Практика изготовления протезов до сих пор во многом опирается на подходы, которые сформировались задолго до появления цифровых технологий. Чаще всего речь идёт о классической процедуре снятия гипсового слепка с последующей ручной доработкой. На первый взгляд всё выглядит довольно просто, однако на практике этот процесс требует не только времени, но и высокой точности, а также опыта специалиста. Итоговая форма формируется постепенно – через серию корректировок, где значительная часть решений принимается “на глаз” и уточняется в процессе.

Очевидно, что такая зависимость от человеческого фактора не может не сказываться на результате. Даже при аккуратном соблюдении всех этапов остаётся вероятность неточностей – будь то погрешности формы или особенности обработки материала. В итоге пациенту нередко требуется дополнительная подгонка протеза, а это, в свою очередь, увеличивает общее время изготовления и усложняет весь процесс.

Ситуация начала меняться с развитием технологий трёхмерного моделирования. Возможность перевести форму конечности в цифровой формат открыла новые перспективы: повысилась точность, сократилось время обработки. Современные 3D-сканеры позволяют получать массив координат, на основе которого строится модель. Тем не менее, нельзя сказать, что эти решения полностью лишены ограничений.

Большинство используемых сегодня систем основано на оптических принципах. А это означает зависимость от внешних условий – освещения, отражающих свойств кожи, наличия теней и прочих факторов. Кроме того, такие методы фиксируют форму только в момент съёмки, не учитывая, как ведут себя мягкие ткани под нагрузкой. Для протезирования это критично, поскольку в реальности контакт между телом и протезом всегда сопровождается перераспределением давления.

В последние годы в медицинской инженерии всё чаще поднимается вопрос о необходимости учитывать не только геометрию, но и механические свойства тканей. Это логично приводит к идее комбинирования различных подходов – например, объединения пространственного сканирования с сенсорными технологиями, способными регистрировать параметры контакта.

В рамках данного исследования предлагается подход к получению данных, основанный на непосредственном физическом взаимодействии с поверхностью объекта. Конечность пациента “объекта” размещается внутри устройства представляющей цилиндрическую конструкцию, внутри которой установлен ряд тактильных сенсоров, которые считывают момент контакта с кожей, что в свою очередь позволяет составить в программе систему координат в соответствии с полученными данными от сенсоров.

В результате формируется набор измерений, которые могут рассматриваться как пространственное описание геометрии конечности пациента. В отличие от дистанционных оптических методов сканирования, регистрация данных осуществляется контактным способом с помощью сенсоров, что снижает влияние внешних факторов и условий окружающей среды на результат работы устройства. Особенно это актуально при работе с сильно поврежденными мягкими тканями, где важна точность прилегания протеза с конечностью.

Главная особенность метода это не только регистрация координат точек, но и силы взаимодействия на данный участок, где будет производится протезирование конечности. По итогу, мы можем определить распределение давления по поверхности исследуемого объекта и выявлять зоны повышенной нагрузки и трения. Полученная информация может быть полезна и использована на этапе проектирования протеза с целью повышения функциональности и комфортности пациента [3].

Обработка данных включает в себя несколько последовательных этапов проектирования протеза.

На первом этапе создания протеза производится получение первичных данных для моделирования протеза. Далее, формируется облако точек, описывающее поверхность исследуемого объекта. Завершающим этапом является построение поверхности с помощью методов интерполяции и аппроксимации, при которой разрозненные точки создают поверхность и формируют 3D-модель протеза [5].

Итоговая 3D-модель включает не только геометрическое описание поверхности проектируемого протеза, но и данные о характере взаимодействия с поврежденным участком кожи, чем сильно отличается от традиционных методов сканирования, где информация о силовых характеристиках, как правило, вовсе отсутствует.

Разрабатываемая система представляет собой комплекс аппаратных и программных компонентов. Аппаратная часть представляет собой цилиндрическую конструкцию внутри которой выставлены сенсоры в несколько рядов, в случае чего их местоположение может изменяться в зависимости от поставленной задачи. Данный способ обеспечивает адаптацию и универсальность устройства под различные ситуации проектирования без существенной модификации и лишних вложений [2].

Программная часть устройства состоит из следующих этапов: 1) сбор и первичная обработка данных, 2) построение модели на основе полученных данных и её визуализацию через систему координат. При необходимости в программе будет предусмотрена возможность ручной корректировки полученной модели.

Важно отметить и экономический аспект разработки. Недорогие сенсоры анализа кожи давно используются в малом бизнесе косметических услуг, а также большой спектр использование программных решений с открытым исходным кодом на популярных площадках программирования позволяют снизить общую стоимость системы. Это повышает её потенциальную доступность для государственных и частных медицинских учреждений [1].

Дополнительную перспективу развитию данного подхода придают аддитивные технологии. Наличие готовой цифровой модели позволяет напрямую перейти к изготовлению протеза через любые CAD-системы с использованием 3D-печати, минимизируя количество промежуточных этапов проектирования. Самое главное, корректировки могут вноситься без необходимости повторного сканирования [4].

С учётом растущей потребности в протезировании, обусловленной медицинскими и социальными факторами в Российской Федерации, подобные решения представляют собой актуальное направление исследований.