного имплантата, который имеет встроенные датчики, позволяющие измерять давление, которое оказывается на эндопротез, и это позволит понять, какие нагрузки необходимо снизить для того, чтобы предотвратить разрушение имплантата», - сказала Тауфиган.
Датчики позволяют врачам сообщать пациентам, когда определенное движение стало вызывать слишком большую нагрузку на имплантат, чтобы пациенты могли быстро приспособиться и избежать дальнейшего повреждения имплантата. Это помогает конкретный пациентам подобрать наиболее оптимальный уровень активности.
Хотя датчики решили одну проблему, но создали другую. Исследователи не хотели снабжать датчики батареей, которую, возможно, необходимо периодически заменять, и, следовательно, это заставило бы отказаться от назначения интеллектуального имплантата. Вместо этого они разработали механизм накопления энергии для имплантата во время движения. Ватик Ибрагим, аспирант из группы Towfighian, разработал прототип энергетического аккумулятора и проверил его на механическом испытательном оборудовании, чтобы проверить его производительность при эквивалентных нагрузках на тело.
Они использовали трибоэлектрическую энергию, тип энергии, которая можно собирать при трении. Когда кто-то ходит, трение микроповерхностей, соприкасающихся друг с другом, может быть использовано для питания датчиков нагрузки.
Доцент Эмре Салман из Университета Стони Брук разработал схему и определил, что для этого потребуется 4,6 микроватта. Предварительное тестирование показало, что прогулка обычного человека будет производить шесть микроватт, что более чем достаточно для питания датчиков. Эта часть исследования была завершена доцентом Райаном Виллингом из Университета Западного Онтарио, который работал над дизайном имплантата и компоновкой датчиков.
Эти умные имплантаты не только дадут обратную связь врачам, но и помогут исследователям в разработке будущих имплантатов. «Датчики расскажут нам больше о требованиях, предъявляемых к имплантатам, и с этим знанием исследователи могут начать улучшать имплантаты», - сказал Тоуфигиан.
Тоуфигиан надеется, что комбинация датчиков активности и системы с автономным питанием увеличит срок службы имплантатов коленного сустава и уменьшит потребность в последующих операциях. Для молодых пациентов, рассматривающих возможность операции по замене коленного сустава, такое развитие событий может изменить жизнь.
