Дегенеративное заболевание позвонков поражает около 40 процентов людей в возрасте 40 лет и увеличивается до 80 процентов среди людей в возрасте 80 лет и старше.
Это заболевание, представляющее собой разрушение одного или нескольких межпозвоночных дисков, часто лечится хирургическим путём с помощью имплантатов шейных дисков.
Для того чтобы определить, является ли пациент кандидатом на имплантацию шейного диска, хирургам приходится полагаться в основном на результаты диагностических исследований без учёта биомеханических данных для оптимизации типа протеза. Иногда это может привести к осложнениям и неправильному выбору имплантата.
Для решения этих проблем Эрик Энгеберг (Erik Engeberg), старший автор исследования, и его коллеги из Колледжа инженерии и компьютерных наук Флоридского Атлантического университета (Florida Atlantic University) в сотрудничестве с Франком Врионисом (Frank Vrionis), доктором медицины, старшим автором исследования и директором Института нейронаук Маркуса (Marcus Neuroscience Institute), создали новую роботизированную копию человеческого позвоночника, которая позволит хирургам предварительно оценить последствия хирургического вмешательства ещё до операции.
Исследователи разработали 3D-печатную копию позвоночника, модифицированную для установки имплантата искусственного диска и оснащённую мягким магнитным датчиком. Роботизированная модель позвоночника для конкретного пациента создаётся на основе компьютерной томографии его позвоночника. Модифицированный искусственный диск «имплантируется» в копию шейного отдела позвоночника, а мягкий магнит встраивается в копию позвонка. Роботизированная рука затем сгибает и разгибает реплику шейного отдела позвоночника, в то время как межпозвоночные нагрузки отслеживаются с помощью массива магнитных датчиков, положение позвоночника в процессе фиксируется с помощью четырёх различных алгоритмов машинного обучения. Алгоритмы классифицируют амплитуду и места приложения нагрузок. Затем исследователи сравнили показания алгоритмов в пяти различных позах роботизированной копии позвоночника и могут прогнозировать последствия хирургического вмешательства для данного конкретного пациента.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Sensors, показали, что система магнитных датчиков может классифицировать пять различных позиций позвоночника со стопроцентной точностью. Это делает её хорошим средством прогнозирования различных проблем позвоночника, с которыми сталкиваются пациенты. Результаты показывают, что интеграция мягкой магнитной сенсорной сисетмы в искусственный диск, имплантированный в искусственный позвоночник с роботизированным механизмом, помогает получать важные прогнозы ещё до инвазивных операций. На основе таких прогнозов врачи уже имели бы возможность оценить, насколько то или иное вмешательство показано для конкретных пациентов.
Помимо предоперационной оценки того или иного вмешательства для конкретных пациентов, новый подход может потенциально помочь в послеоперационном уходе за людьми с имплантатами шейных дисков. В настоящее время послеоперационные инструкции для пациентов с имплантатами элементов позвоночника ориентируются на весьма общие усреднённые показатели и носят характер советов типа «сделайте столько упражнений, сколько сможете, пока не почувствуете боль. Такой подход часто вызывает опасения как у пациентов, так и у хирургов. Вопросы о том, насколько допустимы те или иные физические нагрузки и упражнения после операции по установке шейного дискового имплантата можно решить с помощью биомеханических данных, полученных на сенсорной роботизированной копии. Это позволило бы индивидуально подбирать послеоперационный уход для каждого конкретного пациента.
В будущем, по словам исследователей, подобный датчик в сочетании с данными компьютерной томографии можно будет использовать также для решения проблемы смещения позвонков.
Подготовка материала: Мария Толмачёва