Диссертация (Разработка биомеханической модели и методики планирования хирургического лечения воронкообразной деформации грудной клетки), страница 3

Основные положения и результаты диссертационнойработы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:- на VII Международном научном симпозиуме «Проблемы прочности,пластичности и устойчивости в механике деформируемого твердого тела». Тверь,2010 (16-17 декабря);- на XXIV Международной конференции «Математическое моделированиев механике деформируемых твердых тел и конструкций. Методы конечных играничных элементов». Санкт-Петербург, 2011 (28-30 сентября);- на VII Российско-Баварской конференции по биомедицинской инженерии.Эрланген (Германия), 2011 (11-13 октября);-наВсероссийскойконференциисэлементаминаучнойшколы«Биометрические технологии».

Москва, 2011 (1-2 ноября);- на научном семинаре кафедры компьютерных систем автоматизациипроизводства МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, 2013 (27 марта);- на XVIII Международном симпозиуме «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.

А.Г. Горшкова.Ярополец, 2012 (13-17 февраля);- на 15-й Научно-технической конференции «МЕДТЕХ-2013». о. Мадейра(Португалия), 2013 (20-27 сентября);- на научном семинаре факультета биомедицинской техники МГТУ им. Н.Э.Баумана. Москва, 2015 (3 марта).- на научном семинаре кафедры прикладной механики МГТУ им. Н.Э.Баумана. Москва, 2015 (28 апреля).Публикации. По материалам диссертации опубликованы 8 научных работ,в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5тезисов и материалов докладов.17Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит извведения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 107 наименований.Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 100 рисункови 19 таблиц.Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникамФГБОУ ВПО МГТУ им.

Н.Э. Баумана (кафедр прикладной механики икомпьютерных систем автоматизации производства): научному руководителюпрофессору, д.т.н. Гаврюшину С.С. за помощь в подготовке и оформлениидиссертации; профессору, д.т.н. Сорокину Ф.Д. за многочисленные советы,направленные на улучшение качества работы. Автор благодарит хирургаотделенияторакальнойисследовательскогохирургииклиническогоМосковскогоинститутаимениобластногоМ.Ф.научно-Владимирского(МОНИКИ), к.м.н. Кузьмичева В. А. за предоставление интересной и актуальнойтемыдиссертации,атакжеобеспечениевсемиисходнымиданными,необходимыми для выполнения работы; за помощь в подготовке и оформлениидиссертации.18ГЛАВА1.ОСНОВНЫЕПОДХОДЫКМОДЕЛИРОВАНИЮПОВЕДЕНИЯ ГРУДНОЙ КЛЕТКИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХУСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ1.1.

Использование интегрального компьютерного метода в биомеханикеНа сегодняшний день использование интегрального компьютерного метода,включающего совместное использование возможностей методов математическогомоделирования, вычислительной техники, данных клинических исследований исоответствующего программного обеспечения, позволяет проводить комплексныеисследованияразличныхбиомеханическихобъектов.Так,современныепрограммные комплексы по обработке изображений (Amira, Mimics и др.),полученных томографией, позволяют выделять, визуализировать и определять invivo механические свойства рассматриваемых объектов с учетом особенностей ихфактического состояния и строения.

Определение напряженно-деформированногосостоянияобъектовпроизвольнойформы,имеющихнеоднородностьмеханических свойств, точнее всего осуществляется при помощи численныхметодов. Наиболее эффективным и распространенным методом сегодня являетсяметод конечных элементов (МКЭ), реализованный в таких конечно-элементныхпакетах как ANSYS, NASTRAN, ABAQUS и других.Примеры успешного применения метода представлены в целом ряде работ[3, 5, 11, 16, 19, 22, 23, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 38, 42, 43, 44, 50, 52, 54, 55, 57, 59, 63,65, 66, 68, 73, 74, 75, 77, 78, 86, 89, 91, 95, 97].

Ниже кратко описаны основныеподходы к созданию математических моделей грудных клеток, предназначенныхдля моделирования их поведения при различных условиях нагружения,включающих моделирование операции Насса. Создание моделей осуществлялоськак при помощи рассмотрения упрощенных схем, так и с использованиеминтегрального компьютерного метода, позволяющего учитывать особенностистроения грудной клетки конкретного человека.191.2. Вязкоупругая модель грудной клетки ЛобделлаПервые модели грудных клеток предназначались для исследования ихповедения при контактном нагружении, характерном для многих аварийныхситуаций на транспорте: удар грудью о рулевое колесо, спинку переднегосиденья, привязные ремни.

Одной из наиболее простых моделей грудной клетки,представленной на Рис. 1.1, является т.н. модель Лобделла [67]. Данная модель,состоящая из набора сосредоточенных масс, пружин и демпферов, предназначенадля моделирования поведения грудной клетки при тупом ударе. Масса m1является массой ударника, которому задается требуемая начальная скорость.Податливость покровных тканей передней стенки грудной клетки (масса m2)имитируется элементом k1. Большая часть массы внутренних структур грудногосегмента приписывается задней стенке – масса m3. Упругие характеристикигрудной клетки задаются элементом k2, а демпфирование внутренних органов –элементом c1. Вязкоупругие свойства мышц задаются элементом k3/c2.Рис. 1.1. Модель грудной клетки ЛобделлаУравнения представленной модели выглядят следующим образом:20 d 2 y1m1 dt 2  k1  y1  y2 2m d y2  k  y  y   k  y  y   k  y  y   c  dy2  dy4 1122243231 2 dt 2dt  dt2m3 d y4  k2  y2  y4   c2  dy3  dy4   c1  dy2  dy4 dt 2dt dt  dt dtc  dy3  dy4   k  y  y 323 2  dtdt (1.1)Модель вполне удовлетворительно описывает экспериментальные данные(амплитудные значения контактных сил и деформации грудной клетки),представленные в работах [60, 61].

Таким образом, модель вполне пригодна дляпредварительных оценок травмоопасности, а также для предварительного выборатребований к конструкции энергопоглощающих элементов.1.3. Пространственная модель грудной клеткиВ работе [14] рассмотрена пространственная модель грудного сегментатела. Модель состоит из 27 основных модулей, к которым относятся голова (сшейным отделом позвоночника), нижнепозвоночный модуль (позвонки Т10 – L5,крестец и таз), девять верхних грудных позвонков с дисками, десять ребер среберными хрящами, шесть модулей образующих грудину (Рис.

1.2). Каждый измодулей представляет собой пространственную структуру, состоящую изтрехмерных элементов. Нижнепозвоночный модуль, например, включает 17элементов, каждое ребро от 10 до 13 элементов, а модель в целом – 154 элемента,представленных на рисунке отрезками прямых. В зависимости от конкретныхзадачисследованиявнутренниеорганыгруднойибрюшнойполостипредставляются либо точечными массами, присоединенными к костям упругимисвязями, либо пространственными структурами (в конечных элементах или в видедеформируемых оболочек).Общие размеры модели соответствуют антропометрическим данным.Длины ребер возрастают от первого к шестому в пределах 14,0 – 27,9 см и вновьубывают до величины 21,0 для десятого ребра.

Площади поперечных сечений21лежат в пределах 0,129 – 0,258 см2; моменты инерции поперечного сечения Iy =0,0017÷0,0025 см4; Iz = 0,004÷0,012 см4; J = 0,012÷0,029 см4. Вертикальныеразмеры позвонков составляют соответственно 1,9 и 0,38 см для уровней T1 – T10;2,54 и 0,64 см для нижележащих уровней. Для костных тканей приняты значениямодулей Юнга 1,2∙104 МПа и 500 МПа; для соединительных тканей – 28,0 и 12,8МПа соответственно.Рис. 1.2.

Пространственная модель грудной клетки (P. Chen, 1978)Для проверки модели в условиях контактной ударной нагрузки были такжеиспользованы экспериментальные данные, описанные в работах [60, 61].Результаты определения реакции грудной клетки на удар (зависимости «силадеформация»), представленные на Рис. 1.2, иллюстрируют неплохое совпадение сэкспериментально зарегистрированными результатами.1.4. Конечно-элементная модель тела человекаБолее совершенная модель человеческого тела представлена в работе [102],опубликованной в 2001 году. Работа посвящена разработке конечно-элементноймодели тела мужчины со среднестатистическими параметрами. Основнымпредназначением модели являлась имитация проведения аварийных испытаний22автомобилей и оценка последствий для человека.

Модель основана наобъединении отдельных конечно-элементных моделей частей тела (см. Рис. 1.3).Геометрические характеристики отдельных элементов были получены из атласовпо анатомии человека. Модель состоит из 45656 твердотельных элементов, 52565оболочечных элементов и 268 одномерных элементов, с общим числом узлов иэлементов 80000 и 99000 соответственно.Рис. 1.3. Конечно-элементная модель тела человекаМодельгруднойклеткивключаетвсебяследующиеэлементы:позвоночник, грудина, 12 пар ребер, внешние и внутренние межреберные мышцы,сердце, легкие, аорта, кровеносные сосуды, диафрагма. В Таблице 1 представленыпринятые механические характеристики костных и хрящевых тканей, а такжемежреберных мышц.Оценка адекватности модели производилась посредством моделированияряда стандартных экспериментов. Первыми из них была имитация ударов23маятникового копра в область грудной клетки, брюшной области и областилевого плеча.

Результаты, полученные в результате моделирования, сравнивалисьс результатами, полученными в аналогичных экспериментах, проводимых сиспользованием трупов людей. Основной характеристикой для данного видаиспытания является зависимость деформации стенки грудной клетки отконтактного усилия взаимодействия маятника с грудной клеткой.Таблица 1.Механические характеристики биологических тканей грудной клеткиТканьПлотность,кг/м3Модульупругости,МПаК-тПуассонаПределтекучести,МПаМодульсдвига,МПа200010180,00,365,32300,0100040,00,451,832,0100022,70,356,21,0100010,30,473,01,032500354,00,3--10005,00,41,42,65Компактнаякостная тканьреберГубчатаякостная тканьреберРеберныехрящиМежреберныемышцыГрудныепозвонкиГрудныемежпозв-ныедискиНаРис.1.4представленосравнениерезультатовматематическогомоделирования с экспериментальными данными [60, 61] для случая ударамаятникового копра в область грудной клетки.24Рис.