Автореферат (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки)

На правах рукописиГрибов Денис АлексеевичРАЗРАБОТКА БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И МЕТОДИКИПЛАНИРОВАНИЯ ХИРУРГИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯВОРОНКООБРАЗНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ГРУДНОЙ КЛЕТКИСпециальность 01.02.08 – БиомеханикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукоктор технических наук, профессорГаврюшин Сергей СергеевичМосква – 2016Работа выполнена вфедеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«МосковскийгосударственныйтехническийуниверситетимениН.Э.

Баумана».Научный руководитель:Гаврюшин Сергей Сергеевичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты: Воробьев Евгений Ивановичдоктор технических наук, профессор, Институтмашиноведения им. А.А. Благонравова РАН(ИМАШ РАН), главный научный сотрудник;Перфильев Сергей Андреевичкандидат технических наук, Центральныйнаучно-исследовательскийинститутстоматологии и челюстно-лицевой хирургии(ЦНИИС),научныйсотрудникрентгенологического отделения.Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Институт проблем механикиим.

А.Ю. Ишлинского Российской академии наук(ИПМех РАН), г. Москва.Защита состоится «29» июня 2016 г. в 12:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.14 при Московском государственномтехническом университете имени Н.Э. Баумана в зале Ученого Совета поадресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, стр.1.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана ина сайте www.bmstu.ruАвтореферат разослан «___»___________2016г.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьбанаправлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр.1,МГТУ им. Н.Э.

Баумана, ученому секретарю диссертационного советаД 212.141.14.Ученый секретарьдиссертационного советаСамородов АндрейВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Воронкообразная деформация грудной клетки (ВДГК)отмечается у 0,6-2,3% населения и составляет 91% всех врожденных деформацийгрудной клетки (ГК). Причиной деформации считается дефект костной исоединительной ткани, вызывающий неправильное развитие ребер и хрящей, чтоформирует вогнутость передней стенки ГК (Рис. 1).НасегодняшнийденьнаиболеераспространеннымспособомлеченияВДГКявляется т.н. «операция Насса», использующаямалоинвазивную технологию. В ходе операцииворонкообразнаядеформацияисправляетсяпосредством установки внутри грудной клеткикорректирующих пластин (КП), фиксирующихгрудину в требуемом положении.

Процессустановки КП внутри грудной клетки схематичнопредставлен на Рис. 2, а, б. При этом производитсясильное воздействие на ребра, грудину, реберныехрящиипозвоночныйстолб.Основнымпреимуществом операции являются минимальнаяРис. 1. Фото пациента стравматичность и максимальный косметическийВДГКэффект. Вместе с тем были зафиксированыразличные осложнения, возникающие при использовании данной методики.Наиболее сложными являются случаи с глубокими и асимметричнымидеформациями. В таких случаях результаты операции могут быть не идеальными,полученная форма грудной клетки может отличаться от желаемой.а)б)Рис. 2. Начальное (а) и конечное (б) положение КП внутри грудной клеткиВ связи с этим возникла необходимость в создании методикипрогнозирования результатов хирургического лечения ВДГК, позволяющейпроводить планирование будущей операции.

Послеоперационная форма груднойклетки, жесткость, форма, количество и место расположения КП являютсяосновными параметрами, требующими индивидуального определения.Анализ литературных источников выявил отсутствие описаниякомплексной методики, позволяющей проводить оценку послеоперационногонапряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки, КП ипрогнозировать результаты будущей операции. В связи с этим разработкаподобной методики является актуальной научной задачей.1Цель исследования: разработка биомеханической модели и методикипланирования хирургического лечения ВДГК, позволяющие проводитьмоделирование, оценивать результаты и осуществлять выбор оптимальныхпараметров будущей операции.Для достижения поставленной цели исследования решались следующиезадачи:1.Анализ существующих подходов к созданию адекватнойбиомеханической модели грудной клетки и способов моделирования процессахирургического лечения ВДГК.2.Разработка методики создания биомеханической модели груднойклетки и моделирования хирургического лечения ВДГК, позволяющейпрогнозировать результаты будущей операции.3.Оценка адекватности полученной методики на основе сравнениярезультатов расчетов с имеющимися расчетными и экспериментальнымиданными.4.Внедрение результатов работы в практику предоперационногопланирования хирургического лечения ВДГК.Методы исследования.

При решении поставленной научной задачииспользовались методы обработки изображений, методы создания и оптимизациирасчетных поверхностных и объемных сеток, методы механики деформируемоготвердоготела,методыматематическогомоделирования,методыэкспериментального исследования и обработки результатов.Обоснованностьидостоверностьрезультатовопределяютсяиспользованием известных положений фундаментальных наук, корректностьюиспользуемых математических моделей и их адекватностью реальнымбиомеханическим процессам, совпадением результатов моделирования сэкспериментальными данными и результатами моделирования других авторов.Научная новизна диссертационной работы определяется следующимирезультатами:1.Разработаны методика и алгоритм создания биомеханической моделигрудной клетки, учитывающей индивидуальные особенности строения ребер,грудины, реберных хрящей и позвоночного столба конкретного пациента.2.Предложен новый способ конечно-элементного моделированияхирургического лечения ВДГК, позволяющий осуществлять оценку результатовбудущей операции и определять оптимальную форму, количество и месторасположения КП.3.Выявлено влияние погрешности определения механических свойствбиологических тканей, степени дискретизации конечно-элементной модели, атакже пренебрежения подвижностью межкомпонентных соединений модели накачество получаемого послеоперационного прогноза на основе результатовчисленных и экспериментальных исследований.Практическая ценность работы определяется разработкой методики,алгоритма и программной реализацией биомеханического моделирования2хирургического лечения ВДГК для конкретного пациента, позволяющихпроводить оценку послеоперационного напряженно-деформированного состояниякомпонентов грудной клетки и КП; выдачей рекомендаций по планированию ипроведению хирургического лечения ВДГК, позволяющих добиться требуемогорезультата и избежать послеоперационных осложнений.Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы иразработанная методика в виде пакета прикладных программ внедрены впрактику хирургического лечения врожденных деформаций грудной клетки вМосковском областном научно-исследовательском институте им. М.Ф.Владимирского, Россия. Результаты внедрения подтверждены соответствующимактом.Основные научные положения, выносимые на защиту:1.Методика и алгоритм создания индивидуальной биомеханическоймодели грудной клетки, основанной на совместном использованиипредоперационной компьютерной томографии (КТ) с размером пикселя не более0,880,88 мм и шагом между снимками не более 1 мм, программных комплексов(ПК) обработки снимков КТ, обработки конечно-элементных моделей и конечноэлементного моделирования.2.Методика и алгоритм моделирования хирургического лечения ВДГК,основанная на использовании возможностей программных комплексов конечноэлементного моделирования.3.Численные результаты исследований, отображающие влияниепогрешности определения механических свойств биологических тканей, степенидискретизации конечно-элементной модели, пренебрежения подвижностьюмежкомпонентныхсоединениймоделинакачествополучаемогопослеоперационного прогноза.4.Сравнениечисленныхиэкспериментальныхрезультатовисследований, подтверждающих возможность использования разработаннойметодики для выполнения оценки послеоперационного напряженнодеформированного состояния компонентов грудной клетки и КП, определенияформы, количества и места расположения КП, выдачи рекомендаций попланированию и проведению хирургического лечения ВДГК.Апробация работы.

Основные положения диссертационной работыдокладывались на VII Международном научном симпозиуме «Проблемыпрочности, пластичности и устойчивости в механике деформируемого твердоготела». Тверь, 2010; на XXIV Международной конференции «Математическоемоделирование в механике деформируемых твердых тел и конструкций.

Методыконечных и граничных элементов». Санкт-Петербург, 2011; на VII РоссийскоБаварской конференции по биомедицинской инженерии. Эрланген (Германия),2011; на Всероссийской конференции с элементами научной школы«Биометрические технологии». Москва, 2011; на научном семинаре кафедрыкомпьютерных систем автоматизации производства МГТУ им. Н.Э.

Баумана.Москва, 2013; на XVIII Международном симпозиуме «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.3Горшкова. Ярополец, 2012; на 15-й Научно-технической конференции «МЕДТЕХ2013». о. Мадейра (Португалия), 2013; на научном семинаре факультетабиомедицинской техники МГТУ им.

Н.Э. Баумана. Москва, 2015; на научномсеминаре кафедры прикладной механики МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, 2015.Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 научных работ,в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5тезисов и материалов докладов.Диссертация соответствует паспорту специальности 01.02.08«Биомеханика» по пункту 4 «Изучение механики опорно-двигательнойсистемы, плавания, полета и наземного движения животных, механикицеленаправленных движений человека, движения совокупностей живыхорганизмов, двигательной активности растений» и по пункту 6 «Разработка наоснове методов механики средств для исследования свойств и явлений в живыхсистемах, для направленного воздействия на них и их защиты от влияниявнешних факторов».Объем и структура диссертации.