Индивидуальный итоговый проект "Прикладная математика в протезировании" студентки 1 курса Буриковой Марии

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«МОСКОВСКИЙ ОБЛАСТНОЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ № 1»

СЕРГИЕВО-ПОСАДСКИЙ ФИЛИАЛ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине ОУД.04 Математика

Прикладная математика в протезировании

Специальность 34.02.01 Сестринское дело

Форма обучения - очная

Разработала: Бурикова Мария Игоревна,

студентка 1 курса группы 13мс/о

Руководитель проекта: преподаватель математики

Крылова Ирина Константиновна

г. Сергиев Посад

2024 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ПРОТЕЗИРОВАНИЕ В СОВРЕМЕННОЙ ЖИЗНИ 5

ГЛАВА 2. РОЛЬ МАТЕМАТИКИ В ПРОТЕЗИРОВАНИИ 22

ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА 27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ 32

ПРИЛОЖЕНИЯ 33

ВВЕДЕНИЕ

Любовь к математике присуща не всем людям. У некоторого этого чувства является врожденным; у других любовь к математике возникает при изучении её на школьной скамье; третьи остаются равнодушны к данной науке на всю жизнь.

Но найдется немного людей, которые поставили бы под сомнение огромное значение математики в развитии техники и других наук.

В настоящее время повсеместное применение компьютеров, строительство информационной модели мира раздвинули границы прикладного аспекта математической науки в грандиозных масштабах. Схематизация конкретных объектов, построение математических моделей, анализ, дедукция, выделение и поддержка уровней абстракции, прогнозирование поведения, конструирование алгоритмов и их критериальная оценка – все это далеко не полный перечень современных областей, где необходима математика*.

Подобно тому, как все искусства тяготеют к музыке, все науки стремятся к математике. Джордж Санта.

Вопрос о том, какую роль она играет, столь же древен, как и первые теоретические попытки его осмысления.

Зародившись в далекой древности, математика так расширила область своего применения, что трудно точно сказать, в каких областях иных наук она не применяется.

Не стала исключением и связь математики с медициной. Желание узнать, насколько тесно переплетены столь далекие на первый взгляд науки, подтолкнуло меня провести маленькое исследование по изучению данной проблемы.

Актуальность данной работы состоит в том, что в современном обществе для человека на первый план выходит забота о здоровье, неотъемлемой частью которой является профилактика и своевременное лечение заболеваний полости рта с применением новых технологий.

На сегодняшний день потребность в замене суставов, утративших свои функции, растет с каждым годом. Становление все больше серьезного характера данной темы заставляет специалистов заниматься усовершенствованием методов лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата. Но как мы знаем, все сферы науки взаимосвязаны, так протезирование и протезостроение не могут существовать без математических расчетов, что подтверждает актуальность темы проекта.

Гипотеза: математические методы широко применяются в разработке протезов.

Цель проекта: выяснить роль прикладной математики в протезировании.

Задачи для реализации поставленной цели:

Из информационных источников литературы:

1. Изучить медицинскую литературу и нормативные документы по исследуемой теме.

2. Прочитать об общих понятиях протезирования. Видах протезирования.

3. Изучить и систематизировать информацию о развитии протезирования.

4. Изучить роль математики в протезировании.

5. Выполнить практическую часть проекта.

ГЛАВА 1. ПРОТЕЗИРОВАНИЕ В СОВРЕМЕННОЙ ЖИЗНИ

1.1. Общее понятие протезирования. Виды протезирования

Протезирование и имплантация. За этими непонятные и даже немного жуткими словами скрывается ни что иное, как возможность вернуть человека к нормальной жизни, усилить его природные способности или же вообще дать ему то, чем изначально его природа не одарила. Замена потерянных конечностей, органов, возможность вернуть зрение и слух, даже если человек родился слепым или глухим, выход за пределы человеческих возможностей и даже перенос сознания на кремниевый носитель информации. Последнее, конечно, на сегодняшний момент кажется фантастикой, но наука не стоит на месте.

В научном журнале «Международный школьный научный вестник» я прочитала, что протезирование подразумевает замену утраченных или необратимо поврежденных органов неким их подобием, изготовленным из искусственных или натуральных материалов. Понятие протезирования включает в себя не только изготовление протеза, которое, в свою очередь подразделяется на проектирование и непосредственное изготовление, но и обучение человека, утратившего какой-либо орган, использовать протез для улучшения качества жизни.

Само понятие «протез» происходит от французского prothèse и от греческого понятия prosthesis, которое означает присоединение, добавление.

Протезы — это устройства, изготовленные для возмещения или восполнения утраченных функций, поврежденных или утерянных органов и частей тела человека.

Кроме того, протезирование представляет собой важнейшую часть реабилитации пострадавшего. Эта реабилитация позволяет не только физически, но и психологически восстановить личность человека, утратившего какой-либо орган или страдающего заболеванием опорно-двигательного аппарата.

Не каждый из видов протезов предполагает обучение его использованию, однако, современное протезирование конечностей предполагает так же программу реабилитации. Эта программа помогает людям научиться использовать протез, а также научиться принимать себя в том состоянии, в каком он пребывает. Необходимость программы реабилитирования зависит от вида протезирования, с помощью которого восстанавливается физическое функционирование органов человека или частей его организма.

Протезирование являет собой смежную дисциплину, объединившую медицину, технику, а в настоящее время еще и цифровые и биотехнологии.

Первоочередными задачей протезирования является максимально возможное восстановление функционирования утраченных органов человека. Однако, для нормальной жизнедеятельности личности, адаптации ее в социуме необходимо психологически комфортное состояние. При утрате или повреждении частей лица или головы, человек терял привычный вид, а также терял комфортное ощущение себя в обществе людей, испытывал дискомфорт от повышенного внимания к своему недостатку. Именно с этой проблемой призвано было справиться косметическое протезирование, позволявшее скрыть явные недостатки внешности. При этом протезы выполняют декоративную функцию и как таковых задач по восстановлению функционирования органов не несут.

Протезирование тесно связано с ортопедией, травматологией, хирургией и восстановительной медициной. Таким образом, это отрасль медицины объединяет огромный конгломерат наук, в который в настоящее время принято так же включать целый пласт психологических дисциплин, связанных с компенсацией личностных травм, возникающих в результате болезни или полученных травм.

Как отдельная научная дисциплина протезирование было выделено из травматологии только в XIX веке. Хотя история протезирования и попыток вернуть возможность человеку более или мене полноценно функционировать уходит в глубокую древность.

Основными видами функционального протезирования являются:

1. Анатомическое протезирование. Протезирование такого рода предполагает изготовление искусственных конечностей или иных органов. Протезы такого вида можно присоединять к телу человека. Этот род протезирования может быть, как функциональным, то есть восстанавливать утраченные физические способности человека, так и косметическим, когда протез не несет функциональной нагрузки, но помогает человеку восстановить утраченный внешний вид. Анатомическое протезирование предполагает изготовление протезов рук, ног, зубов, глаз, носа, иных частей лица или тела.

Анатомическое протезирование можно подразделить на:

- экзопротезирование, когда искусственные протезы располагаются снаружи организма;

- эктопротезирование. Данный вид протезирования – протезирование при помощи закрепляемых снаружи протезов, выполненных из различных материалов и призванные восстановить внешний вид утраченной части тела. Эктопротезы не выполняют функций утраченного органа.

Протезы верхних конечностей, которые так же в свою очередь подразделяются на: косметические, функционально-косметические, рабочие и активные.

Косметические протезы лишь устраняют косметический дефект верхней конечности. Но даже простейшее восполнение длинны конечности, ее твердости позволяют выполнять с его помощью простейшие функции в виде поддержки предметов, опоры и др.

Функционально-косметические протезы дают возможность осуществлять функцию пассивного хвата, обеспечиваемого механизмами протеза, которые приводят в действие с помощью второй руки пли дополнительной опоры о посторонний предмет или о тело.

Рабочие протезы не повторяют форму верхней конечности и потому не устраняют косметический дефект, но позволяют выполнять большое число операций благодаря наличию специальных приспособлений — рабочих насадок, каждая из которых рассчитана на выполнение одного или нескольких определенных видов работы.

Активные протезы одновременно возмещают косметический и функциональный дефекты конечности за счет воспроизведения формы конечности и наличия механизмов, управляемых больным.

По способу реализации движений различают 2 типа протезов верхних конечностей: тяговые и с внешними источниками питания.

Механизмы протеза при тяговой реализации движений приводятся в действие и управляются усилиями самого больного.

Протезы с внешними источниками питания приводятся в действие при помощи электрической энергии, поставляемой источником питания. Управление такими протезами осуществляется за счет движения сохранившегося сегмента конечности, натяжения тяг, использования биоэлектрических потенциалов мышц культи, контактным методом.

Различают протезы пальцев, кисти, предплечья, плеча, после вычленения плеча или вычленения плеча вместе с лопаткой и ключицей.

Протезы нижних конечностей возмещают функцию стояния и ходьбы, подразделяют на временные (лечебно-тренировочные) и постоянные.

Временные протезы бедра и голени предназначены для формирования культи, обучения ходьбе и уточнения параметров постоянного протеза при первичном и повторном протезировании или в сложных и атипичных случаях протезирования. Их применяют также при экспресс-протезировании на операционном столе. Временные протезы обычно назначают через 7— 10 суток после снятия швов и первичного заживления операционной раны.

Постоянные протезы изготовляют после формирования культи и стабилизации ее размеров. Постоянными элементами протеза независимо от его назначения и характера конструкции являются приемная гильза для культи конечности, шарниры суставов, кисть пли стопа, крепление, облицовка.

2. Эндопротезирование – этот вид протезирования предполагает имплантацию искусственных материалов во внутреннюю среду организма. В качестве примера можно привести протезирование сосудов и суставов. Этот вид протезирования в последнее время получил большое распространение, позволив многим людям избавиться от ежедневных болезненных ощущений в суставах, а также позволил преодолеть риски инсультов, инфарктов, разрывов аневризм сосудов.

3. Протезирование зубов выделяют в отельный вид протезирования. Это огромная область медицины и медтехнической науки, которая в последнее время развивается невероятно быстро. Протезирование зубов подразделяют на несколько подвидов:

- микропротезирование зубов;

- съемное протезирование, предполагающее изготовление протезов, которые могут быть полностью извлечены из ротовой полости без применения специализированных приспособлений, инструментов. Одним из видов такого протезирование является бюгельное протезирование, при котором протез, имитирующий ряд зубов и закрепленный на металлической дуге крепится к пластиковой пластине, позволяющей сделать использование протеза наиболее удобным.

- Несъемное протезирование зубов предполагает, что протезы находятся в ротовой полости постоянно, их использование не требует специальных навыков, равно как и уход за ними. Несъемное протезирование в свою очередь делят на протезирование на имплантах, представляющих конструкцию, вживляемую в челюсть пациента и являющуюся основой для крепления непосредственно протезов зубов. Мостовое протезирование зубов предполагает изготовление протеза, представляющего по виду насколько расположенных рядом зубов.

4. Нейропротезирование – вид протезирования, возникший совсем недавно. Этот вид протезирования является наиболее прогрессивным и развитие данной научной дисциплины и отрасли медицинской технологии представляет собой основное направление развития протезирования, как вида реабилитации человека. Это вид протезирования возник на базе таких научных дисциплин как нейробиология, биомедицинская инженерия.

Нейронные протезы являются электронными имплантами, которые помогают восстановить двигательные, чувствительные и познавательные функции, если они были утрачены в результате травмы или болезни.

Нейронные импланты проектируются настолько миниатюрными, насколько это возможно, чтобы минимизировать их инвазивность, т.е. отрицательные последствия размещения таких имплантов в органах человека. Это имеет особое значение, когда имплант располагается в районах, окружающих мозг, глаз, или ушной улитки. Эти импланы имеют беспроводную связь со своими протезами. Помимо этого, импланты должны легко подзаряжаться беспроводным способом через кожу. Ткань, рядом с имплантами чувствительна к повышению температуры, а это означает, что потребляемая мощность должна быть минимальна во избежание повреждения ткани. Наиболее распространенным видом такого рода протезирования является протезирование органов слуха.

5. Отдельным видом протезирования так же является изготовление соответствующих приспособлений, помогающих человеку преодолеть нарушение функций двигательного аппарата, или работы суставов. К такого рода приспособлениям относят корсеты, специализированную ортопедическую обувь. К такого рода протезированию можно отнести брекеты, широко используемые в стоматологии и ортодонтии.

Виды протезов и их классификация могут различаться в зависимости от органа или части тела, для которых они предназначены. Вот некоторые основные виды протезов:

1. Протезы конечностей: они используются для замены утраченных или ампутированных конечностей, таких как руки, ноги или пальцы. Они могут быть механическими, электронными или гибридными и включать в себя протезы руки, протезы ноги или протезы пальцев.

2. Зубные протезы: они служат для замены потерянных зубов и могут быть съемными или несъемными. Съемные протезы, такие как зубные протезы, могут быть снятыми и установленными пациентом, в то время как несъемные протезы, такие как коронки или мосты, являются постоянными и должны быть установлены стоматологом.

3. Протезы глаза: они используются для восстановления зрения у людей, потерявших глаз или имеющих проблемы со зрением. Они могут быть стеклянными или пластиковыми и носятся поверх реального глаза.

4. Протезы слуха: они используются для восстановления слуха у людей, страдающих от потери слуха. Они могут быть аналоговыми или цифровыми и помогают улучшить слух и понимание речи.

5. Сердечные протезы: они используются для замены поврежденных или больных сердечных клапанов. Они могут быть механическими или биологическими и помогают восстановить нормальное кровообращение.

6. Протезы суставов: они используются для восстановления функции суставов, таких как колени, бедра или плечи, у людей, страдающих от артрита или других заболеваний суставов. Они могут быть искусственными или частичными и помогают уменьшить боль и улучшить движение.

Это только некоторые из видов протезов и их классификаций. Каждый вид протеза имеет свои особенности, преимущества и ограничения, и выбор конкретного протеза зависит от многих факторов, таких как потребности пациента и характеристики утраченного органа или части тела.

1.2. История развития протезирования.

Стремление человека восстановить функции утраченных частей организма уходит корнями в глубь истории. Эволюция протезирования представляет собой длительную и легендарную историю: от примитивных истоков до сложных современных конструкций. Как и в развитии любой другой области, некоторые идеи и изобретения работали и успешно развивались, в то время как другие остались на обочине истории и устарели.

Первые протезы. Попытки восстановления функций утраченных конечностей известны с очень давних времен. Еще греческий историк Геродот в своих трудах упоминал о некоем Хегазистрате, жившем примерно за 500 лет до н. э. Приговоренный к смертной казни и прикованный за ногу, он отрезал ее, бежал из тюрьмы, сам сделал себе деревянный протез и служил в персидской армии, пока не попал в руки спартанцев и не был казнен.

Римский писатель Плиний Старший описывает полководца, потерявшего руку во время Пунической войны (218—201 г. до н. э.). Ему была изготовлена железная рука, при помощи которой воин мог держать щит.

Самый древний из сохранившихся протезов, найденный в Капезе (Италия), относится к 300 г. до н. э. и находится в музее Королевского колледжа хирургов в Англии.

Египтян считают пионерами ортопедической техники. Именно в Египте были изготовлены и применялись «рудиментарные» протезы. Эти протезы были сделаны из ткани, их применение было продиктовано скорее стремлением сохранение чувства целостности организма, а не восстановлением функциональности того или иного органа.

Первый функциональный протез большого пальца ноги, принадлежащей особе дворянского рода, был найден в Египте. Согласно данным ученых, он был создан в период 950-710 гг. до н.э. Протез состоял из двух деревянных частей, которые скреплялись кожаной нитью через отверстия, просверленные в древесине. Кожаный ремешок крепил палец к ноге с помощью кожаных нитей.

Интересно, что первые протезы являются в большей степени эстетическими и несут именно косметическую нагрузку, нежели функциональную. Это внимание к эстетической привлекательности протезов является довольно распространенным явлением среди древних устройств и даже может быть более важным, чем их функциональность. Объяснить это можно тем, что позволить себе использование протезов могли себе позволить только очень богатые люди.

История протезирования всегда переплетается с историей войн и жизнью солдат, которые ведут борьбу. Примеры из Средневековья показывают, насколько медленно развивалась эта область – железные руки, которые изготавливали для рыцарей, были не более продвинутыми, чем те, что использовал генерал Сергий тысячу лет назад.

Проектированием и созданием искусственных конечностей в темные века в основном занимались торговцы и оружейники. Но кроме них развитию протезирования способствовали и люди других профессий. Так, например, часовщики были особенно полезны для добавления сложных внутренних функций с помощью пружин и зубчатых колес.

Развитие протезирования.

Признанным пионером в создании первых вех современной хирургии является французский армейский цирюльник Амбруаз Паре. Как считают многие современные ученные именно он является отцом современной хирургии ампутации и ортопедических конструкций. В 1529 году он ввел современные процедуры ампутации в медицинском сообществе, а в 1536 году сделал навесные протезы для верхних и нижних конечностей. Он также модифицировал искусственную ногу ниже колена, добавив к ней регулируемые ремни безопасности, управление блокировкой колена и другие технические особенности, которые используются в современных устройствах. Именно он поставил во главу угла в применении протезов именно их функциональность, стремясь восстановить утраченные возможности человека.

В эпоху возрождения получает так же более широкое распространение протезирование зубов. Протезы зубов изготавливали преимущественно из металла.

В 1696 году Питер Вердайн разработал первый протез ноги ниже колена без дополнительной фиксации, который позже станет основой для современного протезирования суставов и корсетных устройств.

В 1800 году лондонец Джеймс Поттс разработал протез, изготовленный из деревянного стержня со стальным коленным суставом и шарнирной ногой, которая крепилась кетгутовыми нитями от колена до лодыжки. Впоследствии такой протез будут называть «ногой Англси» в честь Генри Уильяма Пэджета – первого человека, удостоенного титула маркиза Англси, который потерял ногу в битве при Ватерлоо и воспользовался изобретением Поттса. В 1839 году Уильям Селфо завез этот протез в США, где он стал известен как «нога Селфо».

В 1846 году Бенджамин Палмер решил улучшить положение дел для пациентов с ампутацией нижней конечностей и доработал «ногу Селфо», добавив переднюю пружину, сгладив внешний вид и прикрыв сухожилия, чтобы имитировать естественные движения.

Дуглас Блай изобрел и запатентовал «анатомическую ногу доктора Блая» в 1858 году, которую он называл «наиболее полным и успешным изобретением из когда-либо созданных среди искусственных конечностей».

А уже в 1863 году Дюбуа Пармли изобрел усовершенствованный протез с присоской, полицентрическим коленом и множеством шарниров. Стремление повысить функциональные возможности протезов рук привело к использованию механических тяг.

Итальянский врач Вангетти (G. Vanghetti) в 1898 г. впервые предложил операцию, названную им кинепластикой. Она заключалась в том, что в мышцах культи верхней конечности делали мышечный канал, покрытый кожей. По заживлении в него вводили стержень, от которого шла тяга к механизму протеза, сгибающему или разгибающему пальцы. Несколько позднее немецкий хирург Ф. Зауэрбрух провел т кинематизацию двух мышц, используя один канал для сгибания, а другой — для разгибания пальцев кисти (так наз. рука Зауэрбруха).

В 1860 году граф Бофор представил Парижской академии наук механическую руку упрощенной конструкции. Она была настолько дешёвой и легкой в изготовлении, что протез смогли выдавать нуждающимся на средства публичного фонда пособий бедным.

Параллельно шло развитие и стоматологической медицины. Стоматологи активно осваивали зубное протезирование. Зубные протезы изготавливались из зубов погибших людей. Материал для протезов добывался на полях сражений, в госпиталях. Сами же протезы представляли грубо соединенные меду собой натуральные зубы.

Со временем менялось общество, менялись его ценности и отношение к людям, потерявшим конечности, получившим увечье. Эти перемены диктовали необходимость оказывать помощь в социализации. Кроме того, множество военных конфликтов и развитие медицины спровоцировали появление большого количества людей, потерявших конечности, получивших ранения, которые не позволяли людям вести привычный образ жизни, приковывая внимание окружающих.

Будучи абсолютно здоровыми людьми, бойцы, получившие ранения в лицо, становились настоящими изгоями. Им пришли на помощь не врачи, а… скульпторы.

В 1917 году в Париже открыла свою студию Американка Анна Коулман Лэдд. Она занималась изготовлением косметических протезов-масок для лица, людей, получивших увечье. Анна Коулман была вдохновлена работой профессора Королевской академии художеств Фрэнсиса Дервента Вуда, который начал свою работу годом ранее и даже курировал отделение одного из лондонских госпиталей. Изготовление протезов мягких тканей было также важно не только по соображениям милосердия и гуманности, но имело и чисто медицинское содержание: протезы изолировали раневые полости, открытые микробам и инфекциям, что, безусловно, способствовало снижению риска позднего заражения. В то время маски изготавливали из гальванизированной меди, они должны были закрыть дефект лица и скрыть последствия ранения. Маски весили 100-250 граммов, прикосновение металлической маски к коже на ранах было неприятным, и мало кто носил ее с удовольствием, но социальный эффект перевешивал все страдания. У маски имелись и другие недостатки. Она не старела, как остальные части тела, и не могла выразить эмоции, оставаясь пугающе безжизненной. Срок ее жизни был недолгим – под воздействием дождя, пота, слез она трескалась и ломалась.

1.3. Развитие протезирования в России

В России первый механический протез в 1791 году изготовил знаменитый изобретатель Иван Кулибин. Он создал искусственную ногу для поручика артиллерии Сергея Непейцына, лишившегося конечности выше колена при штурме крепости Очаков в ходе Русско-турецкой войны.

Конструкция оказалась настолько удачной, что Непейцын смог не только ходить без костыля или трости, но и танцевать на балах. Впрочем, «механическая нога» Кулибина так и не попала в серийное производство. По легенде чертежи протеза во время войны 1812 года попали в руки французов, которые продали русское изобретение Наполеону.

Протезирование как отрасль появилась и начала активно развиваться в России только в конце XIX века. В 1883 году в Санкт-Петербурге открылся Мариинский приют для ампутированных и увечных воинов, где инвалиды начали получать протезы рук с рабочими приспособлениями. Впоследствии при нём возникла школа-мастерская, где инвалиды обучались протезному делу.

В 1916 году филиалы Мариинского приюта и протезные мастерские открылись в Москве, Киеве, Саратове, Воронеже и других крупных городах.

После революции 1917 года разработка протезов продолжилось. Снабжение протезно-ортопедическими изделиями было бесплатным для всех категорий инвалидов.

В 1919 году на основе Мариинского приюта открылся Петроградский институт протезирования, главой которого стал профессор Герман Альбрехт — основоположник российского протезирования и изобретатель первых в отечественной практике активных протезов верхних конечностей для тех, кто потерял обе руки по плечи.

В 1923 году в Петрограде организован техникум по подготовке мастеров протезно-ортопедического производства. Он стал первым и долгое время оставался единственным учебным заведением в России, где учили данной профессии.

Во время Великой Отечественной войны и ленинградской блокады техникум продолжал работу, поставляя протезы для фронта и тыла. В 1944 году техникум поставил 1000 готовых изделий в Волховский район Ленобласти, где продолжались бои за полное освобождение города от немецкой блокады.

В 20 в. был создан целый ряд протезов нижних и верхних конечностей с большими функциональными возможностями, а также других средств для протезирования.

Со временем менялись и материалы, из которых изготавливались протезы от дерева и метала изобретатели искусственных конечностей двигались в сторону облегчения конструкции, а также улучшения внешнего вида протеза. Так замена утраченных конечностей постепенно переставала быть привилегией знатных и состоятельных людей. И на протяжении нескольких столетий мы можем наблюдать, как из предметов, носящих чисто косметический характер протезы становятся функциональными приспособлениями, позволяющими людям, лишившимся тех или иных органов значительно улучшить качество своей жизни.

1.4. Протезирование нашего времени.

Практически до конца 20-го века все изобретения в области протезирования были механического характера, в некоторых случаях сгибание регулировалось вручную. Основными проблемами протезов тех времен (да и, собственно, разработанных ранее конструкций, применяющихся во многих случаях до сих пор) были отсутствие какой-либо связи с организмом, негибкость и недолговечность. Протезы, которые заменяли руку или ногу, не могли функционировать, как полноценный их прототип – это всего лишь суррогат, заменяющий активные части тела, но неспособный приблизиться по возможностям к естественному аналогу

В наши дни конструирование протезов основано на использовании достижений физиологии, биомеханики, механики, электроники, электромеханики, технологии материалов, химии, физики, математики и прочих научных и практических дисциплин. Возник своеобразный медико-технический комплекс, решающий проблемы протезирования в соответствии с потребностями, диктуемыми медициной.

Благодаря достижениям современной медицины и техники созданы протезы органа зрения, органа слуха, протезы конечностей с биоэлектрическим управлением.

Материалы, из которых изготавливают протезы в наши дни должны обладать целым рядом уникальных свойств. Материал для приемных гильз протезов нижних конечностей не должен деформироваться в процессе эксплуатации, должен обладать устойчивостью к колебаниям температуры и легко подвергаться гигиенической обработке. Необходимо, чтобы такой материал допускал термическую или механическую формовку, был удобен при подгонке протеза, безвреден для организма.

Целым рядом специфических свойств обладают и материалы, из которых изготавливают протезы иных видов и другого назначения, такие как зубные протезы, клапаны сердца, протезы для проведения операций по шунтированию кровеносных сосудов.

В последнее время стали широко применять полимеры, облегченные сплавы (дюралюминий, магниевый сплав) и др. Для изготовления приемных гильз протезов обычно используют различные полимерные материалы.

Протезы для нижних конечностей в зависимости от материала, из которого они изготовлены, могут быть шинно-кожаными, деревянными, металлическими, пластмассовыми и комбинированными.

Шинно-кожаные протезы обладают определенной эластичностью, но тяжелы, громоздки, недостаточно косметичны и легко деформируются.

Деревянные протезы изготавливают, как правило, из липы, и они лишены этих недостатков.

Металлические протезы прочны, долговечны, косметичны и гигиеничны, но трудны в моделировании и в подгонке.

В практике протезирования нашли применение протезы, в которых вместо электрической энергии для приведения в действие механизмов используют энергию сжатого газа. В нашей стране это протезы плеча с пневмоприводом и комбинированной системой управления. Источником питания в нем служит расположенный в гильзе плеча пневмоаккумулятор сжатого углекислого газа.

Протезы верхних конечностей представляют собой пластмассовую или металлическая кисть, покрытая латексной или поливинилхлоридной оболочкой. Протез крепят с помощью пластмассовой неспадающей приемной гильзы или других видов крепления (ремешковое, «уздечка», «манжетка», гильза плеча с облегченными или обычными шинами и локтевыми шарнирами).

Протезы рук, доступные на рынке в настоящее время, ещё очень далеки до функциональности человеческой руки. С их помощью можно выполнять лишь простые бытовые операции.

Существуют так же протезы использование которых предполагает использование электроэнергии. Данный вид протезов, безусловно наиболее функционален, нежели механические аналоги. Однако применение такого рода вспомогательных приспособлений предполагает наличие источника электроэнергии, а это как правило достаточно тяжелые аккумуляторы и это представляется наибольшим минусом при использовании протезов с электроприводами.

Выше я коснулась темы зубного протезирования, упомянула, что протезы могут быть бюгельными, съёмными, несъёмными и мостовыми. Такого рода протезы применяются довольно давно. Однако в наше время и в данную отрасль пришли нововведения. Это касается, прежде всего, материалов, применяемых для изготовления протезов. Если в середине 20 века это был преимущественно металл, то в настоящее время при производстве протезов предпочтение отдается новейшим полимерам. Эти метериалы способны выдерживать большие нагрузки, которым постоянно подвергаются зубные протезы. Помимо этого, полимеры хорошо имитируют ткань натурального зуба, что позволяет внимание на применении протеза.

Бюгельное протезирование представляет собой изготовление протеза по индивидуальным слепкам пациента. Протез состоит из металлической основы и пластиковых накладок, придающих протезу наиболее реалистичный вид. Использование бюгельного протезирования позволило пациентам со значительной утратой зубов восстановить зубной ряд, вернуть функционал, а в результате получить наиболее здоровый способ питания, при котором пережёвывание пищи становится полноценным. Кроме этого, применение зубного протезирования позволило эстетически улучшить внешний вид пациента.

В настоящее время так же широко применяется и такой вид вспомогательного протезирования, как установка брекетов. Данный вид ортодонтологической помощи позволяет посредством установки на зубы пациента специализированной конструкции, брекетов, изменить месторасположение зубов в зубном ряду, а также изменить прикус пациента, улучшая тем самым качество его жизни и внешний вид.

Из всего сказанного, можно сделать выводы по основным принципам протезирования:

1. Индивидуальный подход: Каждый пациент имеет уникальные потребности и условия, поэтому протез должен быть разработан и изготовлен с учетом его индивидуальных особенностей.

2. Функциональность: Протез должен обеспечивать максимальную функциональность, позволяя пациенту выполнять повседневные задачи и вести активный образ жизни.

3. Эстетика: Протез должен быть эстетически приятным и соответствовать естественному внешнему виду пациента.

4. Комфорт: Протез должен быть удобным для ношения и не вызывать дискомфорта.

5. Долговечность: Протез должен быть прочным и долговечным, чтобы прослужить пациенту на протяжении длительного времени.

Требования к протезам:

1. Биосовместимость: Протез должен быть изготовлен из материалов, которые не вызывают аллергических реакций и не наносят вреда организму.

2. Функциональность: Протез должен обеспечивать необходимую функциональность для замещения потерянных функций организма.

3. Эстетический вид: Протез должен быть эстетически привлекательным и соответствовать натуральному внешнему виду пациента.

4. Долговечность: Протез должен быть изготовлен из прочных материалов, чтобы прослужить пациенту на протяжении длительного времени.

5. Удобство: Протез должен быть удобным для ношения и использования, не вызывать дискомфорта и ограничений в повседневной жизни.

ГЛАВА 2. РОЛЬ МАТЕМАТИКИ В ПРОТЕЗИРОВАНИИ

2.1. Применение математических методов в разработке протезов

Математические методы широко применяются в разработке протезов для оптимизации и улучшения их функциональности. Вот несколько способов, как математические методы используются в этой области:

1. Моделирование и симуляция: Математическое моделирование позволяет инженерам создавать виртуальные модели протезов и тестировать их в различных условиях. Например, с помощью методов конечных элементов можно анализировать механическую прочность и деформации протеза при различных нагрузках. Это позволяет оптимизировать дизайн протеза и улучшить его эффективность.

2. Оптимизация параметров: Математические методы оптимизации могут быть использованы для нахождения оптимальных параметров протезов. Например, можно использовать методы оптимизации для подбора оптимального сочетания материалов, размеров и форм протеза, чтобы достичь наилучшей функциональности и комфорта для пользователя.

3. Управление и обратная связь: Математические методы используются для разработки алгоритмов управления протезами. Например, методы обратной связи позволяют протезу адаптироваться к движениям пользователя и реагировать на изменения в окружающей среде. Математическое моделирование и алгоритмы управления помогают протезу точно распознавать и интерпретировать желаемые движения пользователя.

4. Обработка сигналов: Математические методы используются для обработки сигналов, получаемых от датчиков протеза. Например, сигналы с электромиограммы (ЭМГ) могут быть обработаны с помощью алгоритмов машинного обучения для распознавания намерений пользователя и управления протезом.

5. Моделирование функциональности: Математические модели могут быть использованы для предсказания функциональности протеза перед его физической реализацией. Например, моделирование биомеханики может помочь определить, как протез будет взаимодействовать с тканями и структурами тела, а также предсказать его эффективность при выполнении определенных задач.

В целом, математические методы играют важную роль в разработке протезов, помогая улучшить их функциональность, комфорт и эффективность. Они позволяют инженерам и дизайнерам создавать более точные и оптимальные протезы, а также разрабатывать интеллектуальные алгоритмы управления для улучшения взаимодействия протеза с пользователем.

2.2. Геометрия протезов

Для улучшения функциональности, комфорта и эффективности нужна «Геометрия» протезов. Она относится к изучению формы и размеров протезов, которые используются для замены отсутствующих или поврежденных органов, или частей тела. Включает в себя разработку и оптимизацию чтобы они максимально соответствовали анатомии пациента и обеспечивали комфортное и эффективное использование.

Геометрия протезов может быть различной в зависимости от типа протеза и его назначения. Например, протезы для замены конечностей, таких как ноги или руки, должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечивать оптимальную поддержку и функциональность при выполнении движений. Это может включать в себя определение формы и размеров протеза, а также учет анатомических особенностей конкретного пациента.

Одним из основных аспектов геометрии протезов является создание точной модели анатомической части тела, которую необходимо заменить. Это может быть достигнуто с помощью различных методов, таких как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография или 3D-сканирование. Затем эти данные могут быть использованы для создания цифровой модели протеза, которая может быть дополнительно оптимизирована с использованием компьютерного моделирования и алгоритмов оптимизации.

Важным аспектом геометрии протезов является также их соответствие мягким тканям и костям пациента. Протезы должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить правильное прилегание к коже и мягким тканям, а также стабильное крепление к костям. Это может достигаться с помощью различных дизайнерских решений, таких как использование специальных материалов, регулируемых деталей или индивидуального подгонки протеза.

Геометрия протезов также может включать в себя дизайн и создание различных компонентов протеза, таких как искусственные суставы, механизмы для передвижения или приводы для управления протезом. Все эти компоненты должны быть спроектированы с учетом требований к функциональности, прочности, долговечности и эргономики.

Таким образом, геометрия протезов играет важную роль в разработке и создании эффективных и комфортных протезов, которые максимально соответствуют анатомии и потребностям пациента. Она объединяет различные аспекты инженерии, медицины и дизайна, чтобы создать индивидуальные и инновационные решения для замены отсутствующих или поврежденных органов, или частей тела.

2.3. Разработка математической модели протеза для конкретного пациента

Разработка математической модели протеза для конкретного пациента включает в себя несколько шагов:

1. Сбор данных: Важно провести подробный сбор данных о пациенте, включая его анатомические особенности, физическую активность, функциональные требования и ограничения, а также любые другие факторы, которые могут повлиять на разработку модели.

2. Анализ данных: После сбора данных необходимо провести анализ, чтобы определить основные параметры и требования к протезу. Это может включать в себя анализ движений, измерение силы и скорости, анализ электромиографии и другие методы измерения.

Сбор и анализ данных пациента являются важными этапами в медицинской практике, которые позволяют врачам и медицинским специалистам получить информацию о состоянии здоровья пациента и принять соответствующие медицинские решения.

Сбор данных пациента включает в себя сбор информации о медицинской истории пациента, включая предыдущие болезни, операции, принимаемые лекарства, аллергии, семейную и наследственную историю заболеваний и другие факторы, которые могут быть релевантными для диагностики и лечения.

После сбора данных происходит их анализ, который включает оценку и интерпретацию полученной информации. Анализ данных пациента может быть проведен вручную или с использованием специализированных программ или систем управления медицинскими данными.

В процессе анализа данных пациента медицинский специалист может выявить паттерны и тренды, которые могут указывать на проблемы со здоровьем пациента или потенциальные риски. Это может помочь врачу принять решение о дальнейшем лечении, назначении дополнительных исследований или изменении плана лечения.

Кроме того, анализ данных пациента может быть использован для исследования и разработки новых методов диагностики и лечения, а также для оценки эффективности существующих медицинских техник и процедур.

Важно отметить, что сбор и анализ данных пациента должны быть проведены в соответствии с принципами конфиденциальности и защиты персональных данных пациента. Медицинский персонал должен соблюдать эти принципы и обеспечивать безопасность и конфиденциальность информации.

3. Создание математической модели: На основе собранных данных и анализа необходимо разработать математическую модель протеза. Это может быть модель механических систем, модель управления или комбинация различных моделей, в зависимости от типа протеза.

4. Валидация модели: После создания модели необходимо провести ее валидацию, чтобы проверить ее точность и соответствие реальным данным и требованиям пациента. Для этого может потребоваться проведение экспериментов, сравнение с имеющимися данными или сравнение с другими моделями.

5. Доработка и оптимизация модели: После валидации модели возможно потребуется ее доработка и оптимизация, чтобы улучшить ее производительность, эффективность и соответствие требованиям пациента.

6. Имплементация и тестирование: После окончательной разработки и оптимизации модели необходимо ее имплементировать в протез и провести тестирование на пациенте. Это позволит проверить работоспособность и эффективность модели в реальных условиях.

7. Оценка и анализ результатов: После тестирования необходимо провести оценку и анализ результатов, чтобы определить, насколько успешно модель решает задачи и соответствует требованиям пациента. Это может включать в себя сравнение с другими протезами, анализ функциональных и эргономических характеристик, а также оценку удовлетворенности пациента.

Таким образом, можно сказать, что использование математического моделирования и анализа позволяет значительно сократить время и затраты на разработку протезов, а также улучшить их качество и функциональность. Оптимизация формы и размеров протезов на основе математического моделирования и анализа является важным шагом в индивидуальной адаптации протезов к потребностям каждого конкретного пациента.

Вывод: математика является значительной и важной частью современного мира. На сегодняшний день сложно представить развитие любой научной отрасли без математики. Так и протезирование не может существовать без математики. Ни одна модель протеза не может быть спроектирована и без вычислений, построений графиков и диаграмм.

ГЛАВА 3. ГЛАВА 3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Исследование первое. Опрос обучающихся

Так как тему моего проекта, считаю важной, проведу опрос обучающихся студентов моей группы.

Анкета. Что Вы знаете о протезировании и роли математики в нём?

1. Знаете ли Вы, что такое протезирование?

а) да; б) нет.

2. Приходилось ли Вам или Вашим близким пользоваться протезированием?

а) да; б) нет.

3. Считаете ли Вы, что современные протезы улучшают качество жизни для тех, кто их применяет?

а) да; б) нет.

4. Как Вы думаете, доступны ли для всех, кому они необходимы, современные протезы?

а) да; б) нет.

5. Как Вы думаете, знание математических методов, помогает в разработки, улучшения качества и функциональности протезов?

а) да; б) нет.

На основании подсчёта количества голосов, можно сделать выводы о том, что студенты моей группы в общих чертах знакомы с понятием протезирования; среди близких, знакомых или друзей некоторых из них есть те, кто так или иначе пользовались современными видами протезирования. Но большинство студентов даже не задумывались о роли математики, математических методов и математического моделирования для создания протезов. Поэтому считаю, что нужно познакомить их со своим проектом.

3.2. Исследование второе. Краткая экскурсия по миру протезирования

Так как студенты моей группы мало знакомы с протезированием, проведу краткую экскурсию по этому миру и покажу то, чего ученые добились на сегодняшний день. По результату экскурсии, создаю ознакомительный буклет.

1. Уровень развития протезов (сила мысли)

На данный момент технология создания протезов активно развивается, появляются новые модели, а цена на производство уменьшается, так, студент колледжа Итаки создал протез руки, который стоит всего около 15 долларов и печатается на 3D принтер. Появились протезы, управляемые силой мысли и способные самообучаться, подстраиваясь под носителя, синтетическая кожа, способная чувствовать давление, температуру и текстуру через массив нейронных сенсоров, которые передают сигналы от кожи в мозг. Также этот массив, покрыт тонким слоем фотоэлементов, которые позволяет микродатчикам заряжаться от солнца. Но пока протезы остаются дорогим устройством – цена на передовые модели может достигать 2-2,5 миллионов рублей. ПРИЛОЖЕНИЕ 2 рис.1.

2. Искусственные легкие и сердце

Лёгочная недостаточность или дыхательная недостаточность первого типа в острой тяжёлой форме, как правило, приковывает пациентов к аппаратам экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО). Эти приборы искусственно очищают кровь от углекислого газа и насыщают её кислородом, прокачивая через внешний газообменник.

Команда исследователей во главе с Уильямом Федершпилем (William Federspiel) из Питтсбургского университета задалась целью сделать ЭКМО как можно более компактным. Учёные разработали комбинированный аппарат, получивший название, которое можно перевести на русский язык как «экстракорпоральная амбулаторная поддерживающая система лёгких» (PAAL).

PAAL сочетает в себе функции искусственного сердца и лёгких. Устройство будет подсоединяться к шее пациента и связываться с его кровеносной системой с помощью довольно короткой трубки. Сам аппарат — компактный и лёгкий, так что вполне может поместиться в рюкзаке.

Авторы исследования опубликовали результаты первых испытаний своего устройства на овцах в издании The journal of heart and lung transplantation. Первый эксперимент проводился на четырёх животных и длился шесть часов, за которые кровь была полностью очищена и насыщена кислородом. На втором этапе система успешно работала на протяжении пяти дней. ПРИЛОЖЕНИЕ 2 рис.2.

3. Кардиостимуляторы

Постоянно улучшаются и изменяются существующие уже довольно давно кардиостимуляторы. Электрокардиостимулятор — медицинский прибор, предназначенный для воздействия на ритм сердца. Основной задачей кардиостимулятора (водителя ритма) является поддержание или навязывание частоты сердечных сокращений пациенту, у которого сердце бьётся недостаточно часто, или имеется электрофизиологическое разобщение между предсердиями и желудочками. ПРИЛОЖЕНИЕ 2 рис.3.

4. Умные татуировки

Представители фирмы Chaotic Moon разрабатывают проект «умных» татуировок с электродами Tech Tats, которые будут наноситься на тело человека и считывать данные о его организме. В настоящий момент такие татуировки умеют мерить температуру и давление, однако в будущем, возможны, смогут частично заменить смартфоны.

Программисты из Chaotic Moon планируют «научить» татуировки распознавать различные состояния организма — такие как стресс, частота сердцебиения, уровень кровяного давления. Эти данные будут дистанционно подаваться на компьютер с помощью краски, проводящей электричество.

5. Искусственное зрение

Команда под руководством Герта Каувенбергхса использовала пучки кремниевых нано проводов, которые имплантируются в сетчатку и имитируют работу клеток-фоторецепторов. Когда на них падает свет, они генерируют ток и передают его на зрительный нерв. При этом провода такие тонкие, что из них можно сплести сеть с плотностью, близкой к настоящей сетчатке.

Второй отличительной особенностью новой системы является уникальный беспроводной элемент питания, который дистанционно передаёт энергию имплантату с помощью индукции.

6. Имплант и экзо-скелет для парализованных

Экзоскеле́т (от греч. Έξω — внешний и σκελετος — скелет) — устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей. По сообщениям открытой печати, реально действующие образцы в настоящее время созданы в России, Японии, США и Израиле.

Разработкой российского экзоскелета под названием ЭкзоАтлет занимается команда учёных из проекта ExoAtlet, первого российского медицинского экзо скелета для реабилитации, социальной адаптации и интеграции людей с нарушением локомоторных функций нижних конечностей. Как заявляют разработчики, такой экзоскелет подойдет не только людям с травмой спинного мозга, но и с последствиями инсульта. В настоящее время создано несколько действующих прототипов изделия. Последняя модификация, ExoAtlet Albert, управляется с костылей и позволяет человеку самостоятельно ходить, садиться, вставать. Продажи экзоскелета начались в 2016 году.

7. Биосплав для органов на 3D принтере

Команда исследователей из Томска разработали уникальный Биосплав и собрали свой собственный 3D-принтер, с помощью которого из этих сплавов можно печатать индивидуальные имплантаты под каждого конкретного пациента. Такие имплантаты не вызывают в организме воспалительных процессов, не подвержены коррозии и отличаются повышенной прочностью, что делает их отличным подспорьем для врачей в их непростой работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Время не прекращает свой бег и прогресс не стоит на месте. Развитие протезирования дало возможность многим людям вернуться к нормальной жизнь – услышать голос родных, увидеть лицо собственного ребенка, прогуляться по парку, прикоснуться к дорогому человеку. Всего этого не было бы, если бы протезы и импланты не развивались.

Кроме того, решение задач, которые человечество ставило перед собой, работая над созданием протезов и имплантов, дало мощный толчок многим другим отраслям наук – благодаря исследованиям нейронных сетей в попытках создать обратную связь и мысленное управление, мы стали лучше понимать, как работает мозг человека, как устроена нервная система.

Такие достижения медицины были бы невозможны без тесного сотрудничества отрасли протезирования и имплантологии с такими науками, как физиология, материаловедение, информатика, электроника, механика и математика.

Пытаясь решить инженерные задачи, ученые создали множество различных материалов – легких, прочных, не вызывающих отторжения организмом, - которые также могут быть использованы и во многих других отраслях.

И наконец попытки создания протезов с идеально обратно связью помогло программистам создать новые алгоритмы, решающие задачи, которые раньше нам были неподвластны.

Искренне надеюсь, что уже в обозримом будущем в использование уверенно шагнут из лабораторий нейроинтерфейсы для полноценного использования протезов. А возможности, подаренные биоинженерией, позволят выращивать органы для имплантации из собственных тканей пациентов. Таким образом медицина будет в состоянии подарить фактически вторую полноценную жизнь людям с травмами или тяжелыми заболеваниями. И знания в областях математики, а в частности Геометрии, несомненно помогут. Моя гипотеза подтверждается.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Диагностика в условиях стоматологической поликлиники. Методические разработки. Саратов, СГМУ, 2007.

2. События. Вероятности. Статистическая обработка данных 7-9 классы. М., Мнемозина, 2006 Аналитический отчет стоматологической поликлиники МУЗ «ЦРБ Пугачевского муниципального района». 2008.

3. Организация и экономика стоматологической службы. М., Медицина, 2001.

4. Н. Бейли. Математика в биологии и медицине. Перевод с английского. М., Мир, 1970 с.2

5. Н. Бейли. Математика в биологии и медицине. Перевод с английского. М., Мир, 1970 с.3

6. Аналитический отчет стоматологической поликлиники МУЗ «ЦРБ Пугачевского муниципального района». 2008 с.3

7. Научный журнал «Молодой ученый» Неспрядько, В. П. Математическое моделирование частичного съемного протезирования с использованием замкового крепления / В. П. Неспрядько, Н. С. Черных, А. Я. Григоренко, Н. Н. Тормохов. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2014. — № 3 (62). — С. 215-222. — (дата обращения: 06.06.2024).

Интернет-ресурсы:

https://infourok.ru/prezentaciya-dlya-issledovatelskogo-proekta-po-teme-prikladnaya-matematika-v-protezirovanii-3018867.html

https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-vozmozhnosti-i-prakticheskoe-primenenie-matematicheskogo-modelirovaniya-v-stomatologii

URL: https://moluch.ru/archive/62/9342/

https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2017/05/12/protezirovanie-proshloe-nastoyashchee

https://school-science.ru/7/1/40599

https://pandia.ru/text/78/527/72661.php

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Анкета. Что Вы знаете о протезировании и роли математики в нём?

1. Знаете ли Вы, что такое протезирование?

а) да; б) нет.

2. Приходилось ли Вам или Вашим близким пользоваться протезированием?

а) да; б) нет.

3. Считаете ли Вы, что современные протезы улучшают качество жизни для тех, кто их применяет?

а) да; б) нет.

4. Как Вы думаете, доступны ли для всех, кому они необходимы, современные протезы?

а) да; б) нет.

5. Как Вы думаете, знание математических методов, помогает в разработки, улучшения качества и функциональности протезов?

а) да; б) нет.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

1. Уровень развития протезов (сила мысли)

Рис.1

2. Искусственные легкие и сердце

Рис.2

3. Кардиостимуляторы

Рис.3

4. Умные татуировки

Рис.4

5. Искусственное зрение

Рис.5

6. Имплант и экзо-скелет для парализованных

Рис.6

7. Биосплав для органов на 3D принтере

Рис.7