Біомедична інженерія і технологія

ВИПАДОК ПРОЄКТУВАННЯ ІНДИВІДУАЛЬНОГО АУГМЕНТУ ДЛЯ ЗАМІЩЕННЯ ДЕФЕКТУ СТЕГНОВОЇ КІСТКИ ПРИ ЕНДОПРОТЕЗУВАННІ КОЛІННОГО СУГЛОБА

Андрій Житковський — 2024-12-15

Тотальне ендопротезування колінного суглоба (ТЕКС) є надійним і ефективним методом лікування прогресуючого остеоартриту коліна, і останніми роками його популярність зростає у всьому світі. Зокрема, спостерігається збільшення кількості молодих пацієнтів, які проходять цю процедуру. Внаслідок цього, ймовірно, що в майбутньому кількість ревізійних ендопротезів колінного суглоба (рТЕКС) також зросте. Однак рТЕКС є складною хірургічною процедурою, що супроводжується високим ризиком ускладнень, часто призводить до втрати кісткової маси і може бути пов'язана з погіршенням якості кісткової тканини. Дефіцит кісткової тканини під час рТЕКС є поширеною проблемою з різними причинами, включаючи асептичне руйнування, остеоліз, стресові ушкодження та інфекційні ускладнення, що може бути наслідком видалення імплантату. Застосування систем автоматизованого проєктування (САПР) та адитивних технологій з метою створення імплантатів для заміщення кісткового дефекту є перспективним напрямком досліджень, адже це дозволяє проєктувати індивідуальні вироби для кожного пацієнта, дефект коліна якого відрізняється у кожному конкретному випадку. Дана робота присвячена розгляду індивідуального випадку проєктування аугменту для заміщення дефекту стегнової кістки, модель якого передбачена для її використання як основи при виготовленні імплантату адитивним способом. У даній роботі розмір і локалізація кісткового дефекту визначалися за допомогою тонкошарової комп’ютерної томографії (КТ, товщина зрізу 1 мм) після редукції артефактів. Сегментація та 3D-реконструкція кісток колінного суглобу була здійснена у середовищі Materialize Mimics. Індивідуальний аугмент розроблений відповідно до 3D-моделі реконструкції стегнової кістки у середовищі Autodesk Fusion 360. Частинам аугменту, які знаходилися на межі кістки та імплантату, було надано трабекулярної (пористої) структури для досягнення біологічної фіксації. Після завершення проектування 3D-модель аугменту було експортовано у форматі STL, дана модель передбачена для виготовлення на її основі імплантату зі сплаву Ti6Al4V за технологією селективного лазерного плавлення (SLM).

ВІДТВОРЕННЯ ГЕОМЕТРИЧНОЇ МОДЕЛІ СТРУКТУР СЕРЦЯ ЗА ДОПОМОГОЮ АНАЛІЗУ ОДНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОБРАЖЕННЯ

Назарій Кройс — 2024-12-15

Постійне зростання потреби у впровадженні ефективних технологічних рішень для тривимірної візуалізації серця зумовлене необхідністю покращення діагностики серцево-судинних захворювань. Використання тривимірних моделей серцевих структур дозволяє отримати більш повне уявлення про анатомічні особливості та функціональний стан серця. Традиційні методи тривимірної реконструкції вимагають або спеціалізованого обладнання, або отримання множини ультразвукових зрізів, що не завжди можливо в клінічній практиці через технічні обмеження або стан пацієнта. Метою дослідження було підвищення ефективності візуальної діагностики шляхом розробки методів тривимірного моделювання структур серця на основі аналізу одного ультразвукового зображення. Об'єктом дослідження виступали тривимірні моделі структур серця та ультразвукові зображення, а предметом – методи моделювання тривимірних структур серця на основі двовимірних ультразвукових зображень. В роботі застосовано комплексний підхід, що включає попередню обробку зображень, сегментацію з використанням нейронної мережі U-Net та методи геометричного моделювання, такі як метод Тейхольца та осесиметрична модель. Для розробки та валідації методів використано набір даних CAMUS, що містить 1400 ультразвукових зображень серця. Дані включають двокамерні та чотирикамерні проекції серця, отримані в різних фазах серцевого циклу. Результати дослідження продемонстрували високу ефективність запропонованого підходу до сегментації серцевих структур, що підтверджується досягнутим значенням dice коефіцієнту 0.89. Розроблені методи геометричного моделювання дозволяють створювати спрощені, але анатомічно обґрунтовані моделі серцевих структур, що можуть бути використані для попередньої оцінки стану серця в ситуаціях обмеженої доступності даних. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості швидкого створення тривимірних моделей серця для підтримки прийняття клінічних рішень, особливо в умовах, коли проведення повного ультразвукового дослідження ускладнене. Запропонований підхід може бути інтегрований в існуючі системи ультразвукової діагностики, розширюючи їх можливості без потреби у додатковому спеціалізованому обладнанні.

ЗАСТОСУВАННЯ ІМПЕДАНСОМЕТРІЇ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ М’ЯКИХ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН

Юрій Дуваров — 2024-12-15

Імпедансометрія є ефективним і сучасним методом дослідження біологічних тканин, який ґрунтується на вимірюванні їх електричного імпедансу. Даний метод дає змогу оцінити функціональний стан тканин, аналізуючи їхню реакцію на проходження електричного струму в різних частотних діапазонах. Завдяки своїй чутливості до змін у структурі та складі тканин, імпедансометрія є унікальним інструментом для виявлення фізіологічних та патологічних процесів, які можуть впливати на стан організму. Однією з головних переваг методу є його неінвазивність, тобто відсутність необхідності порушення цілісності шкіри або тканин під час проведення дослідження. Це робить імпедансометрію безпечною для пацієнтів і зручною ефективною у клінічній практиці. Метод імпедансометрії дозволяє отримувати дані в реальному часі, що важливо для моніторингу динамічних змін у стані тканин. Під час дослідження було проведено експерименти із фантомами м’яких біологічних тканин, що мали різні механічні властивості, такі як пружність. Фантоми використовувалися для моделювання різних фізіологічних станів тканини, що дозволило контролювати умови експерименту та вивчити вплив змін механічних характеристик на імпеданс. Вимірювання електричного імпедансу проводилися в середньочастотному діапазоні. Зміни в значеннях імпедансу можуть свідчити про наявність різних патологічних процесів. Метод електричної імпедансометрії дає нові можливості для діагностики і моніторингу різних станів м’яких біологічних тканин, зокрема для оцінки їхньої структури та функціональності в умовах патологій або травм. Перспективи подальшого використання цього методу включають його адаптацію для клінічних досліджень і розробку нових підходів до лікування захворювань, що впливають на механічні характеристики тканин.

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЗВАРЮВАННЯ КІСТОК В ПРОГРАМНОМУ ЗАБЕЗПЕЧЕННІ ANSYS

Олексій Лебедєв — 2024-12-15

Стаття присвячена моделюванню процесу зварювання кісток за допомогою програмного забезпечення Ansys. З огляду на актуальність теми, дослідження зварювання кісток є важливим напрямом в медичних технологій, що має перспективи для значного покращення процесів лікування складних переломів. Традиційні методи фіксації переломів за допомогою металевих конструкцій можуть призводити до ускладнень, що стимулює пошук альтернативних підходів, таких як електрозварювання. Метою роботи є моделювання зварювального процесу та визначення оптимальних параметрів, що дозволять забезпечити надійне з’єднання кісткових фрагментів без пошкодження тканин. Завдання дослідження включають розробку моделі інструменту, проведення температурного та електричного аналізу, а також вивчення впливу напруги та часу зварювання на якість з'єднання. У роботі використовується модель кістки, що складається з трьох шарів: окістя, компактної та губчастої кістки. Крім того, застосовано припій на основі денатурованого альбуміну, який сприяє з’єднанню кісткових фрагментів. Моделювання дозволило визначити оптимальні режими зварювання, що включають напругу 70 В і час 0,083 секунди, що забезпечує мінімальну термічну дію на тканини та глибину зварювання до 7 мм. Результати дослідження можуть бути використані в подальших розробках інноваційних технологій лікування переломів із застосуванням електрозварювальних методів.

ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДІВ СПЕКЛ-ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ТА МІКРОСКОПІЇ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗРАЗКІВ КРОВІ

Анастасія Байкова — 2024-12-15

В сучасній біомедичній інженерії та медичній діагностиці спостерігається стрімкий розвиток методів аналізу біологічних структур, зокрема, для вивчення властивостей крові. Одним із ефективних підходів є використання спекл-інтерферометрії, яка дозволяє отримувати інтерференційні зображення різноманітних мікроструктур, таких як клітини крові. Метод спекл-аналізу базується на просвічуванні зразків крові когерентним лазерним випромінюванням, що дозволяє отримати спекл-зображення, які аналізуються за допомогою розробленої комп'ютерної моделі. Мікроскопічний аналіз, у свою чергу, передбачає отримання фотографій зразків за допомогою мікроскопа з подальшим візуальним або програмним аналізом. Відомо, що під час циркуляції крові по судинах, еритроцити взаємодіють з іншими клітинами крові (лімфоцити, лейкоцити тощо), що неможливо дослідити при вимірюванні перфузії крові в умовах in vivo. Саме тому особливий інтерес викликає використання нових методів для дослідження агрегації еритроцитів та інших клітин крові в умовах in vitro, оскільки такі умови досліджень носять більш точний характер та запобігають виникненню різноманітних відхилень через стабільність середовища досліджень. У дослідженні оцінено точність обох методів у контексті виявлення мікроструктурних змін крові, таких як агрегація та кількість еритроцитів через їх переважність у досліджуваних зразках крові. Спекл-аналіз продемонстрував можливий потенціал у швидкому виявленні змін у зразках, дозволяючи автоматизувати процес обробки даних. Водночас мікроскопічний метод забезпечує високодеталізовані зображення, що є важливим для якісного аналізу, але вимагає більше часу та ручної обробки. Результати дослідження показують, що поєднання обох підходів може значно підвищити точність діагностичних процедур. Запропонована комп’ютерна модель відповідає сучасним тенденціям впровадження інформаційних цифрових технологій доказової медицини і може допомогти в удосконаленні діагностики захворювань, пов'язаних із змінами у морфології еритроцитів крові.

БІОІНЖЕНЕРНИЙ ПОТЕНЦІАЛ 3D-БІОДРУКУ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ МОДЕЛЕЙ ПЕЧІНКИ

Софія Маслянчук — 2024-12-15

Захворювання печінки, такі як рак, цироз і недостатність, є серйозними проблемами медицини через високу смертність та обмежені можливості лікування, спричинені пізньою діагностикою, дефіцитом донорських органів і ризиками післяопераційних ускладнень. Традиційні моделі для дослідження не можуть точно відтворити складну васкуляризовану структуру людської печінки, що ускладнює вивчення захворювань печінки і проведення процедури тестування лікарських засобів. У цьому контексті 3D-біодрук виступає як перспективна технологія для створення функціональних печінкових тканин, що відкриває нові можливості для регенеративної медицини. У статті було проведено аналітичний огляд методів і матеріалів 3D-біодруку для створення моделей печінкової тканини. На основі проведеного огляду було розглянуто основні підходи до біодруку, включаючи струменевий, екструзійний, лазерний методи, чанну фотополімеризацію, технології FRESH та сакрифікаційного біодруку. Різні підходи дають змогу досягти максимального результату процесу друку відповідно до поставлених завдань і типу матеріалів, що дозволяє створити як прості конструкції, так і складні багатокомпонентні. Висвітлено роль гідрогелів і клітинних компонентів у формуванні біочорнил, їхній вплив на життєздатність клітин і створення функціональних тканин. Окрема увага приділена можливостям використання 3D-друкованих моделей печінки у регенеративній медицині, моделюванні захворювань і тестуванні лікарських засобів. Застосування 3D-біодрукованих моделей відкриває нові можливості у фундаментальних дослідженнях, створенні та випробуванні лікарських засобів та засобів для регенеративної медицини, пропонуючи інноваційні рішення для персоналізованої терапії та лікування захворювань.

СУЧАСНІ ФІЗІОТЕРАПЕВТИЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ТЕРАПІЇ

Дмитро Цвір — 2024-12-15

У роботі розглянуто сучасні фізіотерапевтичні технології, які дають можливість комбінувати кілька типів електромагнітного випромінювання, включаючи електростимуляцію та низькоенергетичне електромагнітне поле. Така комбінована дія електромагнітного випромінювання забезпечує ефект синергії, коли різні типи впливу підсилюють один одного, підвищуючи загальний терапевтичний ефект. Завдяки можливості налаштування частот і інтенсивності випромінювання, такі фізіотерапевтичні технології забезпечують індивідуалізований підхід до лікування пацієнтів з різними захворюваннями. Показано, що сучасні фізіотерапевтичні технології для електромагнітної терапії включають автоматизовані системи керування, які постійно контролюють параметри лікування і забезпечують високу ефективність процедур. Зокрема електромагнітне випромінювання в різних частотних діапазонах (УВЧ, НВЧ, НДВЧ) завдяки автоматизованим програмам лікування та інтелектуальним системам контролю, забезпечує зручність, доступність і високу ефективність процедур фізіотерапії. Наприклад, низькоенергетичне випромінювання забезпечує високу безпеку процедур, а відсутність теплового ефекту та мінімізація дискомфорту роблять ці прилади ідеальними для тривалого застосування, навіть у випадках з підвищеною чутливістю або післяопераційних станів. Огляд сучасних фізіотерапевтичних технологій показує, що подальше вдосконалення систем електромагнітної терапії пов’язане з автоматизацією контролю, підвищенням точності налаштувань та розширенням застосування фізіотерапевтичних приладів у медичній практиці.