В ИФПМ СО РАН определили эффективные диапазоны для ударно-волновой терапии

Эффективность ударно-волновой терапии для ускорения процессов приживления в человеческом организме имплантатов и терапии онкологических заболеваний определили с помощью компьютерных моделей ученые Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН, 5 сентября сообщает пресс-служба Томского научного центра СО РАН.

Томские ученые, создав соответствующие математические модели, определили диапазоны, при которых ударно-волновое воздействие будет наиболее эффективным для приживления имплантатов — стоматологических, а также для суставов шейного и поясничного отдела позвоночника, тазобедренных и коленных. Кроме того, были определены оптимальные параметры такого воздействия при онкотерапии для разрушения опухолей.

Главный научный сотрудник лаборатории компьютерного конструирования материалов ИФПМ СО РАН профессор Алексей Смолин рассказал, почему ученые-физики решили обратиться к проблемам биомедицины.

Исследовав созданные ими для геологических приложений модели процессов деформации и разрушения флюидонасыщенных материалов (твердых пород, насыщенных жидкостью), сотрудники лаборатории убедились, что такие среды «имеют много общего с тканями человеческого организма».

«Так и появилась идея применить эти методы в биомедицине, в т. ч. для ударно-волновой терапии — метода воздействия на различные ткани организма низкочастотными акустическими импульсами», — пояснил Алексей Смолин.

Научный сотрудник лаборатории Галина Еремина отметила, что одной из ключевых задач медицины является сокращение сроков приживаемости имплантатов костной ткани, которая в настоящее время обычно занимает от шести месяцев до года. При этом сроки возрастают для пожилых пациентов и при наличии остеопороза.

«Уменьшить эти сроки помогает дополнительная нагрузка в виде необходимого уровня напряжения и деформации, а также скорости переноса биологической жидкости в костном матриксе: ударно-волновое воздействие ускоряет все биохимические процессы, а также рост костных клеток», — сообщила Галина Еремина.

С помощью трехмерных моделей, созданных учеными ИФПМ СО РАН, можно проанализировать процесс остеоинтеграции имплантатов или прекращения роста злокачественных тканей для определенного физического воздействия на трех масштабных уровнях.

Модель позволяет на видимом человеческому глазу уровне (макроуровень) наблюдать трансформацию биологических тканей в месте воздействия на организм. Далее она покажет исследователю уже на мезоуровне сложные процессы, происходящие там в биологических тканях.

Модель позволяет заглянуть также на клеточный микроуровень и оценить различные изменения, происходящие при ударно-волновом воздействии в основной клетке костной ткани — остеоците.

Модель томских физиков, таким образом, не только продемонстрировала эффективность ударно-волновой терапии, но и позволяет рассчитать ее оптимальные параметры, исключающие возможность отрицательного воздействия слишком высоких напряжения и деформации.

Так, при имплантации зубных протезов оптимальным является диапазон малоинтенсивного ударно-волнового нагружения с плотностью потока энергии от 0,05 до 0,15 миллиджоуля на миллиметр квадратный.

Для остеоинтеграции имплантата позвоночника или бедренной кости необходимо уже среднеинтенсивное нагружение (диапазон задается в зависимости от толщины и свойств костной ткани). При лечении онкологии, где нужно разрушить опухоль, требуется высокочастотное нагружение от 0,25 мДж/мм².

Разработчики отмечают, что их численные модели были проверены методом сравнения решения тестовых задач с открытыми экспериментальными данными.

Смолин рассказал, что коллектив лаборатории намерен провести в коллаборации с научными медицинскими организациями экспериментальные исследования. Уточненные на основе данных МРТ конкретного пациента компьютерные модели проверят на точность прогнозирования хода процесса приживления имплантата при ударно-волновой терапии.