Biomechanika: kaip mokslui sekasi patobulinti žmogaus kūną (Video)

Jis taip pat mėgino suprasti, kaip veikia žmogaus raumenys ir sąnariai, kaip perduodamas judesys ir ar įmanoma sukurti įrenginį, kuriuo naudodamas savo raumenų jėgą žmogus sugebėtų pakilti į orą ir prilygti paukščiams. L. da Vinci tapo bene pirmuoju biomechaniku, besimokiusiu iš gamtos.

Jo stebėjimų rezultatas – sukurti keli originalios konstrukcijos aparatų brėžiniai. Pradedant mechaniniu laumžirgiu ir baigiant ornitopteriu su plasnojančiais sparnais bei helikopteriu, kurį teisingiau būtų vadinti oro grąžtu.

XXI amžiuje jo idėjas realaus dydžio maketais, eksponuojamais parodose, pavertė Italijos mokslininkai.

Šiuolaikiniai biomechanikos specialistai irgi analizuoja įvairius gyvus organizmus, jų struktūras ir funkcijas, mokydamiesi iš gamtos. Svarbiausias mokslininkų uždavinys – kuo geriau suprasti žmogaus raumenų, skeleto judėjimo ypatumus, jų patologijas, kad būtų galima kuo efektyviau padėti neįgaliesiems, sukurti tobulesnius implantus, dirbtines galūnes, taip pat efektyvesnius tokių klastingų susirgimų kaip Parkinsono liga, ankstyvosios diagnostikos metodus. Šiuolaikinė biomechanika irgi yra personalizuotos medicinos dalis, kurios pažangą lemia sparti informacinių technologijų plėtra.

Tiksliai pritaikomi implantai

Laidai „Mokslo ekspresas“ biomechanikas dr. Julius Griškevičius sako, kad kiekvienas žmogus yra individualus. Todėl vienas iš mūsų naudojamų įrankių yra matematinis modeliavimas.

Biomechanika glaudžiai susijusi su inžinerija, kadangi ji, analizuodama biologines sistemas, dažnai naudoja šių tradicinių mokslų metodus. Vis plačiau bioinžinieriai taiko ir kitą modernų įrankį – 3D spausdinimą. Kai dėl ligos ar traumos sutrinka žmogaus sąnarių funkcija, jie keičiamI endoprotezais arba implantais. Iki šiol dažniausiai būdavo naudojami standartiniai implantai. Tačiau būtų kur kas geriau kiekvienam pacientui sukurti unikalų protezą, įvertinus jo kūno sandaros ir netgi eIgsenos ypatumus.

„Kai dirbame su endoprotezais, tai yra junginys gyvo audinio su negyvu audiniu. Kaulas keičia savo savybes, veikiant mechaninei apkrovai. Jeigu mes pakeičiame jo natūralią būseną, įdedame svetimkūnį, jis perima dalį apkrovos ir laikui bėgant kaulas keičiasi. Mokslinė problema – kaip įdėti arba sukurti tokį protezą, kurio nereiktų išimti po penkiolikos metų“, – teigia J. Griškevičius.

Deja, net geriausi implantai, metams bėgant, išklimba. Pakinta ir jų veikiamo kaulo savybės. Atliekant pakartotinę operaciją  neretai paaiškėja, kad naujo implanto nebegalima pritvirtinti. Tuomet paciento kūno dalis skenuojama ir gauto kompiuterinio modelio pagrindu atspausdinamas tiksliai jam pritaikytas implantas.

„Lietuvoje atliekama daug sąnarių keitimo operacijų, bet tokių individualizuotų yra tik vienetai. Prieš pora metų buvo atvejis Klaipėdoje, kai pacientui kūrė visą dubens protezą“, – sako J. Griškevičius.

Norint gauti trūkstamą arba susidėvėjusį jūsų kūno fragmentą, iš pradžių reiktų sukurti jo erdvinį modelį. Jeigu keičiamas sąnarys, kompiuteriniu tomografu nuskenuoti keitimo vietą. Norint kuo tiksliau įvertinti kaulų būseną, geriausia naudoti rentgeno spindulius, kadangi jie kaulinį audinį labai gerai atskiria nuo minkštųjų audinių.

2011 metais Gento universitete Belgijoje buvo sėkmingai atlikta visiška veido transplantacija. Persodinti donoro raumenys su oda, o trūkstamus veido kaulų fragmentus mokslininkai atkūrė, naudodami minėtas skenavimo technologijas ir 3D spausdintuvą. Ši transplantacija tapo pačia sudėtingiausia iš devyniolikos tokio tipo operacijų visame pasaulyje. JAV gydytojai sukūrė ir implantavo trachėjos įtvarą kūdikiui, atspausdintą iš biopolimero, vadinamo polikaprolaktonu. Šis karkasas padeda atkurti plaučių funkciją, o pats laikui bėgant ištirpsta. Visais atvejais naudojamas tas pats principas.

„Nuėjus į ligoninę, padaroma nuotrauka. Su ja ateinama į firmą, kuri gamina implantą. Jie su programine įranga atskiria minkštuosius audinius, lieka tik jūsų skeletas ir ta vieta, kurią reikia padaryti. Kompiuterinio projektavimo programa  suprojektuojama reikalinga geometrija ir duomenys siunčiami į 3D spausdintuvą“, – tikina J. Griškevičius.

Kadangi dabar tokius protezus galima atspausdinti iš pačių įvairiausių medžiagų, taip pat iš titano, chromo, molibdeno miltelių, jie nedelsiant implantuojami pacientui.

Pagalba sergantiems Parkinsono liga

Vilniaus Gedimino technikos universiteto biomechanikos katedros mokslininkai pastaruoju metu tyrinėja žmogaus kūno arba jo dalių motoriką – t.y. kojų, rankų judesius. Jie bendradarbiauja su Vilniaus universiteto ligoninės Santariškių klinikų neurologijos centro gydytojais neurologais ir Reabilitacijos, fizinės ir sporto medicinos centro gydytojais. Pasitelkiant biomechaninį žmogaus raumens-skeleto modelį, kuriamos neuromotorinių ligų diagnostikos ir reabilitacijos efektyvumo vertinimo sistemos.

„Dirbdami su reabilitologais bandome sukurti diagnostines sistemas, kurios leistų vertinti žmogaus kūno motoriką. Kalbant apie Parkinsono ir esencialinio tremoro problemą, kraujo tyrimas neparodys, kuria liga žmogus serga“, – aiškina J. Griškevičius.

Gydytojai stebi, kaip žmogus elgiasi, vertina paciento mąstymą, jo psichofiziologines savybes. Tačiau būtent nežymūs galūnių judesių pokyčiai gali pasakyti kur kas daugiau. Todėl motorikos tyrėjai stebi, kaip tiriamas žmogus atlieka įvairius judesius, tradicinius veiksmus. Kaip jis paima puodelį, geria, kaip pirštais liečia nosies galiuką.

„Gydytojai dažniausiai vertina paciento būseną kokybiniais rodikliais. Tarkime, nulis balų, jei nėra susirgimo. Keturi balai – jeigu pacientas nieko negali atlikti. Ir tai priklausys tik nuo gydytojo patirties. Mes norime tiksliau tą padaryti. Turime įrangą, kuria galima tiksliai išmatuot judesį. Ieškome parametrų, kuriais mes galėtume suteiki kiekybinį įvertinimą“, – teigia J. Griškevičius.

„Prašėme Parkinsono ir tremoru sergančius ligonius atlikti judesius ir juos matavome. Bandėme atrasti parametrus, kurie atskirtų tas dvi ligas. Nes simptomai yra labai panašūs, o ligos visiškai skirtingos“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja mokslininkas.

Kol kas mokslininkams dar nepavyko atrasti vieno parametro, kuris leistų tiksliai atskirti šias dvi ligas. Tačiau jie įsitikinę, kad tai – tik laiko klausimas. Taip pat jie dirba su reabilitologais, siekdami sukurti efektyvesnes reabilitacijos programas insultą patyrusiems žmonėms.

„Mūsų uždavinys – padėti įvertinti taikomos reabilitacijos programos efektyvumą ir sukurti modeliu grįstą reabilitacijos programą. T.y. individualizuoti žmogų, įvertinti procedūrą, matuojamo žmogaus būseną“, – LRT TELEVIZIJOS laidai „Mokslo ekspresas“ sako biomechanikas.

Kol pacientą po traumos ar insulto prižiūri specialistai, jo fiziniai gebėjimai atkuriami efektyviai. Deja, pasibaigus reabilitacijos programai ligoninėje, ją tenka tęsti namuose. O tam reikia disciplinos ir įgūdžių. Biomechanikos specialistai siekia sukurti sprendimus, kaip reabilitaciją vykdyti paciento namuose, naudojant išmanius įrenginius – telemetriją, nuotolines konsultacijas. Vienas iš galimų produktų – kompiuterinio žaidimo forma atliekami pratimai namie, o specialus TV priedėlis stebi kūno judesius, juos įrašo ir perduoda įvertinti gydytojui.

„Tvirtiname ant žmogaus kūno jutiklius, kurie matuoja to kūno dalies judėjimą erdvėje. Naudodami matematinį žmogaus modelį, įvertiname raumenų darbą“, – teigia J. Griškevičius.

Tokius virtualius žmogaus skeleto modelius lengvai galima pritaikyti kiekvienam žmogui, atsižvelgiant į jo kūno arba kūno dalių parametrus. Stebint judesius galima pamatyti, kurie raumenys dirba, o kurie ne.

„Galutinis produktas – jutiklių rinkinys, kurį gydytojas galėtų naudoti. Klinikinė ekspertinė sistema padėtų jam priimti sprendimą“, – tikina J. Griškevičius.

Mintimis valdomi protezai?

Dar viena sritis, kurioje praverčia biomechanikos specialistų žinios, yra audinių inžinerija. Taikydami žinias apie įvairias žmogaus kūno ląsteles, inžinerijos metodus ir medžiagų mokslo pasiekimus, mokslininkai mėgina atkurti įvairius audinius arba  pagerinti jų biologines, funkcines savybes. Pavyzdžiui, atkurti kaulinį bei kitus audinius. Pastaroji sritis labai paklausi odontologijoje. Tyrėjai odontologų pageidavimu kuria naujus kaulinių defektų korekcijos metodus.

„Jeigu žmogus ilgą laiką neįsidėjo danties implanto, kaulinis audinys keičiasi. Jeigu jis negauna apkrovos, retėja kaulas, kaulo mažėja. Tada kyla problema odontologui, kad to kaulo į kurį sukti varžtą, yra nedaug“, – aiškina J. Griškevičius.

Nors žmogaus organizmas, kaip yra žinoma, sugeba užsigydyti įvairias traumas bei žaizdas, kartais ir jis bejėgis. Pavyzdžiui, jeigu lūžo koja, pakanka sujungti kaulus ir jie vėl suauga. Kaulinės ląstelės atliks savo darbą. Tačiau jeigu kaulų fragmentus skiria daugiau nei 5 milimetrai, to tarpo kaulinis audinys savaime neužaugins. Tada jam reikia padėti.

„Naudojame specialų plastiką, kuris organizme ištirpsta. Iš to plastiko atspausdinamas karkasas, į kurį biochemikai įsodina kaulines ląsteles bei tam tikrus katalizatorius, kurie „kviestų“ tas ląsteles apsigyventi. Toks „sumuštinis“ implantuojamas ir tada kaulinės ląstelės turi tiltą, terpę, kurią jos gali užpildyt lengviau. Tada užauga naujas kaulinis audinys, o pats plastikas suyra“, – sako J. Griškevičius.

Audinių inžinerijoje pagrindinė statybinė medžiaga – gyvos ląstelės. Pavyzdžiui, odos ląstelės fibroblastai naudojami odai atkurti, o chondrocitai atkuria kremzlinį audinį.

Vilniaus universiteto Kvantinės elektronikos katedroje gaminami 3D karkasai, o VGTU specialistai tiria jų savybes. Stebi, kaip kinta polimero savybės, keičiant jo struktūrą. Tokia analizė leis pasirinkti labiausiai audinių inžinerijai tinkantį darinį.

Šios srities pažangą lemia itin platus ir kūrybingas įvairių metodų naudojimas. Taip gimė tarpdisciplininė sritis – biomechatronika. Joje sujungiami mechanikos elementai, elektronika ir gyvų organizmų dalys arba fragmentai. Taip pat robotikos ir neuromokslo laimėjimai. Tuo siekiama sukurti prietaisus, galinčius sąveikauti su žmogaus raumenimis, skeletu ir nervų sistema. Tokie įrenginiai leis atkurti judrumą žmonėms, netekusiems galūnių, paralyžiuotiems dėl traumos arba sunkios ligos.

Klaudijai Mitchell „mioelektrinę“ ranką sukūrė Čikagos Reabilitacijos Institutas. Ji priima elektrinius signalus, nervais sklindančius iš jos smegenų. Elektrodai padeda signalams peršokti iš kūno į protezą, kuris naudoja kompiuterį, kad suprastų, apie kokį judesį K. Mitchell galvoja. Nervai,  valdę prarastą ranką, buvo perorientuoti į krūtinę, arti odos. Nedideli elektrodai, esantys ant odos, fiksuoja šių nervų elektrinius signalus ir siunčia juos į rankoje esančius motorus. Todėl moteris gali mintimis valdyti rankos protezą. Kol kas ši ranka nėra visiškai biomechatroninė. Signalai siunčiami tik viena kryptimi – į ranką. Tačiau ketinama sukurti grįžtamąjį ryšį, kad ranka perduotų tokius pojūčius į smegenis kaip skausmas arba lytėjimas. Tokių fantastiškai skambančių pavyzdžių ir sprendimų metams bėgant sulauksime vis daugiau.