Автореферат (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки), страница 2

Диссертационная работа состоит извведения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 107наименований. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста,содержит 100 рисунков и 19 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении представлено описание причин и симптомов ВДГК, указанастатистика заболевания, а также перечислены основные способы его лечения.Подробно описан процесс исправления деформации при проведении операцииНасса. Указаны основные преимущества и недостатки данной операции.Дана общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель,задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, методыисследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов,апробация и публикации, основные защищаемые положения.В первой главе рассмотрены основные подходы к созданию моделигрудной клетки и моделированию ее поведения при различных условияхнагружения (динамические, статические).

Установлено успешное применениекомплексного компьютерного метода, основанного на совместном использованииклинических исследований и современных расчетных комплексов.Рассмотрение работ, посвященных моделированию операции Насса,показало, что во всех случаях создание моделей грудных клеток осуществлялосьна основе предоперационного томографического исследования, а процессмоделирования операции выполнялся с использованием метода конечныхэлементов, реализованного в программном комплексе ANSYS. В исследованияхпредставлено два типа моделей грудных клеток:1. Модель, аппроксимированная балочными элементами (TomohisaNagasao, Junpei Miyamoto, Tamotsu Tamaki и др.)2.

Модель, аппроксимированная тетраэдрами (Pei Yeh Chang, Zhen-Yu Hsu,4Da-Pan Chen, Jin-Yao Lai, Chao-Jan Wang).Обе модели включали в себя ребра, грудину и реберные хрящи, и толькопервая модель содержала позвоночный столб. Принятой моделью материаловвсех компонентов являлся однородный, изотропный, линейно-упругий материал.Моделирование операции во всех случаях выполнялось посредством приложения«подъемного усилия» к грудине и опорных реакций к ребрам, располагаемых науровне установки корректирующих пластин (см. Рис. 7).

Одним из основныхнедостатков обоих подходов к моделированию является отсутствиепрогнозирования формы и оценки напряженно-деформированного состояния КП,что является крайне актуальным для глубоких и асимметричных типовдеформаций.В результате проведенного анализа установлено отсутствие описаниякомплексной методики, позволяющей проводить оценку послеоперационногонапряженно-деформированного состояния компонентов грудной клетки и КП.Во второй главе кратко описана анатомия грудной клетки человека, атакже основные анатомические особенности ребер, грудины, реберных хрящей,позвонков и межпозвоночных дисков.Принятой моделью материалов компонентов грудной клетки являетсяоднородный, изотропный, линейно-упругий материал, что соответствует подходу,представленному в работах ряда авторов (Tomohisa Nagasao, Pei Yeh Chang, J.Awrejcewicz и др.).

По данным экспериментальных исследований (D. Subit, H.Yamada, F. El Masri, M.A. Adams и др.) для каждого компонента моделиустановлены средние значения и стандартные отклонения для модуля упругости ипредела прочности, а также значения коэффициента Пуассона (Таблица 1). Врезультате выполненного сравнительного анализа установлено, что принятыедиапазоны модулей упругости биологических тканей соответствуют данным,приведенным в большинстве литературных источников. При этом ключевымипараметрами, влияющими на величину модуля упругости реберных хрящей,является возраст пациента и степень их кальцификации.

Так, значение модуляупругости здорового хряща может лежать в диапазоне 1-30 МПа, в то время какдля кальцифицированной области данный диапазон составляет 100-10000 МПа. Вработах зарубежных авторов (A. Vaziri, J.L. Forman) выявлено, что наличиеподобных областей может оказывать существенное влияние на результатымоделирования.Таблица 1.Механические характеристики биологических тканейМодуль упругости,ПределКоэффициентЭлементМПапрочности, МПаПауссонаРебра, грудина13500 ± 2600112,1 ± 24,50,3Реберные хрящи24,5 ± 4,90,45 ± 0,0140,4Позвонки374 ± 2087,07 ± 0,10,3Межпозвоночные7,2 ± 3,11,7 ± 0,80,45диски5Установлено, что оценка влияния учета анизотропии упругих свойствбиологических тканей на результаты моделирования не представлена ни в однойиз работ, посвященных моделированию операции Насса. С этой целью былиопределены значения упругих постоянных ортотропной модели компактнойкостной ткани ребер (Таблица 2).

Значения модулей упругости были получены всоответствии с соотношениями (1), при E1 = 13500 МПа, тогда как значениямодулей сдвига и коэффициентов Пуассона соответствуют данным,установленным для бедренной кости человека (P. Schuster, R. Crone).E2EE 48% , 3  43% , 3  90%E2E1E1(1)Таблица 2.Значения упругих постоянных ортотропной модели компактной костной тканиреберМодуль упругости, МПаМодуль сдвига, МПаКоэффициент ПуассонаE1 = 13500G12 = 3200µ12 = 0,30E2 = 6500G23 = 3600µ23 = 0,45E3 = 5800G31 = 3300µ31 = 0,30Рассмотрено деформированное состояние одного ребра, имеющее место приоперации Насса, с учетом задания различных моделей материалов.

Ребропредставлено в виде полукруглого стержня с эллиптическим поперечнымсечением, один конец которого нагружен усилием F, действующим в направлениисагитальной оси тела, а другой конец закреплен по всем степеням свободы. Таккак плоскости, проходящие через конечные точки ребер, располагаются поднекоторым углом α к фронтальной плоскости тела, то усилие F было разложенона две составляющие: усилие, лежащее в плоскости осевой линии стержня иусилие, перпендикулярное к данной плоскости (см.

Рис. 3). Значениягеометрических параметров и усилия F соответствовали условиям нагруженияодного ребра при операции (R = 100 мм, α = 35º, F = 70 Н).На основе принципа независимости действия сил было вычисленомаксимальное суммарное перемещение конца стержня, вызванное усилиями Fx иFz, при помощи интеграла Мора (2). Различие в результатах вычислений,выполненных для изотропной и ортотропной модели материала ребер, составило37% (см. Таблицу 3).

Таким образом, был сделан вывод о целесообразностипроведения аналогичного сопоставления результатов, полученных примоделировании операции.2 M  M   M  M 1zM  M к1 z   2x  2z    Fx 1x     Fz  кFz , E JEJGJ1z1y23кll l26(2)Расчетная схемаRyzxφFxFz2b = 10 ммПоперечное сечение стержня2a = 16 ммРис. 3. Расчетная схема определения деформированного состояния одного ребра,имеющего место при операции НассаТаблица 3.Результат определения максимального суммарного перемещения конца стержняпри использовании различных моделей материаловПараметрИзотропная модельОртотропная модельδx, мм5,95δz, мм26,3536,54δ, мм27,0237,02Проанализирована возможность дискретного задания механическиххарактеристик (плотности и модуля упругости) для компонентов грудной клеткипо эмпирическим уравнениям, зависящим от характеристик снимков КТ. Данныйподход позволяет учитывать особенности состояния рассматриваемой структурыу конкретного пациента.

Кратко описана реализация метода в программномкомплексе Mimics на примере определения механических характеристикбедренной кости человека по эмпирическим уравнениям, представленным вТаблице 4 для изотропной модели материала (J.Y. Rho, D. C. Wirtz).Таблица 4.Эмпирические уравнения, используемые для определения плотности и модулейупругости губчатой костной ткани бедренной кости человекаПараметрИзотропная модельОртотропная модель3  1,205  HU  139Плотность, кг/мE1  1904     103 1,64Модуль упругости, МПаE  0,82  1,27E2  E3  1157     103 1,787Третья глава посвящена разработке индивидуальной конечно-элементной(КЭ) модели грудной клетки конкретного пациента.Перечислены основные этапы, позволяющие реализовать поставленные вработе задачи, а также выполнен краткий обзор современных программныхкомплексов, используемых в рамках данной работы (Amira, Altair HyperMesh,ANSYS).Представлены исходные данные, используемые при моделировании.Рассмотрен случай пациента мужского пола 18-ти лет с симметричным типомворонкообразной деформации.

Были получены предоперационнаяипослеоперационная КТ грудной клетки в формате DICOM с размером пикселя0,88×0,88 мм, содержащие 301 растровое изображение. Расстояние междуизображениями составляло 1 мм. Операция по исправлению деформации методомНасса проводилась в Московском областном научно-исследовательскоминституте им. М.Ф. Владимирского (МОНИКИ). В результате операции упациента были установлены две одинаковые корректирующие пластины длиной350 мм, шириной 13 мм и толщиной 3,5 мм, изготовленные из титана марки ВТ6.Подробно описан процесс обработки снимков КТ в программном комплексеAmira, позволяющий получить трехмерную твердотельную модель груднойклетки, состоящую из описанных выше компонентов.РазработаналгоритмГрудинаполуавтоматическойсегментацииснимков КТ, позволяющий корректноопределять области, относящихся кГрудинаРебра Реберныеразличным компонентам груднойклетки.