Определить развитие сколиоза и других болезней опорно-двигательного аппарата поможет физика и математика

Хронические заболевания опорно-двигательного аппарата (ОДА) приводят не только к ограничению подвижности и снижению качества жизни человека, но и могут стимулировать развитие других заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых. Одним из самых тяжелых заболеваний ОДА является трехплоскостная деформация позвоночного столба (сколиоз). Сотрудники кафедр нанофотоники и метаматериалов и высшей математики Университета ИТМО совместно с Восстановительным центром детской ортопедии и травматологии «Огонек» (Стрельна), который возглавляет Заслуженный врач России Михаил Дудин, разрабатывают физико-математическую модель развития сколиоза, которая поможет врачам более точно определять степень заболевания и области воздействия при лечении. Также ученые работают над новым методом диагностики заболеваний опорно-двигательного аппарата, основанном на поверхностном зондировании кожи человека высокочастотным электромагнитным полем.

Источник: shutterstock.com

В лечении и профилактике сколиоза, несмотря на давнюю историю этого заболевания, остается множество проблем. Одна из них заключается в том, что как-то воздействовать на развитие заболевания нехирургическими методами можно только примерно до 17–19 лет. Именно на этих годах жизни окончательно формируется опорно-двигательный аппарат. При этом необходимо отслеживать прогресс болезни в динамике, чтобы адекватно назначать лечение, то есть нужны удобные инструменты мониторинга болезни, которые помогут врачу. Здесь важно еще и то, что далеко не все обращаются за медицинской помощью вовремя, а зачастую уже тогда, когда необходимо проводить операцию. А хирургическое вмешательство – это всегда крайняя и небезопасная мера лечения. До сих пор врачам очень сложно определить причину сколиоза, а также «очаги» заболевания, на которые нужно воздействовать в ходе лечения. Из-за этого приходится проводить очень много медицинских исследований типа рентгена, МРТ, при этом не всегда их результаты интерпретируются верно, отметил научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Юрий Балошин. Он проводит исследования по разработке физико-математической модели ОДА совместно с заведующим кафедрой высшей математики Игорем Поповым, группой обучающихся на этой кафедре, а также со специалистами центра «Огонек».

Восстановительный центр детской ортопедии и травматологии «Огонек»
Восстановительный центр детской ортопедии и травматологии «Огонек»

«В уже имеющихся физико-математических моделях сколиоза есть один существенный недостаток: в их основе лежит математический анализ баз данных, полученных при клинико-рентгенологической диагностике. Но ни в одной из этих моделей сколиоз не описывается как динамический процесс. С точки зрения классической биомеханики здоровый позвоночный комплекс рассматривается как двухколонное образование, состоящее из несущей колонны (позвонки и межпозвонковые диски) и функциональной (позвонковые дужки, остистые и поперечные отростки, межпозвонковые суставы). Первая, несущая колонна поддерживает положение и вес всех органов и систем в туловище, а вторая, функциональная, обеспечивает движение в позвоночном комплексе. Для нормального состояния позвоночного столба необходимо вертикальное положение колонн; верхние и нижние концы колонн должны быть на одном уровне, а расстояние между колоннами на любом уровне должно оставаться постоянным. Мы предлагаем математическое описание образования деформаций по всем этим трем плоскостям в двухколонной системе, приближенной к реальному позвоночному столбу человека», – прокомментировал Юрий Балошин.

Однако пока эта модель несовершенна, подчеркнул он. Дело в том, что модель должна учитывать не только размеры позвонков, но и множество других медицинских данных, в том числе то, как размеры позвонков связаны с функциональностью самого костного мозга. По словам Юрия Александровича, задача создания более совершенной физической модели развития сколиоза скорее всего потребует использование идеологии нейронных сетей.

Сейчас с помощью модели можно выявить некоторые закономерности развития сколиоза в разных возрастных группах детей и подростков. Однако в дальнейшем ее можно будет использовать индивидуально для каждого пациента. Это позволит полнее выявить проблемы, которые нужно решать конкретно для каждого пациента, что упростит работу врачам, например, при лечении: подбор корректирующего корсета, массажа, физиопроцедур, гимнастики будет более точными, что повысит вероятность выздоровления. Точно так же хирургу это может помочь тем, что он будет точно знать в каком районе позвоночника необходимо проводить операцию. Кроме того, модель поможет диагностировать сколиоз на ранних стадиях. Иными словами, она будет системой поддержки принятия решений для медицинского персонала. 

Сколиоз. Источник: shutterstock.com
Сколиоз. Источник: shutterstock.com

«Медицина – это в большей степени эмпирическая наука, которая работает с фактами, опираясь на статистические данные. Когда мы только начинали работать с врачами, то было очень сложно найти общий язык, потому что у них не было подходов в лечении, основанных на моделировании развития болезни. Однако у профессора Михаила Дудина и его коллег из центра “Огонек” есть стремление внедрять новые технологии для более качественного лечения. Сейчас мы совершенствуем модель, публикуем научные статьи, то есть набираем материалы, которые помогут дальше развивать проект», – сказал Юрий Балошин.

Также ученые и медики разрабатывают новую систему диагностики заболеваний опорно-двигательного аппарата, которая основана на поверхностном зондировании кожи высокочастотным электромагнитным полем. Эксперименты показали, что, анализируя диэлектрическую проницаемость кожи при таком зондировании, можно выявить, например, степень функциональной активности так называемых ростковых зон, которые определяют развитие ОДА. Упрощенно это выглядит так: имеется сенсор (антенна) электромагнитного излучения, работающий на определенной частоте, которым водят по коже пациента. Сигнал, несущий информацию о диэлектрической проницаемости исследуемой зоны, может формироваться по изменению резонансных характеристик сенсора в зоне контакта. Однако разработка такого диагностического комплекса находится в самом начале и потребует новых теоретических и прикладных исследований. Преимущество такого метода в его относительной простоте, оперативности и безопасности.

Юрий Балошин
Юрий Балошин

«Мы сотрудничаем с кафедрой высшей математики Университета ИТМО, бакалавры и магистранты которой готовят курсовые и дипломные работы по этой теме. По ней есть много задач из области прикладной математики, разработки пакетов программ. Поэтому работы в этой области для студентов очень много, мы приглашаем к сотрудничеству всех заинтересованных», – сказал Юрий Балошин.

Он добавил, что студенты смогут сотрудничать с медиками центра «Огонек». Также у разработчиков проекта налажены информационные связи с Карловым университетом в Чехии, где группа ученых работает над подобными задачами. Кроме того, обмен информацией и опытом в этой области ведется с коллегами из Франции, Канады, Австралии из крупных медицинских клиник и ортопедических центров. Например, сотрудники Университета ИТМО совместно с коллегами из центра «Огонек» подготовили ряд докладов и публикаций по модели сколиоза и ее возможностям в диагностике и лечении этой патологии к международному медицинскому симпозиуму «Прага-Люблин-Сидней-Санкт-Петербург». Этот симпозиум будет проходить в Праге в сентябре 2018 года, одним из организаторов является центр «Огонек».

Редакция новостного портала
Персоны
  • Юрий Балошин

    Д.т.н., тьютор физико-технического факультета, сотрудник международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО

Архив по годам:
Пресс-служба