В 2018 году Южно-Уральский государственный университет празднует 75-летний юбилей. Этот год также является значимым для Института спорта, туризма и сервиса ЮУрГУ, научная школа которого отмечает свое 20-летие.
Начало научного направления «Перспективный инжиниринг в спорте и медицине» было заложено в 1998 году, когда в Челябинском государственном техническом университете (ныне ЮУрГУ) был создан факультет валеологии, физической культуры и спорта. Основоположником научной школы является Александр Исаев, доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры теории и методики физической культуры и спорта. В числе научных интересов Александра Петровича адаптация человека к экстремальным условиям среды, экологические и демографические проблемы Южно-Уральского региона, а также вопросы укрепления здоровья дошкольников и учащейся молодежи, моделирование адаптивных состояний человека в спорте, индивидуализация подготовки спортсменов и др. Особое внимание ученый уделяет физиологии и двигательной активности в экстремальных условиях, включающих как занятия спортом, так и различные заболевания. Теоретические разработки Александра Петровича стали фундаментальной основой развития научной школы. Под научным руководством профессора Александра Исаева было защищено более 70 кандидатских и докторских диссертаций.
Яркими представителями данной научной школы также являются директор Института спорта, туризма и сервиса, доктор биологических наук, доцент Вадим Эрлих; зав. кафедрой теории и методики физической культуры и спорта, доктор биологических наук, профессор Анна Ненашева, зав. кафедрой спортивного совершенствования, кандидат биологических наук, доцент Альберт Аминов, директор Научно-исследовательского центра спортивной науки, кандидат биологических наук, доцент Виталий Епишев.
«В рамках научной школы развиваются следующие направления: "Устройства для диагностики и коррекции биомеханики", "Роботизированные реабилитационные комплексы", "Перспективные разработки для ЭКГ-мониторинга", а также "Методики повышения работоспособности с использованием виртуальной реальности". Они направлены, в первую очередь, на создание конечного научно-технического продукта. Наличие в Институте спорта, туризма и сервиса обширной приборной базы позволяет идеям перерастать в исследования, продуктом которых в конечном итоге становится прототип определенного прибора или устройства», ― отмечает директор Научно-исследовательского центра спортивной науки Виталий Епишев.
Бесконтактная регистрация ЭКГ сигнала может проводиться круглые сутки
За все время представителями научной школы было реализовано значительное количество уникальных проектов. Среди них ― системы непрерывной, бесконтактной или псевдоконтактной регистрации ЭКГ. Учеными разработана технология регистрации ЭКГ-сигнала бесконтактным способом при помощи медных электродов, расположенных в обшивке кресла, и псевконтактным способом при помощи токопроводящей ткани и нитей, вшитых в изделие (футболки, подушки, матрацы, ортопедические средства).
В настоящее время разработаны прототипы регистраторов ЭКГ, проводится сравнительная оценка качества и точности сигнала ЭКГ-футболки из уникальной токопроводящей ткани. С ее помощью осуществляется съем сигнала, а через токопроводящие нитки он передается в ЭКГ-регистратор. Также создан прототип ЭКГ-кресла (например, водителя грузовика) где сигнал снимается бесконтактным способом: медные пластины, расположенные особым образом и вшитые в обшивку, позволяют передавать сигнал ЭКГ на регистратор. Кроме того, созданы прототипы ЭКГ-ортопедических средств, ЭКГ-подушек и матрацев, которые могут контролировать ЭКГ во сне у пожилых людей, больных и младенцев.
Сегодня становится возможным регистрировать ЭКГ круглые сутки в течение долгового времени, что определило дальнейшее фундаментальное направление исследований ― создание теории о существовании для каждого человека оптимальной частоты сердечных сокращений (ЧСС) с точностью до 1–2 уд/мин. Оно будет вестись совместно с учеными из Германии.
Фото: Подушки для бесконтактного мониторинга ЭКГ и сердечного ритма
Система диагностики плоскостопия и разработка «умных» стелек
Также ЮУрГУ запатентована первая в мире технология изготовления индивидуальных силиконовых ортопедических стелек, находящаяся на стадии коммерциализации. Сегодня FizioStep продается более чем в 20 городах России, а также в Казахстане и Кыргызстане. Ключевое преимущество FizioStep заключается в материале и конструкции стелек: силикон и ламели не ограничивают естественную подвижность стопы и при этом позволяют восстанавливать амортизационную функцию. Плюсом является также процедура изготовления: стелька вставляется в корректирующее устройство, человек наступает, формируется «слепок» стопы под нагрузкой. Время изготовления составляет около 20 минут.
FizioStep ― это также система диагностики плоскостопия и оценка нарушений биомеханики движения: фактически оценивается стопа, а также степень ее влияния на травматизм и эффективность физической активности (например, бега). В отличие от аналогичных продуктов, FizioStep позволяет не только снижать ударную нагрузку на стопу, но и лечить плоскостопие.
Фото: FizioStep
Кроме того, сегодня учеными разрабатывается стелька с «умными» датчиками, или smart-стелька. Она будет регистрировать положение стопы при ходьбе или беге и посылать информацию на смартфон, корректируя ошибки. С помощью датчиков станет возможным диагностирование и прогнозирование смещения коленного и тазобедренного суставов, изменений физиологических изгибов позвоночника, которые зачастую являются следствием нарушения биомеханики ходьбы и бега. Исключение патологических поз с помощью «умной» стельки позволит предупредить многие заболевания. Продукт станет средство лечения с обратной связью.
Роботизированные реабилитационные устройства с функцией «зеркальной терапии» и голосовые протезы
Следующим важным проектом является создание роботизированных реабилитационных устройств, обладающих функцией «зеркальной терапии». Уже сегодня созданы прототипы для верхних и нижних конечностей. Суть методики заключается в следующем: например, после инсульта у человека парализована одна рука. На здоровой руке размещаются датчики, а парализованная помещается в устройство. Сигнал о движении здоровой руки передается на устройство, которое в точности копирует это движение. Также есть возможность программирования движений.
Уникальность реабилитационного устройства для нижних конечностей заключается в том, что оно позволяет задействовать в процессе восстановления все суставы: тазобедренный, коленный и голеностопный. Устройство применимо не только для реабилитации после серьезных травм, но также в обучении ходьбе детей с диагнозом ДЦП. Кроме того, оно может найти применение в оптимизации техники спортсменов и, как следствие, в улучшении спортивных результатов за счет использования инновационных методов тренировок.
Направление «Перспективный инжиниринг в спорте и медицине» включает еще один интересный проект, целью которого стало решение проблемы восстановления голоса после удаления гортани. Сегодня в ЮУрГУ создаются отечественные трахеостомы и голосовые протезы, стоимость которых значительно меньше зарубежных аналогов. В рамках проекта уже созданы 3D-модели конечных изделий и формы для заливки пищевого силикона. На стереолитографическом 3D-принтере Научно-исследовательского центра спортивной науки ЮУрГУ изготовлен прототип изделия, который будет проходить клинические испытания в Челябинском областном центре онкологии и ядерной медицины.
Фото: Устройство для реабилитации пациентов с травмами ног; модель голосового протеза из силикона
Прогнозирование заболеваний по термографической карте и виртуальные технологии в спорте
С появлением в центре спортивной науки ЮУрГУ специального оборудования ― тепловизора, создающего термографическую карту тела человека, и анализатора состава тела ― стартовал проект «Разработка устройств и методов неинвазивной диагностики состояния человека на основе термографических параметров». Сопоставление термографической карты тела и данных его компонентного состава, а также использование методов математического анализа позволят определять компонентный состав при помощи измерения температуры в определенных сегментах тела (верхние, нижние конечности и туловище). Методика позволит определить соотношение тканей в организме и определять, что человек потенциально подвержен определенным заболеваниям. С помощью такого прибора, как тепловизор, можно выявить различные отклонения в здоровье на ранней стадии.
Фото: Тепловизор Baltech, создающий термографическую карту тела человека
«Нами также исследуется взаимосвязь физической работоспособности, максимального потребления кислорода и температуры в области грудной клетки и головы. Мы хотим ответить на вопрос: если температура тела является интегральным параметром скорости обмена веществ, можно ли дозировать физическую нагрузку по температуре тела, а не по данным пульса? В случае успешных исследований будет создан прибор и методика тренировок с использованием данных о температуре тела», ― рассказывает Виталий Епишев.
Одно из новых направлений деятельности представителей научной школы ИСТиС ― «Виртуальные технологии в спорте». Сейчас проводятся исследования о влиянии определенного видеоряда на психофункциональное состоянием спортсменов и их работоспособность. В дальнейшем, помимо разработки модели управления состоянием спортсменов при помощи VR-технологий, планируется установка локализации тех участков головного мозга, на которые необходимо воздействовать, например, для формирования оптимального стартового состояния.
За время существования научной школы «Перспективный инжиниринг в спорте и медицине» было создано значительное число уникальных продуктов, применимых для диагностирования и прогнозирования различных заболеваний, а также для улучшения спортивных результатов; в настоящее время реализуются новые проекты. Сегодня научная школа Института спорта, туризма и сервиса успешно развивает новые направления исследований.