Автореферат (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки), страница 4

Поля распределения суммарных перемещений (а) и поля распределенияэквивалентных напряжений (б)Таблица 7.Результаты исследованияМодель материалаПараметрРазличие, %Изотропная Транс.-изотр.Перемещение конца грудины, мм56,456,70,5Ширина грудной клетки, мм319,8320,90,3Контактное усилие на пластине 1, Н202,1173,014,4Контактное усилие на пластине 2, Н40,719,552,1Максимальный прогиб пластины 1, мм5,95,015,3Максимальный прогиб пластины 2, мм0,30,1–Максимальные значения эквивалентных напряжений, МПа:Ребра75,564,314,8Реберные хрящи7,66,119,7Грудина11,38,326,5Позвонки9,18,11,1Межпозвоночные диски0,20,20Пластина 1297,0245,217,4Пластина 232,422,231,512Номер ребра– T.

NagasaoВеличина суммарноговектора усилий, НВеличина суммарноговектора усилий, ННапряжения, МПаНапряжения, МПаУстановлено удовлетворительное совпадение результатов определениясуммарного значения контактных усилий, полученных на КП (187,5-287,7 Н), сэкспериментальными данными по определению подъемного усилия (P.G. Weber),требуемого для исправления деформации (170-250 Н).В ходе анализа напряженного состояния компонентов модели установлено,что максимальные напряжения сконцентрированы на ребрах с 3-го по 7-е состороны задней стенки грудной клетки (см. Рис. 9).

Максимальные напряжениядля реберных хрящей, полученные на внутренней поверхности 5-го хряща вобласти грудино-хрящевого соединения, превышают предел прочностигиалинового хряща, что обусловлено пренебрежением подвижности в указанныхсоединениях.Номер ребра– Средние х-ки– Минимальные х-ки– Трансверсально-изотропная модель– Максимальные х-киНомерребраНомерребра максимальныхРис. Tomohisa9. Результатопределенияэквивалентныхнапряженийдля 8TomohisaTomohisa NagasaoмиNagasaoпар ребер (слева) и результат определения величины суммарногоNagasaoвектораTomohisaNagasaoTomohisaNagasaoусилий, действующих в местах присоединения 8-ми пар ребер к позвонкам(справа)Анализ литературных источников (A.

Niedbala, M. Adams и др.) выявилналичие длительного послеоперационного воздействия на позвоночный столб(сильные боли, вероятность образования грудного сколиоза), требующего оценки.В связи с этим определены величины и направления усилий, действующих состороны ребер на позвоночный столб (см. Рис.

9). Установлено, что суммарныеусилия действуют в направлении имеющегося у пациента искривленияпозвоночного столба, тем самым потенциально ухудшая его. Выявлено, чтопренебрежение подвижности реберно-позвоночных и межпозвоночныхсоединений привело к возникновению напряжений, превышающих принятыйпредел прочности позвонков.В ходе анализа напряженного состояния КП установлено, чтомаксимальные напряжения в пластинах, не превышают заданного значенияпредела прочности титана. Однако напряжения в нижней пластине, полученныепри средних и максимальных механических характеристиках биологическихтканей, выше принятого предела текучести, что может привести к возникновениюместных пластических деформаций в области контакта пластины с грудиной.13Незначительное изменение первоначальной формы КП (прогиб в центральнойчасти), наблюдаемое после их удаления, подтверждает полученный результат.Сравнение результатов моделирования, представленных в Таблице 7,показало, что выбор модели материала ребер практически не влияет наопределение основных параметров деформированного состояния ГК, тогда какпогрешность определения напряженного состояния компонентов ГК икорректирующих пластин может составлять до 26,5%, а погрешность определенияконтактных усилий – до 52,1%.Алгоритм моделирования хирургического лечения ВДГК представлен наРис.

10.НачалоПолучение исходныхданныхНачало– снимков КТПолучениеОбработкаснимков КТ иисходныхданных – КЭсозданиеиндивидуальнойснимковКТв Amiraмодели ГКпациентаФормат снимков: DICOM, JPEG, BMP1. Сегментация снимков КТ2. Создание поверхностной модели ГКФормат снимков: DICOM, JPEG, BMP,3. Создание КЭ модели ГКTIFFЭкспорт КЭ моделиОбработкаснимковКТ и созданиеГК в AltairHyperMeshиндивидуальной конечно-элементной моделиГК пациента в AmiraЭкспортОбработкаКЭконечномодели ГК вэлементноймоделиAltair HyperMeshГК в AltairHyperMeshЭкспортКЭ моделиГК в ANSYSОбработкаконечно-элементнойЭкспортконечномоделиГК в AltairэлементноймоделиHyperMeshГК вANSYSСоздание и закрепление КЭмоделей КПМоделированиеоперацииНассаСоздание конечно-элементныхмоделейКПВыполнениеМоделированиеоперации Нассакритериев качестваНетНет14ДаВыполнениекритериевВыработкарекомендацийкачестваДаКонец1.

Перенумерация узлов и элементов2. Назначение типа конечногоэлемента ANSYS3. Назначение механических свойствматериалов компонентам модели ГК1. Создание КЭ моделей КП1. Перенумерация узлов и элементов2. Определения кинематическихмоделиограничений2. Назначение типа конечного3. Создание контактных поверхностейэлемента ANSYS3. НазначениемеханическихсвойствВыполнениедвухэтапов моделирования:материалов икомпонентаммодели ГКнагружениеразгрузка моделиКритерии качества:1. Получение ожидаемой формы ГК2. max < [] двух этапов моделирования:Выполнениенагружение и разгрузка моделиОсновные рекомендации: форма,количество, место расположения КПОсновными рекомендациями являютсяформа,количество и леченияместо ВДГККонецРис.

10.Алгоритм моделированияхирургическогорасположения КП, позволяющиедостигать ожидаемых результатовоперацииВ результате проведенных исследований определена адекватностьразработанной методики биомеханического моделирования хирургическоголечения ВДГК, основанной на совместном применении клиническихисследований и современных программных комплексов.

Установленавозможность применения методики при планировании операций Насса.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫОсновные выводы по работе можно сформулировать в виде следующихположений:1.Анализ литературных источников выявил отсутствиеописаниякомплексной методики прогнозирования результатов хирургического леченияВДГК. Установлено успешное применение комплексного компьютерного методадля создания биомеханической модели грудной клетки и выполнениямоделирования хирургического лечения ВДГК. Определены необходимыекомпоненты разрабатываемой модели грудной клетки, а также модель и свойстваматериалов исследуемых биологических тканей.2.Разработанная комплексная методика, алгоритм и программнаяреализация биомеханического моделирования хирургического лечения ВДГК,позволяютоцениватьпослеоперационноенапряженно-деформированноесостояние компонентов грудной клетки и КП, а также определять оптимальнуюформу, количество и место расположения КП.3.Определены значения параметров снимков предоперационной КТ(максимальный размер пикселя, максимальный шаг между снимками), а такжетип конечного элемента, позволивших создать индивидуальную конечноэлементную модель грудной клетки пациента.4.Установлено минимальное количество конечных элементов конечноэлементной модели, превышение которого не влияет на результатымоделирования хирургического лечения ВДГК.5.Определеныпогрешностивычислениянапряженнодеформированного состояния компонентов грудной клетки и КП при условиизадания механических свойств ребер, грудины и реберных хрящей с 20%-нойпогрешностью.6.В результаты проведенных расчетов установлено, что пренебрежениеподвижностью межкомпонентных соединений в модели приводит квозникновению повышенной концентрации напряжений в области ребернохрящевых и реберно-позвоночных соединений.7.Выполненная оценка адекватности разработанной методики на основесопоставления результатов расчетов с имеющимися экспериментальнымиданными, результатами клинических наблюдений и результатами моделированиядругих авторов показала возможность ее использования в клинической практикедля прогнозирования результатов хирургического лечения и планированияопераций.158.Практическая ценность диссертации подтверждена актом внедренияразработанной методики в практику предоперационного планированияхирургического лечения врожденных деформаций грудной клетки в Московскомобластном научно-исследовательском институте им.

М.Ф. Владимирского.СПИСОК РАБОТ, ОТРАЖАЮЩИХОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИПубликации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:1.ГрибовД.А.Биомеханическоесопровождениепроцессахирургического исправления воронкообразной деформации грудной клетки //Известия ВУЗов. Машиностроение. 2012. №13. С. 95-99 (0,5 п.л.).2.Гаврюшин С.С., Грибов Д.А. Биомеханика операции по исправлениюворонкообразного дефекта грудной клетки // Вестник МГТУ им. Н.Э.

Баумана.Серия «Естественные науки». 2012. №4. С. 96-104 (0,56 п.л. / 0,4 п.л.).3.Гаврюшин С.С., Кузьмичев В.А., Грибов Д.А. Биомеханическоемоделирование хирургического лечения воронкообразной деформации груднойклетки // Российский журнал биомеханики. 2014. Т. 18, №1. С. 36-47 (0,81 п.л. /0,6 п.л.).Тезисы в сборниках трудов научно-технических конференций:1.Гаврюшин С.С., Грибов Д.А. Численное моделирование процессаисправления воронкообразного дефекта грудной клетки // VII Международныйнаучный симпозиум «Проблемы прочности, пластичности и устойчивости вмеханике деформируемого твердого тела».

Тверь. 2010. С. 19-20.2.Гаврюшин С.С., Кузьмичев В.А., Грибов Д.А. Численноемоделирование процесса хирургического лечения воронкообразной деформациигрудной клетки // XXIV Международная конференция «Математическоемоделирование в механике деформируемых твердых тел. Метод граничных иконечных элементов».

Санкт-Петербург. 2011. 1 CD.3.Гаврюшин С.С., Кузьмичев В.А., Грибов Д.А. Численноемоделирование процессов хирургического исправления врожденных деформацийгрудной клетки // XVIII Международный симпозиум «Динамические итехнологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова. Ярополец.

2012. С. 59-60.4.Гаврюшин С.С., Грибов Д.А. Программно-аппаратная поддержкаопераций по исправлению врожденных дефектов грудной клетки // Сборниктрудов 15-й Научно-технической конференции «Медико-технические технологиина страже здоровья». о. Мадейра (Португалия). 2013. С. 147-149.5.Gavrushin S.S., Kuzmichev V.A., Gribov D.A. Numerical simulation ofpectus excavatum surgical treatment // 7 th Russian-Bavarian Conference on BiomedicalEngineering.2011.URLofcollectedarticles:http://rbc2011.fau.de/index.php/proceedings.16.